閆勝昝 胡常斌

1 南京工程學(xué)院文化藝術(shù)創(chuàng)意設(shè)計研究院 南京 211167 2 安慶市四方港口機械有限公司 安慶 246000

0 引言

隨著全球貿(mào)易的發(fā)展，我國物流行業(yè)迅速崛起，大批港口碼頭建成投入使用，同時隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鋼廠、電廠等基建上游企業(yè)快速發(fā)展。大量散貨需要裝卸、轉(zhuǎn)運，裝卸機械使用頻繁，作為裝卸機械最常用的部件抓斗，其工作性能直接影響裝卸效率。因此，對抓斗的研究關(guān)注度越來越高，抓斗的設(shè)計、計算方法需要不斷更新、充實和完善，使港口機械向更加注重功能性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性的方向發(fā)展[1]。對于抓斗的設(shè)計研究，上海交大的王憲龍等對長撐桿抓斗的靜力學(xué)性能進行分析，通過建立多變量非線性優(yōu)化模型，應(yīng)用Matlab 遺傳算法求解對抓斗的幾何參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計[2]；許京荊等采用有限元分析方法對造成抓斗失效的工況進行數(shù)值分析，并提出結(jié)構(gòu)改進措施[3]；董熙晨等提出采用組合優(yōu)化策略對剪式抓斗結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化[4]；還有很多相關(guān)研究[5-7]?？梢娊陙碜ザ吩O(shè)計方面，有對特定類型抓斗的設(shè)計優(yōu)化，有對抓斗失效問題的分析研究，用以指導(dǎo)抓斗的修復(fù)和設(shè)計，然而國內(nèi)企業(yè)對于抓斗設(shè)計的研究較少見，李鵬飛、胡常斌等曾就抓斗的合理使用壽命、重要幾何參數(shù)、單位容積自重問題做過一些分析研究和經(jīng)驗總結(jié)[8]，國內(nèi)某大學(xué)與某公司合作也曾就抓斗的設(shè)計問題做過一些研究，如積累經(jīng)驗建立數(shù)據(jù)庫，開發(fā)模塊化設(shè)計平臺提高設(shè)計效率等[9]。根據(jù)抓斗設(shè)計的數(shù)據(jù)分析來看，對于抓斗的設(shè)計依然基于經(jīng)驗設(shè)計較多，研究成果以各種類型的抓斗產(chǎn)品申報的專利居多[10]；而大專院校的研究理論性強[11-13]，不利于實踐應(yīng)用。分析總結(jié)合理結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系，確定合理結(jié)構(gòu)形式選擇的依據(jù)，在企業(yè)的抓斗設(shè)計實踐中意義更為重大。

1 抓斗結(jié)構(gòu)分析

長撐桿雙顎板抓斗對于各類散貨都有良好的適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于各類裝卸場合，暢啟仁教授也曾對長撐桿散貨抓斗的主要參數(shù)進行分析[14]。

1.1 抓斗顎板的主要參數(shù)及關(guān)系

顎板寬度E、顎板側(cè)形長C 和顎板最大張開度D是抓斗顎板的主要幾何參數(shù)，抓斗總?cè)莘eVF、顎板在料堆上的初切入深度h0及顎板張開后的覆蓋面積A 直接與這3 個幾何參數(shù)有關(guān)，顎板這3 個幾何參數(shù)選取的得當(dāng)與否直接影響到抓斗的抓取性能。依照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2374:1983 起重機械基本型的最大起重量范圍，抓斗起重機的起重量Q 依次為：3.2 t、4.0 t、5.0 t、6.3 t、8.0 t、10.0 t、12.5 t、16.0 t、20.0 t、25.0 t、32.0 t、40.0 t、50.0 t、63.0 t、80.0 t，約成公比為0.8 的等比級數(shù)。而我國JT/T5031—1992《長撐桿雙顎抓斗參數(shù)系列》將散貨容重rm也表示為公比為0.8 的等比級數(shù)：0.63 t/m3、0.8 t/m3、1.0 t/m3、1.25 t/m3、1.6 t/m3、2.0 t/m3、2.5 t/m3、3.2 t/m3。這樣的規(guī)定在抓斗起重機起重量Q、抓斗容積VF和散貨容重rm之間建立起一種有機的內(nèi)在聯(lián)系，為正確確定抓斗顎板主要幾何參數(shù)E、C 和D 提供了可靠依據(jù)。表1、表2 和表3 中的系數(shù)KE、KD、KC隨散貨容重rm的變化，應(yīng)視為抓斗在抓取不同容重的散貨時可以得到滿意充填的結(jié)果。

表1 顎板寬度系數(shù)KE

表2 最大張開度系數(shù)KD

表3 顎板側(cè)形長度系數(shù)KC

對于同一起重量而抓取不同容重散貨的抓斗系列（如散貨容重由0.63 t/m3增至3.2 t/m3），抓斗容積VF、顎板初切入深度h0、抓斗完全張開后顎板覆蓋面積A 均隨散貨容重的增大而減小。此時，由表1 可知，抓斗顎板寬度系數(shù)KE呈單調(diào)下降，推薦值由1.539 3 下降至1.184 8，下降比為1.299；由表3 可知，顎板側(cè)形長度系數(shù)KC呈單調(diào)上升，推薦值由0.795 5 上升至1.004 83，上升比為1.265；由表2 可知，最大張開度系數(shù)KD呈單調(diào)上升，推薦值由1.774 上升至1.971 8，上升比為1.111 5。對于同一容重的散貨而起重量不同的抓斗，抓斗容積VF隨抓斗的噸位增大而增大。此時，系數(shù)KE、KC、KD均為常數(shù)，不隨抓斗噸位大小變化，可根據(jù)抓取散貨的容重選取。

根據(jù)顎板寬度E、顎板側(cè)形長C 和顎板最大張開度D 等參數(shù)的公式，即

由此可見，除VF外，系數(shù)KC尚與顎板的有關(guān)角度αS、αB、θ、β、ε、ω 有關(guān)。其中，αS為斗體底背角，αB為物料堆積角，θ 為散貨滑移角，β 為斗體后圍板與水平面夾角，ε、ω 與以上角度有一定關(guān)系。

圖1 抓斗斗體參數(shù)示意圖

在抓斗容積VF隨散貨容重增大而減小的變化趨勢下，顎板寬度E 隨散貨容重增大而減小，顎板側(cè)形長C隨散貨容重增大而增大，顎板最大張開度D 隨散貨容重增大而增大。在同一抓斗噸位下，系數(shù)KE、KD與KC隨散貨容重變化而發(fā)生的變化是互補的，系數(shù)間這種互補變化滿足了散貨容重rm增大，抓取阻力增大，需要對顎板幾何參數(shù)作出調(diào)整，以提高抓斗抓取能力的要求。

1.2 單鉸顎板抓斗與雙鉸顎板抓斗

單鉸顎板抓斗是指兩側(cè)顎板裝于下承梁的同一鉸點處，圖1 中斗體兩側(cè)顎板鉸于一點，通過這一鉸點與下承梁鉸接在一起，而雙鉸顎板抓斗的兩側(cè)顎板則分別裝于下承梁的兩個鉸點，如圖2 所示。

圖2 雙鉸顎板抓斗

單鉸顎板抓斗的特點是構(gòu)造簡單，抓斗張開后，若置于地面則閉合繩松弛，下承梁易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且抓斗的整體高度較雙鉸顎板時大。雙鉸顎板抓斗在兩鉸之間需建立高副聯(lián)系（一般為約束齒輪），構(gòu)造較復(fù)雜，但抓斗在任何狀態(tài)時的下承梁保持穩(wěn)定，不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，抓斗的整體高度也比較低。

從生產(chǎn)制造方面看，單鉸顎板抓斗由于構(gòu)造簡單，易于加工和裝配，工藝簡單生產(chǎn)效率高，而雙鉸顎板抓斗由于要考慮雙鉸的關(guān)聯(lián)，設(shè)置的同步約束欠齒輪結(jié)構(gòu)，無論是下料加工，還是裝配都稍復(fù)雜，生產(chǎn)效率會相對低一些。

當(dāng)這兩種抓斗最大張開度相同，且抓斗閉合時閉合繩的引出長度也相同時（抓斗閉合時，上下滑輪組之間的行程相同），雙鉸顎板抓斗的抓取阻力矩較小，雖然此時抓斗的抓取力矩也因顎板鉸點位置偏移而減小，但從總的使用效果看，雙鉸顎板抓斗的充填效果仍比單鉸顎板抓斗好。

1.3 撐桿上鉸點之間的約束形式

撐桿上鉸點之間的約束形式大多為插銷式或單齒嚙合式。當(dāng)撐桿上鉸點之間的間距較大時(大于400 mm)，一般采用插銷式約束形式，如圖3a 所示。插銷式約束裝置制造與裝配精度要求較高，并需經(jīng)常潤滑維護。當(dāng)撐桿上鉸點之間的間距較小時，常采用單齒嚙合式約束形式，如圖3b 所示。單齒嚙合約束裝置約束效果和使用效果較好，但制作稍復(fù)雜，耗材較多。

從強度方面看，當(dāng)撐桿上鉸點之間的間距為400 mm 時，分別設(shè)計插銷式約束和單齒嚙合約束兩種結(jié)構(gòu)形式。建立3D 模型，采用有限元分析方法，模擬工作中撐桿受力情況，對兩種結(jié)構(gòu)形式分別做相同約束和載荷下的強度分析，具體有限元分析及載荷計算參見之前研究成果，得出兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況分別如圖4所示。

圖3 撐桿上鉸點之間的約束形式

圖4 有限元分析結(jié)果（應(yīng)力）

由圖4 可知，兩種形式的同步約束結(jié)構(gòu)，在相同的外部約束和載荷下，計算得出的應(yīng)力分布趨勢基本一致，差異主要存在于嚙合尺槽根部和插銷式長孔周圍，但最大應(yīng)力位置都相同，只是最大應(yīng)力值差異較大。分析此處最大應(yīng)力主要由處于結(jié)構(gòu)的拐點位置單元劃分質(zhì)量較低導(dǎo)致，與撐桿體結(jié)合后將得到增強，故判斷此處為結(jié)構(gòu)的危險部位，但該最大應(yīng)力值不予考慮。整體來看較大應(yīng)力均位于同步器的下部位置，單齒嚙合式由于板厚較大（60 mm），而插銷式單板厚度僅為25 mm，所以嚙合式的應(yīng)力水平低于插銷式，同樣載荷下單齒嚙合式的強度更好。生產(chǎn)實踐中，在均能滿足強度要求時，還要綜合考慮制作難度和耗材等來選擇。

1.4 閉合繩均衡方式

在四繩長撐桿雙顎板抓斗中，當(dāng)兩根閉合繩長短不一時，為保證抓斗平穩(wěn)工作，應(yīng)通過閉合繩均衡裝置予以補償，通常采用均衡輪（見圖5a）或均衡杠桿（見圖5b）來實現(xiàn)。均衡輪自重較大，制作稍嫌復(fù)雜，但對繩索的補償量大。而均衡杠桿結(jié)構(gòu)簡單，自重較輕，但對繩索的補償量較小。生產(chǎn)實踐中，多采用均衡杠桿，又稱平衡臂結(jié)構(gòu)。

圖5 閉合繩均衡方式

1.5 閉合繩導(dǎo)繩裝置

最常用的閉合繩導(dǎo)繩裝置為井字輥式（見圖6a）或四導(dǎo)輪式（見圖6b）。井字輥式導(dǎo)繩裝置導(dǎo)繩效果好，適用于閉合繩直徑等于和小于28 mm 的抓斗；四導(dǎo)輪式導(dǎo)繩裝置可承受閉合繩較大的偏斜載荷，所以適用于閉合繩直徑大于28 mm 的重載抓斗。

圖6 閉合繩導(dǎo)繩裝置

2 設(shè)計方案

以16 t/6.5 m3的黃沙抓斗為例，已知設(shè)計輸入信息包括額定起重量16 t，抓取物料為黃沙，物料比重為1.5 t/m3，起重機配有4 根鋼絲繩，直徑28 mm，開閉繩間距598 mm，支持繩間距1 100 mm。根據(jù)額定起重量和黃沙的物理特性，首先確定抓斗抓取散貨質(zhì)量和抓斗自重，從而可得到抓斗容積VF。再按物料比重在表1 ～表3 中分別選取KE、KD和KC，代入前述公式，初步確定斗體部分關(guān)鍵尺寸E ≈2 500 mm，C ≈3 000 mm，D ≈3 847 mm，在此范圍內(nèi)，可微調(diào)顎板寬度E，從而相應(yīng)調(diào)整側(cè)形長C。然后在確定的尺寸內(nèi)，根據(jù)散貨物理特性查得影響顎板側(cè)形的斗體底背角αs、物料堆積角αB、散貨滑移角θ、顎板側(cè)背角β，繪制確定抓斗的顎板側(cè)形，計算機繪圖軟件中驗證抓斗容積。再依次設(shè)計下承梁、撐桿、上承梁等結(jié)構(gòu)，由于抓取物料易切入，抓斗操作較平穩(wěn)，不易傾倒，單鉸顎板制造簡便，對于下承梁與顎板的鉸接采用了單鉸形式。而撐桿上鉸點之間間距為400 mm，鑒于單齒嚙合式良好的使用性能和效果，以及更加的強度性能，采用了單齒嚙合的撐桿同步器結(jié)構(gòu)。對于閉合繩長度的平衡問題，采用了結(jié)構(gòu)簡單、自重輕的平衡杠桿結(jié)構(gòu)，在抓斗與起重機連接時盡量保持兩根閉合繩長度相近即可。根據(jù)直徑為28 mm 的閉合繩，選用井字輥式導(dǎo)繩裝置。另外，整個抓斗的設(shè)計還需考慮滑輪組倍率、撐桿長度角度等因素。16 t/6.5 m3黃沙抓斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示，抓斗已投入使用，客戶反饋使用效果良好。

圖7 16t/6.5m3 長撐桿雙顎板黃沙抓斗

3 結(jié)論

1）分析總結(jié)了抓斗設(shè)計中影響抓取性能的斗體顎板部分主要參數(shù)計算和選取依據(jù)，得出影響抓斗容積的顎板寬度、顎板側(cè)形長，和影響抓取性能的最大張開度之間的關(guān)系，以及3 個系數(shù)的互補關(guān)系，可用于指導(dǎo)抓斗關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計。

2）分析討論了單鉸顎板抓斗和雙鉸顎板抓斗的優(yōu)缺點，可根據(jù)抓斗工況和生產(chǎn)制造條件適當(dāng)選取。

3）對撐桿上鉸點間約束形式從生產(chǎn)制造難易程度、耗材及強度方面進行了分析和計算，為設(shè)計提供參考。

4）討論了常用的兩種閉合繩均衡方式，可根據(jù)實際條件進行適當(dāng)選擇。

5）對閉合繩導(dǎo)繩裝置進行了比較，井字輥和四導(dǎo)輪式兩種結(jié)構(gòu)均存在，推薦根據(jù)閉合繩直徑大小進行選擇。

通過一款抓斗的設(shè)計實例，驗證了以上結(jié)論對于企業(yè)抓斗設(shè)計的指導(dǎo)意義，可作為抓斗設(shè)計流程中重要的參考依據(jù)，提高抓斗設(shè)計效率和抓斗使用性能。