歐昌杰，杜青林，李鐵林

（湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

0 引言

在鋼鐵廠、造船廠、鋼結(jié)構(gòu)加工廠等工業(yè)場(chǎng)所需要經(jīng)常吊運(yùn)各種尺寸、規(guī)格繁多的鋼板，發(fā)現(xiàn)鋼板面積大、尺寸長(zhǎng)、表面光滑且沒有吊裝孔或環(huán)時(shí)，吊裝吊運(yùn)作業(yè)特別繁瑣困難[1]。在實(shí)際作業(yè)中，目前許多工廠多采用吊索和制造簡(jiǎn)單的豎吊鉤子、狗頭鉤子等組合吊裝[2]，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用環(huán)境不受限制，但吊裝過程中由于鋼板重量過重即使有鎖緊裝置的吊鉤也可能出現(xiàn)脫鉤現(xiàn)象，存在較大安全隱患。為了解決這一安全隱患，李世強(qiáng)[3]設(shè)計(jì)了一種新型吊鉤防脫鉤裝置，防脫封板安裝了一個(gè)強(qiáng)力磁鐵，封板能實(shí)現(xiàn)雙向防脫，裝置在脫鉤時(shí)無需用手把持即可完成脫鉤操作。張合式機(jī)械掛鉤[4]，通過安裝在兩側(cè)的液壓推桿伸展推動(dòng)掛鉤兩個(gè)半環(huán)塊對(duì)向旋轉(zhuǎn)形成封閉的掛鉤形狀，能避免滑鉤情況，進(jìn)而完成鉤掛功能。然而吊索吊運(yùn)時(shí)，吊鉤與鋼板鉤掛及卸貨取鉤操作麻煩、容易卡鉤。有的采用電磁方式進(jìn)行鋼板吊運(yùn)作業(yè)，如伸縮梁電磁吊具、固定梁電磁吊具、鋼板側(cè)吊電磁吊具等，雖然鋼板電磁吊具操作簡(jiǎn)單，起吊省力，但存在意外斷電鋼板掉落的風(fēng)險(xiǎn)[5，6]。

因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)定性好、安全性高的鋼板吊運(yùn)裝置便成了吊裝工程急需解決的技術(shù)課題。萬正喜等[7]開發(fā)一個(gè)鋼板起吊的專用吊鉤，由左右兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的鉤體與中間連接板焊接而成，鉤體前端成楔形結(jié)構(gòu)，直接鉤掛鋼板，再用鋼絲繩配合完成起吊。但存在薄鋼板裝運(yùn)時(shí)容易發(fā)生彎曲變形或者折斷，影響鋼板的加工與使用性能；需要人力裝卸，生產(chǎn)效率較低；鋼板容易因傾斜滑落對(duì)設(shè)備和施工人員產(chǎn)生傷害等安全問題；且不能進(jìn)行長(zhǎng)尺寸鋼板的裝運(yùn)；而又因鋼板自重大容易在其表面產(chǎn)生壓痕等缺陷。一種鋼板起吊裝置[2]將鉤體設(shè)計(jì)為U 型，有效防止了吊運(yùn)時(shí)鋼板表面產(chǎn)生壓痕的現(xiàn)象，但可能出現(xiàn)鋼板傾斜滑落。胡新軍[8]設(shè)計(jì)了一種夾爪為U 形結(jié)構(gòu)的鋼板起吊裝置，通過調(diào)節(jié)伸縮臂和鎖緊螺絲達(dá)到對(duì)不同尺寸鋼板的起吊，但鎖緊效果欠佳。曹雁冰[9]設(shè)計(jì)的穩(wěn)定型鋼板起吊裝置在鋼板中間位置設(shè)計(jì)了輔助板支撐，避免因鋼板自重過大可能出現(xiàn)的脫落情況，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作效率較低。朱玉勤[10]設(shè)計(jì)的一種鋼板起吊用鎖緊裝置，鋼板吊裝操作過程不方便。

針對(duì)鋼板吊運(yùn)作業(yè)中存在的上述問題，設(shè)計(jì)了一種全新的鋼板吊運(yùn)自動(dòng)裝置，有效解決了吊索易卡鉤、常脫鉤、吊運(yùn)效率低等結(jié)構(gòu)缺陷和安全隱患，吊運(yùn)過程中方便快捷，鋼板表面不會(huì)產(chǎn)生壓痕，吊具夾緊安全可靠，并能測(cè)量鋼板厚度，提升工作效率。

1 鋼板吊運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)計(jì)的鋼板吊運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。包括①U 形鋼板吊鉤、②指針盤、③滾動(dòng)擺動(dòng)指針、④矩形吊臂、⑤T 型支架、⑥液壓推桿、⑦吊臂支座、⑧支撐橫梁和其他一些輔助機(jī)構(gòu)等。卸載狀態(tài)時(shí)，液壓推桿⑥收縮至最短，帶動(dòng)T 型支架⑤上升，平行四邊形矩形吊臂逐漸張開，U 形鋼板吊鉤間距離最寬；當(dāng)液壓推桿⑥向下移動(dòng)時(shí)，T 型支架⑤下降，帶動(dòng)平行四邊形矩形吊臂④向內(nèi)收回，待到吊鉤①裝載鎖緊鋼板為止，整個(gè)鋼板裝載過程完成，然后進(jìn)行平穩(wěn)吊運(yùn)到指定位置。圖1 為鋼板被吊鉤夾緊待吊狀態(tài)，此時(shí)液壓推桿伸長(zhǎng)，根據(jù)所吊鋼板的寬度調(diào)節(jié)伸長(zhǎng)量，達(dá)到鋼板被自動(dòng)鎖緊安全可靠狀態(tài)。

圖1 鋼板吊鉤機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該鋼板吊運(yùn)裝置中各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)作關(guān)系如圖2 所示。U 形鋼板吊鉤①與矩形吊臂④通過銷軸聯(lián)接；矩形吊臂④采用左右四根矩形管，通過銷軸與U 形鋼板吊鉤①和吊臂支座⑦鉸接，成平行四邊形結(jié)構(gòu)，吊運(yùn)時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不搖晃；在左右矩形吊臂④中間位置有一個(gè)T 型支架⑤，在水平方向通過滑槽鏈接，可以沿著矩形吊臂斜向方向上下滑移；液壓推桿⑥上端固定在吊臂支座⑦上，下端與T 型支架⑤相連，液壓推桿伸縮運(yùn)動(dòng)使T 型支架⑤沿著矩形吊臂的滑槽上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)矩形吊臂④的打開或收回，帶動(dòng)吊鉤水平移動(dòng)，順利完成自動(dòng)鉤掛及夾緊鋼板；在支撐橫梁⑧上方連接電動(dòng)滑輪升降裝置實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的上下升降，支撐橫梁上可以同時(shí)安裝一個(gè)或者多個(gè)由①-⑦構(gòu)件及輔助設(shè)備組成的自動(dòng)鉤掛裝置，對(duì)大噸位、長(zhǎng)尺寸和不同厚度的鋼板能實(shí)現(xiàn)順利可靠鉤掛效果。吊鉤裝載狀態(tài)時(shí)，液壓推桿伸長(zhǎng)，矩形吊臂帶動(dòng)U 形鋼板吊鉤向內(nèi)收縮，直到完全夾緊鋼板為止，吊鉤受力均勻，吊運(yùn)作業(yè)平穩(wěn)，因液壓推桿的推力作用，能夠保持鋼板吊運(yùn)作業(yè)中，矩形吊臂和U 形吊鉤夾緊穩(wěn)定。整個(gè)裝置兩邊都采用雙平行四邊形吊臂結(jié)構(gòu)，受力平穩(wěn)，鋼板吊運(yùn)過程不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)吊臂載荷集中現(xiàn)象，避免了傳統(tǒng)吊索起吊時(shí)鋼板容易搖晃、傾斜滑落等造成的卡鉤、脫鉤問題。

圖2 鋼板吊運(yùn)裝置工作原理

為了防止吊鉤卡鉤及劃傷鋼板表面，此吊鉤鉤體呈U 形結(jié)構(gòu)，上部與下部平行且橫向，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。U 形鋼板吊鉤采用鑄造一體成型，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，上面部分稍長(zhǎng)100 mm 左右，吊裝時(shí)吊鉤上部與鋼板接觸起到限位作用，可以有效防止鋼板的跳動(dòng)、脫鉤等情況。U 形吊鉤上方左右有兩塊加強(qiáng)筋部分，分別有兩個(gè)吊鉤孔，與矩形吊臂通過銷軸相連。U型吊鉤連接于平行四邊形吊臂下端，通過吊臂向內(nèi)收縮或張開時(shí)自動(dòng)抓取或卸載平板鋼板，完成夾緊和裝卸，簡(jiǎn)單快捷，安全可靠，提高了鋼板吊運(yùn)工作效率。

圖3 U 形吊鉤

鋼板厚度測(cè)量指針盤結(jié)構(gòu)如圖4 所示，指針成Z型，尾部裝有滾輪，尾部重量稍重，當(dāng)沒有吊裝時(shí)，指針頂端處于零刻度；當(dāng)小滾輪跟鋼板直接接觸時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)并指向指針盤上的刻度，可以方便快速測(cè)量多層鋼板厚度。

圖4 指針盤結(jié)構(gòu)

2 受力分析及仿真

吊運(yùn)裝置工作時(shí)，初始狀態(tài)時(shí)吊運(yùn)裝置的液壓推桿處于收縮狀態(tài)，使兩吊鉤距離最大，如圖5 虛線位置。控制整個(gè)鋼板自動(dòng)吊鉤裝置向下移動(dòng)，直到鋼板上表面接觸到U 型吊鉤的上端，液壓推桿伸長(zhǎng)，使T型支架向下移動(dòng)，矩形吊臂隨著下移的支架向內(nèi)收縮，從而使U 型鋼板吊鉤完全夾緊并自動(dòng)鉤掛住鋼板，如圖5 實(shí)線位置。左右吊臂單邊采用四根矩形鋼管組成的雙平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，左右兩邊即為八根矩形鋼管，通過銷軸與U 形吊鉤連接。吊臂為左右對(duì)稱桿件結(jié)構(gòu)，吊裝時(shí)左右兩邊吊臂受力均勻，吊運(yùn)時(shí)鋼板不易出現(xiàn)搖晃、傾斜的問題，能有效避免卡鉤脫鉤隱患。

圖5 吊運(yùn)工作過程

鋼板吊運(yùn)時(shí)，吊鉤上面承受矩形吊臂的拉力，下面承受鋼板的重力，受力示意簡(jiǎn)圖如6（a）所示。在U型鋼板吊鉤下端施加設(shè)定的重力（30000 N）時(shí)，受力仿真分析如圖6（b）所示。仿真結(jié)果表明，應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在吊鉤下端彎曲位置，最大值為131.86 MPa，吊鉤沒有發(fā)生明顯彎曲形變和應(yīng)力集中，不會(huì)出現(xiàn)過載情況，滿足U 型鋼板吊鉤設(shè)計(jì)要求。

圖6 吊鉤受力分析示意圖及仿真分析云圖

3 結(jié)語

針對(duì)鋼板吊運(yùn)過程中的工作特點(diǎn)，為了避免出現(xiàn)傳統(tǒng)吊索容易卡鉤、脫鉤、吊運(yùn)效率低等安全隱患和工藝不足，設(shè)計(jì)了一種全新的、純機(jī)械結(jié)構(gòu)的鋼板自動(dòng)吊鉤裝置，此吊鉤裝置采用平行四邊形矩形框架結(jié)構(gòu)吊臂和U 形吊鉤鉤體，其受力結(jié)構(gòu)安全可靠，鉤掛裝卸方便快捷，提高了吊裝效率；通過有限元受力分析，其整體結(jié)構(gòu)和承載能力都滿足大噸位、長(zhǎng)尺寸鋼板吊運(yùn)需要，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際要求，提高了鋼板吊運(yùn)作業(yè)過程中的安全性和可靠性。