一種雙行車用新型吊具的設(shè)計(jì)及受力分析

摘

要：在工廠生產(chǎn)作業(yè)過程中，存在單臺(tái)行車起重量不足的情況。如果要求貨物在吊裝過程中能夠旋轉(zhuǎn)并調(diào)整角度，則需要兩臺(tái)行車配合作業(yè)，還需要增加特殊的吊具。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種新型吊具可以滿足上述要求，介紹了該吊具設(shè)計(jì)方案，對吊梁和吊鉤進(jìn)行了有限元分析，證明了其可以滿足使用要求。關(guān)鍵詞：吊具；吊梁；旋轉(zhuǎn)式吊鉤；有限元；壓應(yīng)力

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引言在工廠生產(chǎn)作業(yè)過程中，隨著產(chǎn)品升級，普通行車已不能滿足噸位要求。若重新投資更大噸位的行車，則需要投入較大資金。而采用大型汽車吊來吊裝往往又受空間的限制，且同樣需要較多的資金投入，還浪費(fèi)現(xiàn)有的行車資源。如果將現(xiàn)有的兩臺(tái)行車一起配合吊裝即可滿足要求。由于兩臺(tái)行車的吊鉤之間存在一定距離，往往超過貨物尺寸，因此需要設(shè)計(jì)一種新的吊具用于兩臺(tái)行車同時(shí)作業(yè)吊裝。

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吊具設(shè)計(jì)方案通過現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)行車在最小安全距離下的吊釣間距為7m，按50t的承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于要求貨物吊裝時(shí)能夠旋轉(zhuǎn)并調(diào)整角度，因此只能在吊梁的中間位置設(shè)單個(gè)吊點(diǎn)并增加旋轉(zhuǎn)裝置。在單個(gè)吊點(diǎn)的情況下中間部位承受的彎矩最大，為了避免吊梁變形，采用變截面設(shè)計(jì)方案，吊梁中間部位的截面積應(yīng)大于兩端的截面積。此外，為避免吊梁承受拉應(yīng)力，將吊梁吊裝時(shí)的承載部位定位在頂部。按上述要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建模后得到的吊具模型如圖1所示。該吊具包含1吊梁、2吊鉤、3下軸承座、4上軸承座、5推力軸承、6防松螺母、7底部導(dǎo)向銅套、8頂部導(dǎo)向銅套及9、10兩個(gè)吊耳。在吊梁兩端頂部的吊耳分別掛在兩臺(tái)行車的吊鉤上；位于吊梁中間部位的吊鉤配合重型卸扣用于吊掛貨物；吊鉤的頂部通過螺紋固定在上軸承座上；上軸承座、下軸承座及5推力軸承相互配合一起安裝到吊梁上，用于承受貨物的重量，通過推力軸承可以實(shí)現(xiàn)吊鉤的旋轉(zhuǎn)。頂部及底部的導(dǎo)向銅套則用于吊鉤的導(dǎo)向，防止吊鉤傾斜。在吊鉤頂部安裝有止動(dòng)墊圈及防松螺母，可以防止上軸承座的螺紋出現(xiàn)松動(dòng)。在兩臺(tái)行車同時(shí)作業(yè)的情況下，配合該組吊具可以提高起重噸位，并實(shí)現(xiàn)貨物吊裝過程中的角度調(diào)整。該吊具的吊梁大量采用了三角形元素的桁架結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，且吊具自重非常輕。實(shí)際上結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以看作為有限元分析時(shí)將受力極小的區(qū)域材料去除的過程，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，吊梁重量從4.5t減輕至2.77t，既提高了起吊重量噸位，又提高了吊具的安全性。

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吊梁受力分析由于吊梁是整個(gè)吊具最重要的部件，因此有必要對其受力情況進(jìn)行分析。吊梁是異形件，采用有限元分析法更容易獲得結(jié)果。在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對吊梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，去除螺栓孔等特征，采用六面體單元對其劃分網(wǎng)格，并對兩端吊耳處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃，共劃分168653個(gè)節(jié)點(diǎn)和92774個(gè)單元，單元平均尺寸為40mm，最小尺寸為5mm。對吊耳兩端進(jìn)行固定約束，在吊梁中間部位頂部受力面施加50t的負(fù)載，如圖2所示，然后進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，在吊梁端部立板孔處的應(yīng)力最大，其第一主應(yīng)力為253.1MPa，如圖3所示，此處第三主應(yīng)力大小為66.3MPa，表明此處受三向拉應(yīng)力，應(yīng)按第一主應(yīng)力進(jìn)行校核。吊梁材料為Q345B，其抗拉強(qiáng)度為490～675MPa，屈服強(qiáng)度為345MPa，完全可以滿足使用要求。由于吊梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其應(yīng)力分布較為均勻，表明該結(jié)構(gòu)較為合理，從而在保證安全的前提下，能夠大幅度降低吊梁重量。同時(shí)，在吊梁端面變形最大，經(jīng)過模擬分析，豎直方向變形為0.17mm，完全可以滿足使用要求。3

吊鉤受力分析采用如吊梁同樣的方法對吊鉤進(jìn)行受力分析，吊鉤在豎直方向上的位移最大為0.22mm，表明吊鉤的剛度可以滿足要求。在吊鉤頂部的退刀槽處應(yīng)力最大，由圖4吊鉤受力云圖可知，第一主應(yīng)力大小為272.5MPa，第三主應(yīng)力為69.5MPa，表明此處受三向拉應(yīng)力，應(yīng)以第一主應(yīng)力進(jìn)行校核。吊鉤在采用42CrMo4材料的情況下，其抗拉強(qiáng)度為1100MPa，屈服強(qiáng)度為900MPa，完全可以滿足使用要求。4

結(jié)語本文設(shè)計(jì)的新型吊具用于兩臺(tái)行車配合的情況下增加起吊重量。該新型吊具采用可旋轉(zhuǎn)式吊鉤設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)貨物在吊裝過程中的旋轉(zhuǎn)及角度調(diào)整；吊具采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的吊梁，應(yīng)力分布均勻，大幅減輕了自重并提升了兩臺(tái)行車起重吊物的能力。經(jīng)過采用有限元分析方法對新型吊具進(jìn)行受力分析，吊具的受力點(diǎn)在吊梁上方，其應(yīng)力形式為壓應(yīng)力，相