空中自動同步脫鉤吊具設計與分析*

張偉,李明益,周明坡,張有鎖,郭龍,常留紅,毛聰

(1.中交天航港灣建設工程有限公司,天津 300450；2.長沙理工大學 水利工程學院,湖南 長沙 410114；3.長沙理工大學 汽車與機械工程學院,湖南 長沙 410114)

施工過程中,經常需將重物在空中進行拋投,特別需要將多個重物起吊到指定位置后能在空中自動同步脫鉤拋投的設備。如航道整治工程中使用的四面六邊體透水框架,需在水面進行拋投,而且所拋的四面六邊體透水框架的數量非常巨大,一個工地就達幾十萬架。傳統的拋投重物方法采用挖掘機拋投甚至是人工拋投,存在每次拋投數量少、拋投效率低、安全隱患大、拋投成本高、拋投位置準確度低等問題。 該文根據所需拋投重物的結構特點及拋投要求,提出并制備一種空中脫鉤吊具,實現重物的空中自動同步脫鉤拋投,并對該吊具進行有限元受力分析、透水框架拋投試驗和工程應用,分析其可行性和有效性。

1 空中脫鉤吊具的結構設計

為提高重物的拋投效率、減輕工作人員勞動強度,設計一種基于四桿機構的空中自動同步脫鉤吊具(見圖1)。該吊具由吊架、四桿機構、提升機構組成,其中：吊架由工字鋼焊接而成,分為橫梁和縱梁,起承載作用；四桿機構由橫梁、兩相鄰的轉動桿、連桿組成,轉動桿通過軸承安裝在橫梁的軸承座內并構成轉動副,連桿與轉動桿之間由銷釘連接并形成轉動副,構成四桿機構；提升機構由脫鉤鋼絲繩、限位立柱組成,為四桿機構提供拉力并使其限位轉動,提升機構拉著連桿水平移動,帶動轉動桿轉動,起懸掛重物并脫鉤的作用。

吊具的工作原理：將所需拋投的重物通過繩索懸掛在轉動桿的掛鉤上,起重機主吊鉤將空中自動同步脫鉤吊具及重物吊移到拋投位置并停在所需高度；提升副吊鉤經脫鉤鋼絲繩拉著連桿平移,四桿機構的作用使轉動桿繞著自身軸線轉動,當轉動桿轉過一個合適角度時,懸掛有重物的繩索從轉動桿的掛鉤上脫落,實現重物的空中脫鉤拋投(該吊具具有多組四桿機構并能懸掛多個重物,可實現多個重物在空中自動同步脫鉤拋投)；放松副吊鉤,在繩索及連桿的自重作用下轉動桿復位。

圖1 基于四桿機構的空中自動同步脫鉤吊具

2 空中脫鉤吊具的有限元受力分析

2.1 建立模型

為驗證空中脫鉤吊具工作過程的強度及剛度,對其進行有限元受力分析。采用Solid Works軟件建立空中脫鉤吊具三維實體模型[見圖1(a)],充分利用三維軟件建模簡單方便和易于發現設計錯誤的特點,大大簡化建模的繁瑣過程。為提高后續有限元分析的計算效率,建模時簡化或省略一些對計算結果影響不大的特征,如簡化吊耳和倒角等要素；假定零件之間焊接牢固,無虛焊、漏焊、松脫現象,焊接后殘余應力較小,不足以影響分析結果。

通過Simulation模塊進行受載仿真分析,并采用帶中節點的四面體實體單元劃分網格,網格尺寸為20 mm,吊耳、拐角等復雜結構部位網格尺寸較小,而橫梁、縱梁等平直位置采用小尺寸網格。共劃分為82 799個單元、151 482個節點。

根據空中脫鉤吊具的工作狀態(見圖2),載荷包括：1)施加在轉動桿掛鉤上的重物質量(為每根繩索上懸掛2個透水框架及繩索自重,質量為1 820 N),方向為豎直向下；2)空中脫鉤吊具自重。約束條件為：1)主吊鉤吊裝位置固定；2)橫梁上軸承座和軸承蓋接觸面之間存在接觸,螺栓施加預緊力；3)連桿與轉動桿之間的轉動副設置為銷釘連接。空中脫鉤吊具采用Q235鋼材,彈性模量E＝2.06×1011N/m2,泊松比μ＝0.3,密度ρ＝7 850 kg/m3,屈服應力σmax＝235 MPa。由于空中脫鉤吊具在常溫下工作,忽略熱應力和熱變形,即不考慮材料的比熱、熱膨脹系數等熱物理性能。

圖2 空中脫鉤吊具受力示意圖

2.2 分析結果

圖3為空中脫鉤吊具的Mises應力云圖。由圖3可知：空中脫鉤吊具應力最大值為155.4 MPa,吊耳位置應力較大,其余部位的應力通常為幾十兆帕。導致這一現象的原因是主鋼絲繩吊住吊耳,所吊重物及吊具自重均由吊耳承受,導致該處出現應力集中現象。Q235材料的屈服強度為235 MPa,起重機械的安全系數通常取1.3,即許用應力為181 MPa,吊具強度滿足要求。

圖3 空中脫鉤吊具應力分布(單位：MPa)

圖4為空中脫鉤吊具的撓度分布。由圖4可知：空中脫鉤吊具Y方向的最大位移為15.7 mm,位于吊具的中部下方區域。船用起重機的許用撓度以懸臂梁長度的1/500計算,最大許用撓度為18.6 mm,空中脫鉤吊具滿足剛度要求。

圖4 空中脫鉤吊具撓度分布(單位：mm)

盡管吊具強度和剛度滿足要求,但設計中還需考慮下列因素：1)焊接問題。焊接強度計算是當今有限元計算領域的難題,很難準確分析其實際狀況,故分析中省略焊縫。而焊縫填料層與母材結合面的性能通常比母材差,會導致實際應力和變形值比計算值大。2)鋼材“負偏差”問題。建模時鋼材厚度均使用理論值,而鋼材的實際尺寸通常比理論值小,存在“負偏差”,會造成實際應力和變形值比計算值大。3)超載問題。吊具實際使用時可能超載,會造成實際應力和變形值比計算值大。4)動態載荷問題。計算時取靜止狀態下載荷,而吊具在啟動和制動時的實際載荷往往大于靜止狀態下載荷,會造成實際應力和變形比計算值大。5)疲勞問題。計算中只進行應力、應變分析,沒有進行疲勞分析,而疲勞是機械零部件破壞的一種最常見方式,設計時需考慮該因素的影響。綜上,上述計算所得最大應力、最大撓度分別比許用應力、許用撓度小16.5%和18.5%,比較可靠,在保證其具有足夠強度和剛度的前提下,能節省材料、降低成本。

3 空中脫鉤吊具的工程應用

開展空中脫鉤吊具樣機試制,每臺吊具設計為2排掛鉤,每排8個掛鉤,總計16個掛鉤。開展透水框架的空中脫鉤拋投試驗,結果顯示：該吊具各鉸鏈轉動自如,能實現重物空中自動拋投；連桿能水平移動,拋投重物時同步性好；吊具未出現大變形和塑性變形,拋投位置準確可靠。

在長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治中開展工程應用(見圖5),每個掛鉤疊放2架透水框架,即每次拋投透水框架數量為32架,每天拋投透水框架數量達到1.2萬架,大大提高了施工效率,顯著減輕了工人勞動強度,也最大限度降低了施工安全隱患。經過總拋投透水框架75萬架的工程應用,吊具焊縫、軸承座螺栓連接、掛鉤、吊耳等危險位置均未出現疲勞裂紋,疲勞強度滿足施工要求。

圖5 空中脫鉤吊具的工程應用

4 結語

該文設計并制備一種基于四桿機構的脫鉤吊具,該吊具由吊架、四桿機構、提升機構組成,提升機構拉著連桿平移帶動轉動軸回轉,實現重物的空中自動同步脫鉤拋投。有限元受力分析結果表明,該吊具的強度、剛度滿足要求。透水框架的拋投試驗及工程應用表明,吊具的危險位置未出現疲勞裂紋,疲勞強度滿足施工要求；顯著減輕了工人勞動強度,降低了施工安全隱患；增加了每次拋投重物的數量,提高了拋投效率。