周 洲 鄧 冉 韓 路 周 峰 魏汝路
1江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 徐州 221000 2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 徐州 221116
目前,冶金、機(jī)械制造、造船等行業(yè)所用的起重機(jī)在吊運(yùn)鋼板等鐵磁性物件時(shí),普遍采用電磁吊具和永磁吊具。和電磁吊具相比,永磁吊具具有能耗低、無(wú)需安裝、維修量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在中小型企業(yè)中應(yīng)用更為廣泛。
近年來(lái),由于永磁吊具吸脫力不足、零部件故障而引發(fā)的起重機(jī)事故時(shí)有發(fā)生。例如2022年,某公司裝配作業(yè)車間在進(jìn)行裝焊作業(yè)時(shí),凸緣工件從永磁吊具上脫離,造成作業(yè)人員死亡;2018年,某公司線材廠成品作業(yè)區(qū)起重機(jī)司機(jī)操縱橋式起重機(jī)調(diào)運(yùn)成品線卷時(shí),磁性吊具東端線卷脫落后從垛堆上滾落到地面,造成地面人員傷亡。這2起事故的直接原因是:在吊裝作業(yè)時(shí),永磁吊具與被吊物部分接觸,與其他部分不能充分接觸而形成空隙,造成磁性吊具吸力不夠,致使被吊物體脫落。
某磁力檢測(cè)中心2013年~2014年對(duì)部分著名企業(yè)永磁吊具安全性能抽檢情況顯示[1],永磁吊具的安全性能合格率只有4.7%,實(shí)測(cè)吸力低于額定標(biāo)稱值一半的竟然有21.4%?,F(xiàn)行的法定檢驗(yàn)規(guī)則[2,3]雖將不可分的電磁吸盤(pán)等磁力起重裝置納入了檢驗(yàn)范圍,但由于缺乏專業(yè)的檢驗(yàn)儀器,檢驗(yàn)人員難以對(duì)其拉脫力進(jìn)行測(cè)試,永磁吊具隱形超載現(xiàn)象十分普遍,存在極大的安全隱患。
據(jù)此,本文設(shè)計(jì)了一種適用于額定起重量為3 000 kg及以下的起重永磁吊具的性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái),可有效解決目前起重機(jī)械定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí),檢驗(yàn)項(xiàng)目操作性和實(shí)用性較差的技術(shù)難題。
根據(jù)對(duì)某市部分機(jī)械加工制造企業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示,16家企業(yè)使用永磁吊具合計(jì)859套,其中使用最多的是600 kg和1 000 kg 2種類型,分別占到統(tǒng)計(jì)總數(shù)的36.8%和31.3%;2 000 kg、3 000 kg分別占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的8.0%、5.7%;5 000 kg的使用較少,僅占0.9%;具體數(shù)量和比例如表1所示。
表1 部分企業(yè)永磁吊具調(diào)查統(tǒng)計(jì)表
調(diào)查結(jié)果還顯示,企業(yè)使用的1 000 kg及以下永磁吊具一般為手動(dòng)式;2 000 kg及以上一般使用自動(dòng)式,部分使用電磁吸盤(pán)或采用其他方式。
根據(jù)對(duì)20多家永磁吊具制造企業(yè)生產(chǎn)的2 000 kg和3 000 kg永磁吊具的規(guī)格尺寸調(diào)研,2 000 kg永磁吊具最大規(guī)格尺寸為長(zhǎng)780 mm、寬540 mm、高110 mm,3 000 kg永磁吊具最大規(guī)格尺寸為長(zhǎng)890 mm、寬456 mm、高124 mm。
調(diào)研結(jié)果還顯示,永磁吊具制造企業(yè)在官方網(wǎng)站標(biāo)明的最大拉脫力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,一般為額定起重量的3倍。由于上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為推薦標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),不少企業(yè)在銷售最大拉脫力為額定起重量2倍的產(chǎn)品。
根據(jù)對(duì)某市部分機(jī)械加工制造企業(yè)使用的永磁吊具調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果和制造企業(yè)生產(chǎn)的2 000 kg和3 000 kg永磁吊具的規(guī)格尺寸,本文研究一種適用于3 000 kg及以下永磁吊具性能的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái),基本滿足在用起重機(jī)永磁吊具的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。
結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10734—2007《起重永磁鐵》[4]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求,起重永磁拉力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求:
1)加載能力 按照永磁吊具最大拉脫力不應(yīng)小于額定起重量3倍的要求,即對(duì)于3 000 kg永磁吊具,試驗(yàn)臺(tái)的加載能力需要達(dá)到9 000 kg以上。
2)尺寸要求 試驗(yàn)臺(tái)至少能夠容納規(guī)格為900 mm×550mm×130mm(長(zhǎng)×寬×高)的永磁吊具。
3)移動(dòng)性 為保證在使用現(xiàn)場(chǎng)便于移動(dòng),同時(shí)為了使永磁吊具便于放置在試件板上,提高測(cè)試效率,整體結(jié)構(gòu)須具備一定的移動(dòng)能力。
以某額定起重量3 000 kg、規(guī)格尺寸為長(zhǎng)890 mm、寬456 mm、高124 mm的永磁吊具為測(cè)試對(duì)象,據(jù)此設(shè)計(jì)的永磁吊具拉脫力測(cè)試臺(tái)(見(jiàn)圖1)主要由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其工作原理為采用液壓缸作為驅(qū)動(dòng)裝置,絲杠約束試件板位置,起重永磁吊具隨液壓缸上升直到永磁鐵從試件板拉脫,拉脫瞬間測(cè)力傳感器讀取的值即為拉脫力。
圖1 裝置設(shè)計(jì)圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型
機(jī)械系統(tǒng)主要包括:龍門(mén)支架、絲杠、測(cè)試板以及腳輪組等組成。根據(jù)承載能力要求,選擇200 mm×100 mm×8 mm矩形鋼為支架主體??紤]移動(dòng)性和永磁吊具方便落位,框架底部設(shè)計(jì)為U形。根據(jù)所測(cè)永磁吊具尺寸,底部橫梁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為920 mm,框架底部整體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 700 mm;考慮測(cè)試裝置室內(nèi)使用,整體高度設(shè)計(jì)為2 000 mm,整個(gè)支架由矩形鋼焊接而成,設(shè)計(jì)各個(gè)邊角處加肋板固定,由于頂部橫梁受到液壓缸集中力的作用,采用矩形鋼疊加方式以增大截面承受力。
根據(jù)龍門(mén)支架三維建模質(zhì)量屬性以及查閱永磁吊具的最大質(zhì)量,選擇4個(gè)6寸腳輪,2個(gè)萬(wàn)向輪加2個(gè)定向輪構(gòu)成腳輪組,總計(jì)承重為1 200 kg,能滿足結(jié)構(gòu)及吊具承載要求。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)需進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算和仿真分析以驗(yàn)證其符合性。
液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件為單個(gè)液壓缸;液壓缸行程為200 mm,能滿足加載行程要求,液壓系統(tǒng)可提供最高100 kN輸出力,能滿足加載驅(qū)動(dòng)力要求。
液壓系統(tǒng)原理如圖2所示,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為液壓系統(tǒng)提供壓力油源,液壓油經(jīng)過(guò)濾油器1進(jìn)入液壓泵2,控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)三位四通電磁換向閥6,YA1得電,閥芯換向至右位,使得液壓油經(jīng)節(jié)流閥7進(jìn)入液壓缸8,液壓缸提升起重永磁鐵,直至拉脫后,液壓油經(jīng)三位四通電磁換向閥6右位回到油箱。
圖2 液壓系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)由PLC作為核心控制元件,配備小型觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示拉力測(cè)試裝置工作狀態(tài)、拉力大小,通過(guò)觸屏操作可直接完成整個(gè)拉脫力測(cè)試,并調(diào)取拉力測(cè)試歷史數(shù)據(jù)。
查閱資料得知S形拉力傳感器適用于指定的規(guī)范稱量系統(tǒng),尤其適用于一些要求精度高的工業(yè)稱量系統(tǒng)。其高度可靠性及密封設(shè)計(jì)能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定的工作。因此,本設(shè)計(jì)選用S形拉力傳感器進(jìn)行拉力測(cè)試,型號(hào)為T(mén)JL-4。由于該傳感器的輸出信號(hào)為0~20 mA電流,而所選用PLC自帶模擬量輸入只能接受0~10 V電壓信號(hào),故需要增加一個(gè)放大器或PLC模擬量輸入模塊讀取拉力值。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,最終選用了與該S形拉力傳感器配套的放大器,型號(hào)為T(mén)B3K。該放大器需24 V電源,能將傳感器0~20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10 V的電壓信號(hào),且能為傳感器供電。
常規(guī)理論計(jì)算校核測(cè)試臺(tái)強(qiáng)度滿足需要,但計(jì)算過(guò)程中忽略了許多條件,如肋板對(duì)頂梁支持作用、絲杠螺母實(shí)際受力為從中心向外發(fā)散。針對(duì)實(shí)際分析,為準(zhǔn)確進(jìn)行強(qiáng)度校核,應(yīng)采用更為合理的Ansys仿真對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析。
為確保矩形鋼框架強(qiáng)度達(dá)標(biāo),在Ansys仿真中,取F合=120 kN,F(xiàn)絲杠=120 kN,其仿真步驟為:1)將矩形框模型導(dǎo)入至有限元仿真模型中,并將Q235的屬性導(dǎo)入Ansys材質(zhì)庫(kù),整個(gè)矩形鋼框架的材質(zhì)設(shè)置為Q235。2)對(duì)零件之間的接觸進(jìn)行編輯,其中,由于液壓缸和頂梁通過(guò)螺栓連接,故將其接觸設(shè)置為粗糙,使其無(wú)法相對(duì)運(yùn)動(dòng);由于其余零部件之間均為焊接關(guān)系,故將其余接觸均設(shè)置為綁定。3)對(duì)矩形鋼框架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了在保證計(jì)算精度的情況下減少計(jì)算量,將框架整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為50 mm,并將頂梁、一側(cè)支架和底梁網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm。4)對(duì)矩形鋼框架施加力和約束,在液壓缸上施加120 kN的力,方向向下;在4個(gè)搖絲杠安裝螺母處施加共120 kN的力,方向向上;為模擬矩形框自重,對(duì)整個(gè)裝置施加重力加速度g;并在車輪處施加固定支撐約束,使這個(gè)框架無(wú)法移動(dòng)。
完成建立近似模型、編輯材料特性、網(wǎng)格劃分、以及施加力和約束環(huán)節(jié)后,檢查并運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)模型求解。計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)處理,對(duì)整個(gè)裝置關(guān)鍵部分的仿真結(jié)果進(jìn)行處理與分析。
頂梁直接受力120 kN,為裝置薄弱部分。需從變形量和應(yīng)力分布2個(gè)方向?qū)斄旱膹?qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證校核。圖3為頂梁變形量計(jì)算結(jié)果,由圖3可知,頂梁的最大變形量為0.9 mm,產(chǎn)生在頂梁與液壓缸的接觸面上,且變形量呈現(xiàn)由中間向兩端遞減的趨勢(shì),最小變量為0.34 mm,頂梁變形量非常小,對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。
圖3 頂梁變形量
圖4為頂梁的應(yīng)力分布圖,由圖4可知,頂梁正面與液壓缸的接觸面邊緣應(yīng)力值較高,且出現(xiàn)了最大應(yīng)力值194.53 MPa,而中間和兩端應(yīng)力值較低;同樣得到頂梁背面中間應(yīng)力最大值為162.69 MPa,根據(jù)Q235的材料屬性可知,頂梁強(qiáng)度滿足要求。
圖4 頂梁上面應(yīng)力分布
支架承擔(dān)了頂梁的壓力,整個(gè)裝置為對(duì)稱體,支架與頂梁之間焊接了肋板進(jìn)行加固處理,對(duì)裝置右邊支架的變形量與應(yīng)力分布進(jìn)行驗(yàn)證校核,如圖5~圖7所示。
由圖5支架變形量可知,支架的最大變形量為0.654 mm,產(chǎn)生在支架與頂梁的加強(qiáng)筋上。支架中間的變形量最大不足0.7 mm,且支架整體的變形量呈現(xiàn)由中間向兩端遞減的趨勢(shì),最小變形量為0.34 mm,支架變形量非常小,對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。
圖5 支架變形量
由圖6和圖7可知,支架主要的應(yīng)力集中點(diǎn)為與頂梁、底梁和加強(qiáng)筋的焊接處,其中最大應(yīng)力值為192.01 MPa,出現(xiàn)在與底梁的焊接處,支架滿足實(shí)際的強(qiáng)度要求。
圖6 支架上半部分應(yīng)力分布
圖7 支架下半部分應(yīng)力分布
裝置底梁變形量與應(yīng)力分布強(qiáng)度驗(yàn)證校核如圖8、圖9所示。由圖8可知,底梁最大變形量為0.92 mm,產(chǎn)生在永磁吊具入口一側(cè)手搖絲杠螺母處,同時(shí),電磁鐵入口一側(cè)的矩形鋼變形量明顯較大,并呈現(xiàn)出向另一側(cè)遞減的趨勢(shì),底梁變形量非常小,對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。
圖8 底梁變形量
由圖9可知,底梁中間應(yīng)力值較大,最大為189.2 MPa,且在手搖絲杠安裝螺母焊接處也存在應(yīng)力集中點(diǎn),其應(yīng)力達(dá)到了42.31 MPa。
圖9 底梁應(yīng)力分布
仿真所用的矩形鋼框架模型端面未封口,在實(shí)際加工中,為保證矩形鋼框架強(qiáng)度能夠滿足要求,將矩形鋼端面均采用鋼板焊接封口,進(jìn)一步提升了整體框架的強(qiáng)度。
綜上所述,通過(guò)有限元強(qiáng)度校核可知,測(cè)試臺(tái)機(jī)械框架滿足使用要求。
為測(cè)試目前市場(chǎng)上起重永磁鐵的拉脫力,現(xiàn)隨機(jī)抽取市場(chǎng)上銷售的全新起重永磁體鐵及部分使用單位在用的起重永磁鐵進(jìn)行測(cè)試。
實(shí)際測(cè)試全新額定起重量為1 000 kg永磁吊具10臺(tái)、2 000 kg永磁吊具10臺(tái),在用的額定起重量為600 kg永磁吊具10臺(tái)、1 000 kg永磁吊具10臺(tái)。
根據(jù)測(cè)試方案對(duì)上述40臺(tái)起重永磁吊具進(jìn)行測(cè)試,平均拉脫力如表2~表5所示。
表2 全新1 000 kg永磁吊具平均拉脫力
表3 全新2 000 kg永磁吊具平均拉脫力
表4 在用600 kg永磁吊具平均拉脫力
表5 在用1 000 kg永磁吊具平均拉脫力
4.3.1 全新起重永磁鐵
通過(guò)對(duì)表2、表3的測(cè)試結(jié)果分析,隨機(jī)抽取的市場(chǎng)在售的起重永磁吊具的安全系數(shù)在1.5~1.7的范圍內(nèi),距離標(biāo)準(zhǔn)中要求的最小安全系數(shù)3仍有較大的差距。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研,不少企業(yè)在銷售最大拉脫力為額定起重量2倍的產(chǎn)品。即使按照2倍計(jì)算,實(shí)測(cè)的拉脫力安全系數(shù)仍與標(biāo)稱值有一定差距。
4.3.2 在用起重永磁吊具
通過(guò)對(duì)表4、表5的數(shù)據(jù)分析,某企業(yè)在用的同型號(hào)/規(guī)格起重永磁吊具僅1個(gè)(5%)安全系數(shù)達(dá)到3以上;基本與文獻(xiàn)[1]所述的抽檢結(jié)果4.7%吻合。
同時(shí)拉脫力平均值較為離散,偏差較大,最大安全系數(shù)為3.18,最小安全系數(shù)為0.65。一方面說(shuō)明在使用過(guò)程中拉脫力的衰減過(guò)程與使用年限無(wú)明顯線性關(guān)系,定期進(jìn)行拉脫力測(cè)試十分必要;另一方面,按照安全系數(shù)3計(jì)算,低于額定標(biāo)稱值一半的有7個(gè),占比35%。
本文通過(guò)調(diào)研機(jī)械制造企業(yè)常用的永磁吊具的規(guī)格型號(hào),設(shè)計(jì)了一種起重永磁吊具拉脫力測(cè)試臺(tái),該測(cè)試臺(tái)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加載,同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)短距離移動(dòng),該裝置設(shè)計(jì)可移動(dòng)測(cè)試臺(tái)的腳輪組,能有效地提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率。試驗(yàn)臺(tái)采用龍門(mén)架結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu),通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)計(jì)算和Ansys仿真分析,該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿足測(cè)量3 000 kg及以下永磁吊具的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求,解決目前起重機(jī)械定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí),檢驗(yàn)項(xiàng)目操作性和實(shí)用性較差的技術(shù)難題。
通過(guò)該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試目前市場(chǎng)上銷售的全新起重永磁吊具的實(shí)際拉脫力,結(jié)果表明:隨機(jī)抽取的市場(chǎng)在售的起重永磁吊具的安全系數(shù)在1.5~1.7的范圍內(nèi),距離標(biāo)準(zhǔn)中要求的最小安全系數(shù)3仍有較大的差距。通過(guò)在用起重永磁吊具的實(shí)際拉脫力測(cè)試,結(jié)果表明永磁吊具的安全性能合格率較低,實(shí)測(cè)吸力低于額定標(biāo)稱值一半的比例較高,永磁吊具隱形超載現(xiàn)象較普遍,亟待關(guān)注和解決。