鋼板吊運吊鉤裝置結構設計研究

歐昌杰，杜青林，李鐵林

（湖南理工學院 機械工程學院，湖南 岳陽 414006）

0 引言

在鋼鐵廠、造船廠、鋼結構加工廠等工業場所需要經常吊運各種尺寸、規格繁多的鋼板，發現鋼板面積大、尺寸長、表面光滑且沒有吊裝孔或環時，吊裝吊運作業特別繁瑣困難[1]。在實際作業中，目前許多工廠多采用吊索和制造簡單的豎吊鉤子、狗頭鉤子等組合吊裝[2]，成本低，維護簡單，使用環境不受限制，但吊裝過程中由于鋼板重量過重即使有鎖緊裝置的吊鉤也可能出現脫鉤現象，存在較大安全隱患。為了解決這一安全隱患，李世強[3]設計了一種新型吊鉤防脫鉤裝置，防脫封板安裝了一個強力磁鐵，封板能實現雙向防脫，裝置在脫鉤時無需用手把持即可完成脫鉤操作。張合式機械掛鉤[4]，通過安裝在兩側的液壓推桿伸展推動掛鉤兩個半環塊對向旋轉形成封閉的掛鉤形狀，能避免滑鉤情況，進而完成鉤掛功能。然而吊索吊運時，吊鉤與鋼板鉤掛及卸貨取鉤操作麻煩、容易卡鉤。有的采用電磁方式進行鋼板吊運作業，如伸縮梁電磁吊具、固定梁電磁吊具、鋼板側吊電磁吊具等，雖然鋼板電磁吊具操作簡單，起吊省力，但存在意外斷電鋼板掉落的風險[5，6]。

因此，開發結構可靠、穩定性好、安全性高的鋼板吊運裝置便成了吊裝工程急需解決的技術課題。萬正喜等[7]開發一個鋼板起吊的專用吊鉤，由左右兩個結構相同的鉤體與中間連接板焊接而成，鉤體前端成楔形結構，直接鉤掛鋼板，再用鋼絲繩配合完成起吊。但存在薄鋼板裝運時容易發生彎曲變形或者折斷，影響鋼板的加工與使用性能；需要人力裝卸，生產效率較低；鋼板容易因傾斜滑落對設備和施工人員產生傷害等安全問題；且不能進行長尺寸鋼板的裝運；而又因鋼板自重大容易在其表面產生壓痕等缺陷。一種鋼板起吊裝置[2]將鉤體設計為U 型，有效防止了吊運時鋼板表面產生壓痕的現象，但可能出現鋼板傾斜滑落。胡新軍[8]設計了一種夾爪為U 形結構的鋼板起吊裝置，通過調節伸縮臂和鎖緊螺絲達到對不同尺寸鋼板的起吊，但鎖緊效果欠佳。曹雁冰[9]設計的穩定型鋼板起吊裝置在鋼板中間位置設計了輔助板支撐，避免因鋼板自重過大可能出現的脫落情況，結構較復雜，工作效率較低。朱玉勤[10]設計的一種鋼板起吊用鎖緊裝置，鋼板吊裝操作過程不方便。

針對鋼板吊運作業中存在的上述問題，設計了一種全新的鋼板吊運自動裝置，有效解決了吊索易卡鉤、常脫鉤、吊運效率低等結構缺陷和安全隱患，吊運過程中方便快捷，鋼板表面不會產生壓痕，吊具夾緊安全可靠，并能測量鋼板厚度，提升工作效率。

1 鋼板吊運裝置結構及工作原理

本設計的鋼板吊運裝置結構如圖1 所示。包括①U 形鋼板吊鉤、②指針盤、③滾動擺動指針、④矩形吊臂、⑤T 型支架、⑥液壓推桿、⑦吊臂支座、⑧支撐橫梁和其他一些輔助機構等。卸載狀態時，液壓推桿⑥收縮至最短，帶動T 型支架⑤上升，平行四邊形矩形吊臂逐漸張開，U 形鋼板吊鉤間距離最寬；當液壓推桿⑥向下移動時，T 型支架⑤下降，帶動平行四邊形矩形吊臂④向內收回，待到吊鉤①裝載鎖緊鋼板為止，整個鋼板裝載過程完成，然后進行平穩吊運到指定位置。圖1 為鋼板被吊鉤夾緊待吊狀態，此時液壓推桿伸長，根據所吊鋼板的寬度調節伸長量，達到鋼板被自動鎖緊安全可靠狀態。

圖1 鋼板吊鉤機械裝置結構示意圖

該鋼板吊運裝置中各個機構之間的運動協作關系如圖2 所示。U 形鋼板吊鉤①與矩形吊臂④通過銷軸聯接；矩形吊臂④采用左右四根矩形管，通過銷軸與U 形鋼板吊鉤①和吊臂支座⑦鉸接，成平行四邊形結構，吊運時結構穩定不搖晃；在左右矩形吊臂④中間位置有一個T 型支架⑤，在水平方向通過滑槽鏈接，可以沿著矩形吊臂斜向方向上下滑移；液壓推桿⑥上端固定在吊臂支座⑦上，下端與T 型支架⑤相連，液壓推桿伸縮運動使T 型支架⑤沿著矩形吊臂的滑槽上下運動，實現矩形吊臂④的打開或收回，帶動吊鉤水平移動，順利完成自動鉤掛及夾緊鋼板；在支撐橫梁⑧上方連接電動滑輪升降裝置實現整個裝置的上下升降，支撐橫梁上可以同時安裝一個或者多個由①-⑦構件及輔助設備組成的自動鉤掛裝置，對大噸位、長尺寸和不同厚度的鋼板能實現順利可靠鉤掛效果。吊鉤裝載狀態時，液壓推桿伸長，矩形吊臂帶動U 形鋼板吊鉤向內收縮，直到完全夾緊鋼板為止，吊鉤受力均勻，吊運作業平穩，因液壓推桿的推力作用，能夠保持鋼板吊運作業中，矩形吊臂和U 形吊鉤夾緊穩定。整個裝置兩邊都采用雙平行四邊形吊臂結構，受力平穩，鋼板吊運過程不會出現單個吊臂載荷集中現象，避免了傳統吊索起吊時鋼板容易搖晃、傾斜滑落等造成的卡鉤、脫鉤問題。

圖2 鋼板吊運裝置工作原理

為了防止吊鉤卡鉤及劃傷鋼板表面，此吊鉤鉤體呈U 形結構，上部與下部平行且橫向，結構如圖3 所示。U 形鋼板吊鉤采用鑄造一體成型，結構穩定簡單，強度高，上面部分稍長100 mm 左右，吊裝時吊鉤上部與鋼板接觸起到限位作用，可以有效防止鋼板的跳動、脫鉤等情況。U 形吊鉤上方左右有兩塊加強筋部分，分別有兩個吊鉤孔，與矩形吊臂通過銷軸相連。U型吊鉤連接于平行四邊形吊臂下端，通過吊臂向內收縮或張開時自動抓取或卸載平板鋼板，完成夾緊和裝卸，簡單快捷，安全可靠，提高了鋼板吊運工作效率。

圖3 U 形吊鉤

鋼板厚度測量指針盤結構如圖4 所示，指針成Z型，尾部裝有滾輪，尾部重量稍重，當沒有吊裝時，指針頂端處于零刻度；當小滾輪跟鋼板直接接觸時轉動并指向指針盤上的刻度，可以方便快速測量多層鋼板厚度。

圖4 指針盤結構

2 受力分析及仿真

吊運裝置工作時，初始狀態時吊運裝置的液壓推桿處于收縮狀態，使兩吊鉤距離最大，如圖5 虛線位置。控制整個鋼板自動吊鉤裝置向下移動，直到鋼板上表面接觸到U 型吊鉤的上端，液壓推桿伸長，使T型支架向下移動，矩形吊臂隨著下移的支架向內收縮，從而使U 型鋼板吊鉤完全夾緊并自動鉤掛住鋼板，如圖5 實線位置。左右吊臂單邊采用四根矩形鋼管組成的雙平行四邊形連桿結構，左右兩邊即為八根矩形鋼管，通過銷軸與U 形吊鉤連接。吊臂為左右對稱桿件結構，吊裝時左右兩邊吊臂受力均勻，吊運時鋼板不易出現搖晃、傾斜的問題，能有效避免卡鉤脫鉤隱患。

圖5 吊運工作過程

鋼板吊運時，吊鉤上面承受矩形吊臂的拉力，下面承受鋼板的重力，受力示意簡圖如6（a）所示。在U型鋼板吊鉤下端施加設定的重力（30000 N）時，受力仿真分析如圖6（b）所示。仿真結果表明，應力最大點發生在吊鉤下端彎曲位置，最大值為131.86 MPa，吊鉤沒有發生明顯彎曲形變和應力集中，不會出現過載情況，滿足U 型鋼板吊鉤設計要求。

圖6 吊鉤受力分析示意圖及仿真分析云圖

3 結語

針對鋼板吊運過程中的工作特點，為了避免出現傳統吊索容易卡鉤、脫鉤、吊運效率低等安全隱患和工藝不足，設計了一種全新的、純機械結構的鋼板自動吊鉤裝置，此吊鉤裝置采用平行四邊形矩形框架結構吊臂和U 形吊鉤鉤體，其受力結構安全可靠，鉤掛裝卸方便快捷，提高了吊裝效率；通過有限元受力分析，其整體結構和承載能力都滿足大噸位、長尺寸鋼板吊運需要，此結構設計符合工業生產實際要求，提高了鋼板吊運作業過程中的安全性和可靠性。