吊具自动脱钩装置的结构设计.pdf

.53-第10 期吊具自动脱钩装置的结构设计赵嘉华赵安吉?黄诗宇高玮倩 魏玉兰1李兵 黄玉霞3（1.湖州师范学院工学院浙江湖州3 13 0 0 0）(2.浙江安浦科技有限公司浙江湖州3 13 0 0 0）（3.浙江富钢金属制品有限公司浙江湖州3 13 0 0 0）摘要在传统吊装行业中，吊钩挂梁或夹钳的挂钩和脱钩的方式多为人工辅助或起重机平移来完成，存在工作强度大、人力资源消耗多、效率低等问题，针对这一问题，设计了一款吊具自动脱钩装置，装置由电动缸、脱绳拔杆、主吊钩组成，本装置可为吊装行业提供结构合理，操作简单，安全风险低，具有较高经济价值的方案。【关键词】自动脱钩；结构设计；校核计算引言随着我国坚持深化改革，扩大开放，社会经济高速发展，社会产业结构更加复杂，起重机械在我国社会主义现代化建设进程中起着推动作用。不同形式的起重机在生产生活上均得以应用，并伴随着应用场景的增加，人们对于起重机的需求程度亦愈发强烈。在研究众多机械安全事故的直接原因后发现，由于这类设备的体积庞大，在吊装作业过程中，由于操作不当等人为因素极易诱发一定安全事故2-3 。依靠地面工人参与对起运和卸运过程的指挥，完成挂钩和脱钩作业，作业难度较大，依赖人工程度较强，危险程度较大，安全隐患较高。应用自动脱钩装置并进行工艺优化，可以降低安全隐患，提高作业效率4 。1吊具自动脱钩装置的整体方案自动脱钩装置可以按其工作原理分为主动脱钩装置和被动脱钩装置。主动脱钩装置是依靠其自身的结构特征或自重完成主动脱钩的装置。被动脱钩装置是靠外置执行机构辅助完成脱钩动作的装置。本装置主要针对的吊运物均为大质量物品，因此采用被动式的脱钩方式，借助电动缸来完成自动脱钩的动作。吊具自动脱钩装置的整体方案如图1所示，装置主要包括电动缸、脱绳拨杆、主吊钩等。在吊运过程中，吊运索具被由脱绳拨杆2 和主吊钩3 共同形成的封闭空间限制，为防止在吊运过程中发生吊运货物连同索具意外脱落的情况提供保障。231-电动缸；2-脱绳拨杆；3-主吊钩图1吊具自动脱钩装置的组成在卸运过程中，为防止发生因人为因素而造成安全事故的发生，本装置将电动缸1作为动力源，推动脱绳拨杆2 工作，将吊运索具挑出主吊钩3中。2吊具自动脱钩装置关键结构的设计和校核2.1电动缸1）电动缸的推力。作者简介：赵嘉华（2 0 0 0），男，浙江省台州市人，湖州师范学院工学院学生，专业：机械设计制造及其自动化。54-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备电动缸的推力是指电动缸在工作时需要克服被吊运产品自身重力的推力。吊运物品的质量不同，电动缸所需的推力也不同，绘制出如图2 所示的自动脱钩装置受力分析图。238157F0图2 自动脱钩装置受力分析图根据杠杆平衡原理，可以得到公式（1），通过对吊运货物的计算得出电动缸所需的推力F2大小。FLF2(1)L2 cos 0式中：L为脱绳端与旋转支点O的力臂距离，238mm；L为电动缸端与旋转支点的力臂距离，157mm；F为阻力等于吊运索具重力，2 4 N；F2为推力竖直方向上的分力，3 6.4 N。因此得出可以使用公式（1）计算推力大小F2=117.4N。2）电动缸电机的功率。图3 所示为电动缸结构示意图，电动缸推杆采用梯形丝杆副实现行程往复，电动缸减速机采用蜗轮副来实现电机减速。减速器电机推杆图3 电动缸结构示意图电动缸的功率P。可以通过公式（2）进行计算。本装置在脱绳拨杆与吊运索具接触部位上加设一尼龙材质保护套，如图5 所示，一方面可以增大脱绳拨杆与吊运索具间的摩擦力，防止卸运工作时发生滑移的安全事故，另一方面可以有效的减轻脱绳拨杆主体钢制结构与吊运索具间的切割力，大大提高二者使用寿命。Pe=F.V10-/n72（2)式中：F为电动缸推力，3 6.4 N；V 为电动缸直线速度，12 mm/s；n 为丝杆效率，0.4 2；n为减速机效率，0.5 2。将上述数据代入公式，可以计算得出电动缸的功率为16.4 W。3）电动缸的产品参数。根据1）和2）计算结果，选取额定功率为3 0W，运行速度为12 mm/s，行程为2 0 0 mm，额定推/拉力16 0 0 N的电动缸作为自动脱钩装置的动力源，满足要求。2.2脱绳拨杆图4 所示为脱绳拨杆的主体结构。脱绳拨杆与吊钩主体部件采用铰制连接，使得电动缸工作时将带动脱绳拔杆绕铰制孔做弧形运动，该设计将有效降低脱绳拨杆工作时对吊钩主体和吊运索具的磨损，提高装置使用寿命，降低安全隐患。图4 脱绳拨杆结构图图5 加设尼龙保护套的脱绳拨杆结构图55-第10 期赵嘉华等吊具自动脱钩装装置的结构设计本装置由于电动缸直接产生驱动力作用于脱绳拨杆，在如图6 所示的多组装置协同吊运时，可以保证吊运索具的同时挑出，降低卸运过程中由于挑出时间不同而造成倾覆侧翻的安全事故发生的概率。图6多组装置协同吊运示意图2.3主吊钩主吊钩为本装置的核心构件，脱绳拨杆铰制连接于主吊钩的部件上，因此主吊钩的强度将大大影响本自动脱钩装置的使用寿命。本装置根据吊钩形状的分类选用单钩，具有制造和使用方便等优点。主吊钩的断裂情况可能引发重大的安全事故，因此在材料的选择上要求满足结构强度要求，采用Q235钢锻造而成，材料屈服强度o=235MPa，不会发生突然断裂情况的发生。下面将对本装置中的主吊钩进行强度的校核。图7 所示为主吊钩单钩计算简图，需对截面1-2与截面3-4 的强度进行校核。因为本装置主要针对大质量吊运物品，因此以一捆4.8 kg的钢筋为例。hdx3X4图7 主吊钩单钩计算简图1)截面1-2。起升载荷PQ作为偏心拉力，偏心距为D/2+el，承受的弯曲力矩为M=P(D/2+ei)。根据公式（3）可以算得截面内缘1点处的应力为最大拉应力1，MPa。根据公式（4）可以算得截面外缘2 点处的应力为最大拉应力0 2，MPa。KPo.2e(3)AKBDKPQ2e2(4)AKBD+2h式中：P.为起升载荷，4 8 N；D 为弯曲直径，90mm；A 为截面1-2 的面积，2 2 2 6.7 mm；e 1为截面重心至内缘距离，2 5 mm；e 2 为截面重心至外缘距离，5 5 mm；K 为单钩的动力系数，1.1；K为依曲梁截面形状而定的系数，可由公式（5）确定。+元4h65KB+(5)4(2Ro82Ro642Ro式中：R。为截面重心到起升载荷的距离，70mm；h 为截面内缘至外缘距离，8 0 mm。经公式（5）计算，得KB为0.0 9 5 8，故公式（3）与（4）校核可得，i=180.77MPa，2=180.77MPa，因此满足强度要求。2)截面3-4。截面3-4 上的正应力3可以通过公式（6）和(7）确定。KPotanQmaxe(6)AKBDKPotanQmax2e264(7)2AKBD+2hl式中：式中：P.为起升载荷，4 8 N；A 为截面3-4的面积，18 14.3 mm；e l 为截面重心至内缘距离，2 4.8 5 mm；e 2 为截面重心至外缘距离，3 9.15mm；max为两系物绳最大倾角，常取4 5；K为单钩的动力系数，1.1；K为截面3-4 的形状系数，0.0 5 7 8。经公式（6）与（7）校核可得，3=180.77MPa，0 4 o =18 0.7 7 M Pa，因此满足强度要求。(下转5 2 页）（上接5 5 页）522023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。由于法兰设计中的最大应力通常发生在锥颈小端，甲型平焊法兰需要增加法兰环厚度才能起作用，而法兰材料的许用应力又因法兰厚度的增加而下降，因此对压力较高、直径较大的法兰，不选用甲型平焊法兰这种结构。乙型平焊法兰虽然采取了增设过渡短节的做法使法兰锥颈小端的厚度得到改善，但是由焊缝堆出的，锥颈高度也是有限的，对有效降低小端应力依旧不利。为了有效降低锥颈小端的轴向弯曲应力，增加锥颈高度，利用锥颈上轴向弯曲应力具有较快的衰减效应，达到缓和小端应力的目的，而且法兰环的设计厚度可以减小，这样法兰整体受力较为均衡，提高了材料的利用率，得到了体小量轻的设计结构。非标法兰合理设计的关键是是要遵循“最小3）吊钩的许用应力吊钩的许用应力可有公式（8）计算。6.0n(8)式中：n为安全系数，一般取n=1.3。计算得o=180.77 MPa。3总结针对传统吊装行业中，吊钩挂梁或夹钳的挂钩和脱钩的方式多为人工辅助或起重机平移来完成，存在工作强度大、人力资源消耗多、效率低等问题，本文设计了自动脱钩装置，介绍了自动脱钩装置的整体方案，对自动脱钩装置的关键部件进行结构设计和校核，为吊装行业提供结构合理，操作简单，安全风险低，具有较高经济价值的方案。载荷准则”和“满应力准则”，但法兰的优化设计是个复杂的问题，诸多因素的影响还有待于进一步分析。参考文献1GB/T150.14-2011压力容器S2NB/T470204 7 0 2 7-2 0 12 压力容器法兰、垫片、紧固件S3HG/T2058020585-2020钢制化工容器设计基础规范等S4丁伯民，黄正林等.化工设备设计全书化工容器M.北京：化学工业出版社，2 0 0 25李世玉，寿比南.压力容器设计工程师教程M.北京：新华出版社，2 0 166桑如苞，林上富.压力容器法兰设计的若干问题.化工设备设计,19 8 9(0 1):16-2 1,15.收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 5 修回日期：2 0 2 3-0 9-0 9参考文献1徐洁.特种设备中起重机械检测技术分析与探讨.矿业装备,2 0 2 1,No.116(02):206-207.2顾刘勇,刘扬帆.大型起重机械安全吊装技术分析.中国设备工程,2 0 2 2,No.501(13):186-188.3黄维宇.起重机械事故原因及解决对策探讨.中国设备工程,2 0 2 2,No.497(09):153-155.4单有臣.自动脱钩装置在大袋水泥装卸中的应用.设备管理与维修,2 0 19,No.446(08):83-8项目来源：2 0 2 2 年国家级大学生创新创业训练计划项目“基于自适应控制的起重吊具自动脱钩装置设计”（编号：202210347007)收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 6 修回日期：2 0 2 3-0 9-0 9