自動立式吊具外鉗口內廓曲面形狀優化分析

引言：本文通過對自動立式吊具外鉗口與鋼卷表面接觸不佳而導致鋼卷表面損傷的問題加以分析，提出了通過根據鉗口中心距離變化而改變外鉗口曲線曲率的優化設計。通過鉗口和鋼卷兩者之間接觸地方的長度測量以及鋼卷所具備的表面應力大小值的研究，我們發現對鉗口處曲線彎曲成都進行轉變能夠有效的緩解由于吊具和鋼卷之間摩擦而導致的損壞問題，對于避免鋼卷表面受到損傷有很好的作用。

一、自動立式吊具相關概念論述及所存在缺陷

這里我們所提到的自動立式吊具其實指的就是被廣泛應用于鋼卷吊運工作的機械設備，因為具有其操作起來較為簡單，因此被越來越多的運用造立式鋼卷吊運工作中。按照鋼卷吊具所具有的應用途徑不同，我們一般將其分為兩個部分，分別是臥式以及立式。立式吊具通常是被應用在鋼卷的抓取及傳送中。現在，立式鋼卷在應用的過程中體現出下面這些缺陷：①在進行鋼卷運送的時候，因為吊具局部的抓取力度太大，因而經常會導致發生鋼卷形態被破壞的問題；②曲桿作為整個吊具中最為掛件的承受重量部分，如果長時間處在工作的狀態下，也會存在磨損開裂的現象，并最終導致安全事故的發生；③因為吊具本身的重量很大，造成它所具有的運送性能降低。

要減少鋼卷表面損傷，實際上就是要改善吊具鉗口與鋼卷表面間接觸條件。增大接觸面積不僅可以減小接觸應力集中，還可以增大起吊過程中摩擦力，從而減小相對滑動。

二、有限元仿真分析

（一）模型簡化。為提高計算效率，對鉗口夾緊鋼卷模型進行如下簡化：1）假設內外鉗口為剛體；2）忽略鋼卷軸向變形，簡化為平面應變模型；3）通過動力學仿真，得到夾緊力與卷重關系約為5.2：1，將夾緊力作為邊界條件輸入有限元模型。

（二）材料模型。對現場取樣帶鋼層疊后進行壓縮實驗得到鋼卷徑向壓縮特性如圖1所示。

圖1 鋼卷徑向壓縮特性

通過單向拉伸實驗得到周向材料參數為：彈性模量E=210GPa，泊松比u=0.3，屈服極限OS=240MPa。并對帶鋼與鉗口之間摩擦系數進行測定，得到帶鋼與鉗口摩擦系數約為0.3。

（三）結果分析。為定量描述鉗口與鋼卷間接觸條件，定義以下指標。

1）LC：有效接觸區長度，即鋼卷表面接觸壓力不為零的區域，有效接觸區越長，鋼卷表面受力越均勻，出現夾傷概率也越小；2）Omax：鋼卷表面應力峰值。圖2、圖3分別為不同外徑鋼卷外表面等效M ises應力分布、應力峰值及有效接觸區長度比較。可以看出，對于不同外徑鋼卷，M ises應力分布形式基本一致，都在距鉗口邊部50mm處存在約100mm寬的應力集中帶。

圖2 不同外徑鋼卷外表面M ises應力分布 圖3 鋼卷外表面M ises應力峰值及有效接觸區長度

三、外鉗口內廓曲面優化設計

現在我們通過直線和圓弧相切得到一個外鉗口的曲線，在進行吊運各種直徑大小的鋼卷過程中，我們能夠確保鋼卷和外鉗口從開始到最后都是相切的位置存在的，因此該設計最明顯的優勢就是能夠在調運各種類別鋼卷的時候都可以確保穩定性，可以符合各種類別鋼卷在調運時候的需求標準。不過這一設計方案也不是完全無缺點的，他所存在的問題是，在夾緊鋼卷的時候只有切線地方是處于接觸的狀態的，整個接觸的面積相對來說不夠大，這極易導致在這一接觸區域出現應力集中的問題。為了達到延長接觸區域長度并且降低夾緊過程中鋼卷表面所受應力最大值的問題，在這里我們將設計方案進一步的改進，我們提出了一種全新的鉗口曲線概念，其彎曲率能夠因為接觸地方的變化而不斷的變動。在夾緊的過程中，各種類別的鋼卷和外鉗口能夠在位于曲率近似的地方相接觸，當鋼卷的表面出現不易察覺的形態變化的時候，他就能夠做出調整，從而確保接觸面積不會過小，最終體現出優化接觸條件的功效。集合曲率的改變途徑我們做出了全新的規劃。將鉗口的中心設置為整個方案的原點，他的寬度沿著x軸展開來，我們可以將鉗口的曲率轉換表示為以下形式：

上述公式中k1表示的是設計一中的曲線所有的曲率；x表示的是和鉗口中心之間所存在的長度距離；A，B表示的是所吊運的鋼卷外部直徑的區間值；W表示的是鉗口的寬度值；n表示的是冪次。

四、外鉗口內廓曲面計算分析

通過數值計算得到外鉗口與鋼卷間接觸壓力分布及鋼卷表面應力分布。針對直徑在1400mm到2200mm之間的鋼卷而言，全新的設計可以十分顯著的提升接觸區域的長度值，對于那些制造量較大的至今在1800mm到2200mm之間的鋼卷，當n=2的情況下有效接觸區長度更增加一倍以上。

通過仿真模擬可知，n取不同的數值，可以獲得具有不同接觸狀態的鉗口曲面。當n=4的時候，直徑等于2200mm的接觸地方的長度有明顯的提升，相對的鋼卷表面所受到的M ises應力最大值顯著降低，和之前相比，接觸區的長度差不多變大了一倍的值，鋼卷表面所受到的Mises應力最大值經計算減小差不多三成左右。

五、結論

綜上所述，本文我們在外鉗口部曲線的彎曲率會因為其與鉗口中心之間的距離長度改變而發生改變連續變化這一規律的基礎上規劃出全新的外鉗口曲線曲率。在經過試驗之后證實這一曲線曲率值能夠符合在吊運各種規格鋼卷時所需的標準，同時還有利于鉗口和鋼卷兩者在接觸時所存在問題的緩解，有效降低鋼卷自身所受到的表面應力的最高值，從而體現出避免鋼卷表面受到磨損消耗的功效。可以作為今后這一類別設計工作中的有力參考。

參考文獻

[1]曹文君.專用立式吊具機構優化設計與仿真研究[D].華東理工大學，2011.

[2]徐增丙，李友榮，王志剛，陳賢波.立式吊具右曲桿強度的有限元分析[J].起重運輸機械，2005，07：32-34.

（作者單位：廣西柳州鋼鐵（集團）公司冷軋板帶廠）