■萬(wàn)進(jìn) 楊剛軍 湖北金石煉化建設(shè)有限公司湖北荊門448000

關(guān)于耳板式吊耳設(shè)計(jì)校核的探討

■萬(wàn)進(jìn) 楊剛軍 湖北金石煉化建設(shè)有限公司湖北荊門448000

通過(guò)分析耳板式吊耳的受力情況和設(shè)計(jì)原理，結(jié)合實(shí)際情況指出在實(shí)際工程應(yīng)用中的不足和失誤，以求保障設(shè)備吊裝過(guò)程尤其是大型設(shè)備吊裝能順利安全進(jìn)行。

耳板式吊耳受力分析強(qiáng)度校核

在設(shè)備安裝工程的建設(shè)過(guò)程中，設(shè)備吊裝始終處在舉足輕重的位置。設(shè)備吊裝過(guò)程尤其是大型設(shè)備吊裝是否能順利安全進(jìn)行，直接決定著工程項(xiàng)目的施工周期和項(xiàng)目投資，更關(guān)系到工程項(xiàng)目管理的成敗、企業(yè)市場(chǎng)開發(fā)與經(jīng)營(yíng)運(yùn)行效果和企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

吊耳是設(shè)備吊裝過(guò)程中最直接的受力部件，常用的形式分為耳板式和管軸式，分別應(yīng)用在中小型和大中型的設(shè)備吊裝工程中，且耳板式較管軸式應(yīng)用范圍更廣一些，應(yīng)用時(shí)常常是根據(jù)相關(guān)規(guī)范選用。但在實(shí)際工作中，對(duì)于管軸式吊耳，所有工程技術(shù)人員基本上都是嚴(yán)格按照規(guī)范選用和制造；而對(duì)于耳板式吊耳，規(guī)范的執(zhí)行并不是很嚴(yán)格，并且由于耳板式吊耳的應(yīng)用范圍較廣，經(jīng)常會(huì)遇見需要重新設(shè)計(jì)吊耳但規(guī)范上又沒有的情況，許多人員對(duì)其在強(qiáng)度上的校核存在著方法上的嚴(yán)重錯(cuò)誤，雖然到目前為止還沒有產(chǎn)生過(guò)大的意外，但卻是危及吊裝安全的潛在隱患。本文主要論述耳板式吊耳本體在設(shè)計(jì)受力方向上的受力分析和設(shè)計(jì)原理，對(duì)吊耳焊縫的強(qiáng)度驗(yàn)算不再贅述。

1 問題的提出

在實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下情況，給吊裝安全帶來(lái)潛在隱患。

（1）有的技術(shù)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的耳板式吊耳的驗(yàn)算方法為：將吊耳受力簡(jiǎn)單的理解為單純的受拉過(guò)程，僅僅校核吊耳危險(xiǎn)斷面的拉應(yīng)力，甚至于根本不考慮耳孔的承壓應(yīng)力。

（2）耳板式吊耳設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)耳孔的要求應(yīng)該是機(jī)加工，這就對(duì)耳孔的表面加工精度有一定的要求，而實(shí)際工作中，施工人員往往從加工成本考慮，經(jīng)常用火焊切割的方法代替機(jī)加工。

（3）吊裝時(shí)，所采用吊軸或卸扣軸的直徑小于耳板式吊耳的耳孔直徑往往很多，這會(huì)導(dǎo)致耳板的受力更為復(fù)雜。

2 理論分析

我們舉例來(lái)說(shuō)明，如圖1所示，假設(shè)P=20t，B=210mm，R1=105mm，c=25mm，r=42mm，材料為A3鋼，同時(shí)假設(shè)銷軸與吊耳孔為間隙配合，根據(jù)此條件求解危險(xiǎn)截面的應(yīng)力。

圖1 耳板式吊耳示意圖

2.1 存在問題的計(jì)算方式

按照我們部分技術(shù)人員通常的驗(yàn)算方法為：

取動(dòng)載系數(shù)k=1.1（吊立過(guò)程取k=1.1，水平吊運(yùn)過(guò)程取k=1.30），對(duì)危險(xiǎn)截面A—A，則應(yīng)力為：

因?yàn)橛笑?69.8MPa＜[σ]=180MPa

故通常我們的技術(shù)人員僅根據(jù)此就判斷該吊耳可以安全使用，甚至都不考慮耳孔的承壓應(yīng)力。現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)對(duì)其銷孔的承壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：雖然該例中的承壓應(yīng)力計(jì)算為合格，但其值σc卻是大于σ的；而且從σ、σc的計(jì)算公式中我們可以看到：假如銷軸的的材料強(qiáng)度足夠大，使其只需較小的r就能承受20t的載荷，我們可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)σ的值會(huì)變小，而σc值則會(huì)變大，完全有可能超過(guò)其承壓許用應(yīng)力值[σc]，從而導(dǎo)致吊耳材料的失效而發(fā)生事故。所以且不說(shuō)平常我們技術(shù)人員驗(yàn)算耳板強(qiáng)度的方法正確與否，但就其根本不考慮耳孔的承壓強(qiáng)度問題是絕不可行的。

2.2 力學(xué)分析

圖2 耳板式吊耳力學(xué)分析圖

實(shí)際上吊耳板的受力狀態(tài)較以上復(fù)雜得多，決不是簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以的。如圖2所示，我們?nèi)匀患僭O(shè)銷軸與吊耳孔為間隙配合，應(yīng)該首先根據(jù)吊耳板承受的最大拉力P求出危險(xiǎn)截面（圖中的水平截面b-b，垂直截面a-a）上的內(nèi)力，然后引入彈性曲梁公式求出相應(yīng)的內(nèi)力，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.2.1 內(nèi)力計(jì)算

吊耳板承受的拉力P通過(guò)耳孔（銷軸孔）壁以沿弧長(zhǎng)分布?jí)毫的形式傳遞給銷軸，其沿弧長(zhǎng)方向按照正旋規(guī)律分布，即

如圖2所示：根據(jù)耳板的平衡條件可知

根據(jù)耳板結(jié)構(gòu)和受力的對(duì)稱性，可知耳板上反對(duì)稱的內(nèi)力（即剪力）等于零。若沿銷孔中心線水平截開耳板，則截面上只有軸力Nb及彎矩Mb，如圖3所示。

同時(shí)由于根據(jù)平衡方程解不出彎矩Mb，所以該求解成為一次超靜定問題，須根據(jù)耳板的變形條件求解Mb。為此需列出與水平線成α角的任意截面的彎矩方程：

同樣因?yàn)槎宓慕Y(jié)構(gòu)和受力是對(duì)稱的，故轉(zhuǎn)角θα應(yīng)該等于零，即

將（式-4）代入上式，得

將

（式-6）代入（式-5）可得

同樣由圖3，根據(jù)平衡條件∑X=0，得

2.2.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

圖3 截面受力分析圖

根據(jù)彈性曲梁公式來(lái)求解危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，如圖3所示。對(duì)應(yīng)于每個(gè)危險(xiǎn)截面的座標(biāo)系原點(diǎn)均在其相應(yīng)的中性軸上，并且外側(cè)方向?yàn)閥軸正方向。于是有任一截面的應(yīng)力值為

式中：A為計(jì)算截面積，對(duì)于矩形面積有A=(R1-r)×c=h×c

K位于計(jì)算界面形狀有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于矩形面積有

同時(shí)引入動(dòng)載系數(shù)k=1.1，即將上述各式中的P值全部以kP(1.1P)代替。

對(duì)于b—b截面：

回頭我們?cè)賮?lái)看前面舉的實(shí)例，將P=20t，R1=105mm，c=25mm，r=42mm，R2=73.5mm，h=63mm分別代入上述（式-10）、（式-12）、（式-13）、（式-15）、（式-16），可分別得到

根據(jù)以上結(jié)果我們畫出耳板危險(xiǎn)截面的應(yīng)力分布圖，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力分布圖

比較兩種方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，很明顯根據(jù)彈性曲梁公式得到的最大應(yīng)力結(jié)果不但遠(yuǎn)大于第一種方法得出的結(jié)果，甚至有b—b截面內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值為200.8超過(guò)180百分之十幾，即b—b截面內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值超過(guò)材料的許用應(yīng)力值，從而完全可能導(dǎo)致耳板材料的強(qiáng)度實(shí)效，如將此耳板用于實(shí)際的吊裝工程中，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，結(jié)果將不可想象。

3 分析結(jié)論

針對(duì)前面所提的問題以及耳板式吊耳的受力分析和實(shí)例計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，我們可以得出如下應(yīng)該注意的問題：

（1）耳板式吊耳設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)其承壓應(yīng)力進(jìn)行校核，同時(shí)必須引入動(dòng)載系數(shù)；

（2）耳板式吊耳設(shè)計(jì)校核時(shí)，應(yīng)對(duì)耳板的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布要有清晰地認(rèn)識(shí)，采用正確的方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核；這樣才能有針對(duì)性地解決問題。比如上例中，從圖4我們可知，耳板式吊耳的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與受力方向垂直的危險(xiǎn)截面內(nèi)側(cè)，對(duì)于該例，我們并不一定非要將整塊吊耳板全部更換，而可以在耳孔兩側(cè)貼加強(qiáng)板的方式來(lái)解決問題，避免材料的浪費(fèi)。這種解決方式同時(shí)也提醒我們技術(shù)人員在實(shí)際進(jìn)行吊耳設(shè)計(jì)時(shí)，盡量考慮選用現(xiàn)有的材料，通過(guò)較薄板的合理組合來(lái)替代厚板的使用，可以達(dá)到節(jié)約材料成本的目的；

（3）耳孔的精度問題。我們都知道，材料表面的精度對(duì)材料的強(qiáng)度是有很大的影響的。用火焰切割出來(lái)的耳孔表面高低不平，使得軸與耳孔的接觸由設(shè)計(jì)要求的面接觸變?yōu)閷?shí)際上的點(diǎn)接觸，從而改變整個(gè)受力形式，使其承壓應(yīng)力成倍增加，結(jié)果可能導(dǎo)致材料的失效。同時(shí)由于表面高低不平，更會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的集中，從而使設(shè)計(jì)本合格的耳板在集中應(yīng)力的作用下發(fā)生失效；

（4）現(xiàn)場(chǎng)使用的吊軸與耳孔不配套，同樣也會(huì)導(dǎo)致承壓應(yīng)力增加和拉應(yīng)力數(shù)值的改變，在上述分析中我們都基于這樣的一個(gè)假設(shè)：假設(shè)銷軸與吊耳孔為間隙配合，也就是吊軸直徑與耳孔直徑幾乎是一樣的，但實(shí)際的吊裝過(guò)程不可能達(dá)到此要求，所以在設(shè)計(jì)時(shí)還必須引入載荷分布系數(shù)，一般取1.35，這樣承壓應(yīng)力和兩個(gè)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力表述公式分別為：

實(shí)際設(shè)計(jì)校核時(shí)只需核算（式-17）、（式-18）、（式-21）即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)耳板式吊耳的受力和強(qiáng)度校核方法進(jìn)行材料力學(xué)和彈性理學(xué)的理論性分析，指出了部分工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)吊耳時(shí)的不足與失誤，給出了實(shí)際工程應(yīng)用耳板式吊耳的校核方法，為在設(shè)計(jì)與施工中提供了有益的參考。

1劉鴻文.材料力學(xué).高等教育出版社

2楊長(zhǎng)馬癸.金屬結(jié)構(gòu).機(jī)械工業(yè)出版社

3吳家龍.彈性力學(xué).高等教育出版社

book=62,ebook=51

TU602

B

1672-9323（2010）03-0062-03

2010-01-12）