李建檸

一種懸臂式檢修平臺的設計

李建檸

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

車身廠裝焊車間某車型頂蓋生產線提升設備配重系統(tǒng)安裝于二層鋼結構平臺，平臺面積較小，配重系統(tǒng)自身高度較大，日常維保時需支立人字梯輔助作業(yè)，檢修作業(yè)效率低下，作業(yè)風險多。為解決現(xiàn)場維保作業(yè)條件困難問題，需為配重系統(tǒng)增設檢修平臺。根據(jù)現(xiàn)場工況及作業(yè)空間限制，檢修平臺采用懸臂式設計。為避免焊接對配重系統(tǒng)鋼結構產生熱影響，檢修平臺和配重框架采用摩擦副連接。為保證安全性和可靠性，強度校核完畢后，再在現(xiàn)場實施。

固定式工業(yè)鋼平臺；檢修平臺；懸臂式設計；強度校核

引言

某設備配重系統(tǒng)主體結構為簡支模型，自身高度3.3 m，兩側立柱為150 mm*150 mm*10 mm方管，橫梁為20#工字鋼。該配重系統(tǒng)安裝于鋼結構平臺，該平臺距離地面約5 m，平臺面積較小，配重立柱距平臺邊緣200 mm。日常維保作業(yè)高度均超過3 m，需支立人字梯輔助作業(yè)?，F(xiàn)場空間狹小，且因電機、減速機、平臺蓋板等機構干涉，支立人字梯困難，造成人員浪費，維修效率低下，安全風險較多。針對這一問題，需在配重系統(tǒng)旁增設固定式鋼結構檢修平臺，改善現(xiàn)場維保作業(yè)條件。

1 設計目標

同時承載2人，配合作業(yè)。

2 結構設計

受現(xiàn)場二冊鋼平臺面積和配重系統(tǒng)工況限制，檢修平臺主體采用懸臂式設計，整體結構及尺寸如圖1所示：平臺幅面長1 860 mm，寬度700 mm，護欄高度1 200 mm。

圖1 現(xiàn)場工況

為避免在配重立柱上產生焊接熱影響區(qū)，檢修平臺和配重系統(tǒng)立柱之間采用U型卡連接，以夾緊力形成摩擦副，代替焊接連接。

3 主梁型材選用

如圖2所示，檢修平臺按照400 kg/m2等效均布荷載設計：

承載面積：0.7×1.86=1.3 m2；

均布載荷：=1.3 m2×400 kg/ m2=520 kg；

最大彎矩：M=520×9.8×0.63=3 210 N?m。

根據(jù)既能滿足抗彎截面系數(shù)及型材自重最小兩個原則選擇型材：

主梁型材為：80 mm×60 mm×3 mm矩形管（=17.510 cm3、6.129 kg/m）；

橫梁型材：70 mm×50 mm×3 mm矩形管（5.187 kg/m）；

縱向支撐：二分之一60 mm×30 mm×2 mm方管（1.78 kg/m）；

防護欄桿：6分焊管（1.29 kg/m）；

踏板：1860x700x1鐵皮（11.58 kg）；

緊固方式：M16 U型卡。

圖3 檢修平臺基本結構

4 強度校核

根據(jù)檢修平臺懸臂式結構設計，檢修平臺4個部位存在安全風險：（1）主梁彎曲變形；（2）橫梁彎曲坍塌；（3）U型卡螺栓連接強度不足，無法產生足夠摩擦力；（4）立柱和二層鋼平臺根部彎曲拉裂?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，立柱根部和二層鋼平臺焊接連接，并且使用250 mm×250 mm支撐筋板進行焊接加固，因此該部位無需強度校核，只需進行前3個部位的強度校核。

4.1 主梁強度校核

可簡化為懸臂梁模型，如圖4所示，進行受力分析：

維修踏臺重量：（1.23 m×2×6.129 kg?m+1.86 m×2×5.187 kg?m+0.65 m×5×1.29 kg?m+11.58 kg）×9.8 N? kg=501.4 N

防護欄桿重量：19.24 m×1.29 kg?m×9.8 N?kg=243.23 N

維修平臺總重：501.4 N+243.23 N=744.63 N

設計載重：1.3m2×400 kg?m2×9.8 N? kg=5 096 N

主梁載荷：744.63 N+5 096 N=5 840.63 N

等效均布載荷：q=5 840.63 N÷0.7 m≈8 344 N? m

圖4 主梁受力簡化

計算主梁內應力，如圖5，畫出剪力圖和彎矩圖：根據(jù)平衡條件可知：

由=F?8 344×0.7=0 得：F=5 840.8 N

剪力圖：段：F=F=5 840.8 N

段：F= F?q×(-0.28)

彎矩圖：段：M=M? F?s

圖5 主梁剪力及彎矩圖

由剪力圖和彎矩圖可知，危險截面為A面，使用第三強度理論校核其強度：

通過校核，主梁強度滿足。

4.2 橫梁強度校核

可簡化為懸臂梁模型進行強度校核，如圖6所示：

圖6 橫梁受力簡化

維修平臺總重：745 N

設計載重：5 096 N

橫梁載荷：5 841 N

等效均布載荷q=5 841 N/1.86 m≈3 140 N/m

根據(jù)平衡條件：

=F+F?qL=0及F= F

求得：

F=F=q?L/2=3 140×1.86/2=2 920.5 N

計算橫梁內應力，如圖7，畫出剪力圖和彎矩圖：

圖7 橫梁剪力圖和彎矩圖

剪力圖：段：F= F?qs=2 920.5?3 140 s

由剪力圖和彎矩圖可知，危險截面為C面，使用第三強度理論校核其強度。

通過校核，橫梁強度滿足。

4.3 連接強度校核

懸臂式檢修平臺所有載荷均由配重立柱和主梁之間的連接機構承載，因此需該連接副提供的力和力矩分別為：=5 840.63 N；=3 680 N?m，主梁和配重立柱間擯棄焊接方法，使用M16 U型卡和內外壓板將檢修平臺主梁和配重系統(tǒng)豎直立柱壓緊連接，主梁和立柱間夾墊膠皮，當螺栓預緊時，將使主梁和立柱間產生正壓力，形成摩擦副。當主梁承載荷載時，連接機構由摩擦副提供所需力和力矩，如圖8。

圖8 平臺承載示意

接觸面間正壓力計算：

已知：所需彎矩1==3 680 N?m；所需承載正壓力：=5 840.63 N；

接觸面尺寸：150 mm×80 mm；摩擦系數(shù)：橡膠與鋼=0.80。

令=0.80=8 474 291.04 Pa

所需正壓力：1==101 691.5 N

提供豎直力所需正壓力：2=5 840.63÷0.8=7 300.8 N

接觸面間所需正壓力為：=1+2=108 992.3 N

U型卡螺栓強度校核：已知：

螺栓規(guī)格M16X2.0

螺栓強度等級4.8

材料：45鋼

許用應力[σ]=230 MPa

螺紋小徑1=13.835 mm

接觸面間所需正壓力為：=108 992.3 N

單個螺栓所需正壓力：

F=/4=27 248.08 N

通過校核，U型卡螺栓強度滿足。

圖9 摩擦副受力分析

5 結束語

按照設計，線下制作檢修平臺，固定式鋼結構檢修平臺安裝之后，3人佩戴安全帶登上平臺，現(xiàn)場驗證其強度，平臺和鋼結構連接穩(wěn)固可靠?，F(xiàn)場作業(yè)條件改善明顯，減少作業(yè)安全隱患，維修效率提高明顯。

[1] 國家安全生產標準化技術委員會.固定式工業(yè)鋼平臺:GB4053.3 —2009[S].北京:中國標準出版社,2009-3.

[2] 中華人民共和國勞動部.固定式工業(yè)防護欄桿安全技術條件:GB 4053.3—93[S].北京:中國標準出版社,1993.

[3] 聞邦椿.機械設計手冊[M].第6版.機械工業(yè)出版社,2017.12.

Design of a Cantilever Type Maintenance Platform

LI Jianning

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In the company's welding workshop, a lifting equipment counterweight system is mounted on the second-story steel platform with a limited space and a larger height.A herringbone ladder always be used during daily maintenance and repairing works. It caused low efficiency of maintenance work and high operational risks. In order to improve on-site working conditions, it is necessary to add an overhaul platform for the counterweight system. According to site conditions and the limited working space, the platform adopts a cantilever design. The maintenance platform is fastened onto the counterweight frame by friction pairs to avoid the thermal effect of welding. Strength check must be done before on-site implementation in order to ensure safety and reliability.

Fixed industrial steel platform; Maintenance platform; Cantilever design; Mechanical stress checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.045

TB121

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1671-7988(2021)21-169-04

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李建檸（1992.11—），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事裝焊車間設備機械維修及管理工作。