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(shè)工程有限公司,天津 300450；2.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院,湖南 長沙 410114；3.長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

施工過程中,經(jīng)常需將重物在空中進(jìn)行拋投,特別需要將多個(gè)重物起吊到指定位置后能在空中自動(dòng)同步脫鉤拋投的設(shè)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(jìn)行拋投,而且所拋的四面六邊體透水框架的數(shù)量非常巨大,一個(gè)工地就達(dá)幾十萬架。傳統(tǒng)的拋投重物方法采用挖掘機(jī)拋投甚至是人工拋投,存在每次拋投數(shù)量少、拋投效率低、安全隱患大、拋投成本高、拋投位置準(zhǔn)確度低等問題。 該文根據(jù)所需拋投重物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及拋投要求,提出并制備一種空中脫鉤吊具,實(shí)現(xiàn)重物的空中自動(dòng)同步脫鉤拋投,并對該吊具進(jìn)行有限元受力分析、透水框架拋投試驗(yàn)和工程應(yīng)用,分析其可行性和有效性。

1 空中脫鉤吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高重物的拋投效率、減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,設(shè)計(jì)一種基于四桿機(jī)構(gòu)的空中自動(dòng)同步脫鉤吊具(見圖1)。該吊具由吊架、四桿機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)由橫梁、兩相鄰的轉(zhuǎn)動(dòng)桿、連桿組成,轉(zhuǎn)動(dòng)桿通過軸承安裝在橫梁的軸承座內(nèi)并構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副,連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)桿之間由銷釘連接并形成轉(zhuǎn)動(dòng)副,構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)；提升機(jī)構(gòu)由脫鉤鋼絲繩、限位立柱組成,為四桿機(jī)構(gòu)提供拉力并使其限位轉(zhuǎn)動(dòng),提升機(jī)構(gòu)拉著連桿水平移動(dòng),帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng),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(zhuǎn)動(dòng)桿的掛鉤上,起重機(jī)主吊鉤將空中自動(dòng)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(jīng)脫鉤鋼絲繩拉著連桿平移,四桿機(jī)構(gòu)的作用使轉(zhuǎn)動(dòng)桿繞著自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)過一個(gè)合適角度時(shí),懸掛有重物的繩索從轉(zhuǎn)動(dòng)桿的掛鉤上脫落,實(shí)現(xiàn)重物的空中脫鉤拋投(該吊具具有多組四桿機(jī)構(gòu)并能懸掛多個(gè)重物,可實(shí)現(xiàn)多個(gè)重物在空中自動(dòng)同步脫鉤拋投)；放松副吊鉤,在繩索及連桿的自重作用下轉(zhuǎn)動(dòng)桿復(fù)位。

圖1 基于四桿機(jī)構(gòu)的空中自動(dòng)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(yàn)證空中脫鉤吊具工作過程的強(qiáng)度及剛度,對其進(jìn)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(shí)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(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的特點(diǎn),大大簡化建模的繁瑣過程。為提高后續(xù)有限元分析的計(jì)算效率,建模時(shí)簡化或省略一些對計(jì)算結(jié)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(xiàn)象,焊接后殘余應(yīng)力較小,不足以影響分析結(jié)果。

通過Simulation模塊進(jìn)行受載仿真分析,并采用帶中節(jié)點(diǎn)的四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為20 mm,吊耳、拐角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位網(wǎng)格尺寸較小,而橫梁、縱梁等平直位置采用小尺寸網(wǎng)格。共劃分為82 799個(gè)單元、151 482個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)空中脫鉤吊具的工作狀態(tài)(見圖2),載荷包括：1)施加在轉(zhuǎn)動(dòng)桿掛鉤上的重物質(zhì)量(為每根繩索上懸掛2個(gè)透水框架及繩索自重,質(zhì)量為1 820 N),方向?yàn)樨Q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(yù)緊力；3)連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置為銷釘連接?？罩忻撱^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(yīng)力σmax＝235 MPa。由于空中脫鉤吊具在常溫下工作,忽略熱應(yīng)力和熱變形,即不考慮材料的比熱、熱膨脹系數(shù)等熱物理性能。

圖2 空中脫鉤吊具受力示意圖

2.2 分析結(jié)果

圖3為空中脫鉤吊具的Mises應(yīng)力云圖。由圖3可知：空中脫鉤吊具應(yīng)力最大值為155.4 MPa,吊耳位置應(yīng)力較大,其余部位的應(yīng)力通常為幾十兆帕。導(dǎo)致這一現(xiàn)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(dǎo)致該處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。Q235材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa,起重機(jī)械的安全系數(shù)通常取1.3,即許用應(yīng)力為181 MPa,吊具強(qiáng)度滿足要求。

圖3 空中脫鉤吊具應(yīng)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(qū)域。船用起重機(jī)的許用撓度以懸臂梁長度的1/500計(jì)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(qiáng)度和剛度滿足要求,但設(shè)計(jì)中還需考慮下列因素：1)焊接問題。焊接強(qiáng)度計(jì)算是當(dāng)今有限元計(jì)算領(lǐng)域的難題,很難準(zhǔn)確分析其實(shí)際狀況,故分析中省略焊縫。而焊縫填料層與母材結(jié)合面的性能通常比母材差,會導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)力和變形值比計(jì)算值大。2)鋼材“負(fù)偏差”問題。建模時(shí)鋼材厚度均使用理論值,而鋼材的實(shí)際尺寸通常比理論值小,存在“負(fù)偏差”,會造成實(shí)際應(yīng)力和變形值比計(jì)算值大。3)超載問題。吊具實(shí)際使用時(shí)可能超載,會造成實(shí)際應(yīng)力和變形值比計(jì)算值大。4)動(dòng)態(tài)載荷問題。計(jì)算時(shí)取靜止?fàn)顟B(tài)下載荷,而吊具在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的實(shí)際載荷往往大于靜止?fàn)顟B(tài)下載荷,會造成實(shí)際應(yīng)力和變形比計(jì)算值大。5)疲勞問題。計(jì)算中只進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析,沒有進(jìn)行疲勞分析,而疲勞是機(jī)械零部件破壞的一種最常見方式,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該因素的影響。綜上,上述計(jì)算所得最大應(yīng)力、最大撓度分別比許用應(yīng)力、許用撓度小16.5%和18.5%,比較可靠,在保證其具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下,能節(jié)省材料、降低成本。

3 空中脫鉤吊具的工程應(yīng)用

開展空中脫鉤吊具樣機(jī)試制,每臺吊具設(shè)計(jì)為2排掛鉤,每排8個(gè)掛鉤,總計(jì)16個(gè)掛鉤。開展透水框架的空中脫鉤拋投試驗(yàn),結(jié)果顯示：該吊具各鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)自如,能實(shí)現(xiàn)重物空中自動(dòng)拋投；連桿能水平移動(dòng),拋投重物時(shí)同步性好；吊具未出現(xiàn)大變形和塑性變形,拋投位置準(zhǔn)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(yīng)用(見圖5),每個(gè)掛鉤疊放2架透水框架,即每次拋投透水框架數(shù)量為32架,每天拋投透水框架數(shù)量達(dá)到1.2萬架,大大提高了施工效率,顯著減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,也最大限度降低了施工安全隱患。經(jīng)過總拋投透水框架75萬架的工程應(yīng)用,吊具焊縫、軸承座螺栓連接、掛鉤、吊耳等危險(xiǎn)位置均未出現(xiàn)疲勞裂紋,疲勞強(qiáng)度滿足施工要求。

圖5 空中脫鉤吊具的工程應(yīng)用

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)并制備一種基于四桿機(jī)構(gòu)的脫鉤吊具,該吊具由吊架、四桿機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)組成,提升機(jī)構(gòu)拉著連桿平移帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)重物的空中自動(dòng)同步脫鉤拋投。有限元受力分析結(jié)果表明,該吊具的強(qiáng)度、剛度滿足要求。透水框架的拋投試驗(yàn)及工程應(yīng)用表明,吊具的危險(xiǎn)位置未出現(xiàn)疲勞裂紋,疲勞強(qiáng)度滿足施工要求；顯著減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了施工安全隱患；增加了每次拋投重物的數(shù)量,提高了拋投效率。