長撐桿雙顎板抓斗關鍵結構設計研究＊

閆勝昝 胡常斌

1 南京工程學院文化藝術創意設計研究院 南京 211167 2 安慶市四方港口機械有限公司 安慶 246000

0 引言

隨著全球貿易的發展，我國物流行業迅速崛起，大批港口碼頭建成投入使用，同時隨著我國經濟的發展，鋼廠、電廠等基建上游企業快速發展。大量散貨需要裝卸、轉運，裝卸機械使用頻繁，作為裝卸機械最常用的部件抓斗，其工作性能直接影響裝卸效率。因此，對抓斗的研究關注度越來越高，抓斗的設計、計算方法需要不斷更新、充實和完善，使港口機械向更加注重功能性、經濟性、可靠性和安全性的方向發展[1]。對于抓斗的設計研究，上海交大的王憲龍等對長撐桿抓斗的靜力學性能進行分析，通過建立多變量非線性優化模型，應用Matlab 遺傳算法求解對抓斗的幾何參數進行了優化設計[2]；許京荊等采用有限元分析方法對造成抓斗失效的工況進行數值分析，并提出結構改進措施[3]；董熙晨等提出采用組合優化策略對剪式抓斗結構參數進行優化[4]；還有很多相關研究[5-7]。可見近年來抓斗設計方面，有對特定類型抓斗的設計優化，有對抓斗失效問題的分析研究，用以指導抓斗的修復和設計，然而國內企業對于抓斗設計的研究較少見，李鵬飛、胡常斌等曾就抓斗的合理使用壽命、重要幾何參數、單位容積自重問題做過一些分析研究和經驗總結[8]，國內某大學與某公司合作也曾就抓斗的設計問題做過一些研究，如積累經驗建立數據庫，開發模塊化設計平臺提高設計效率等[9]。根據抓斗設計的數據分析來看，對于抓斗的設計依然基于經驗設計較多，研究成果以各種類型的抓斗產品申報的專利居多[10]；而大專院校的研究理論性強[11-13]，不利于實踐應用。分析總結合理結構參數關系，確定合理結構形式選擇的依據，在企業的抓斗設計實踐中意義更為重大。

1 抓斗結構分析

長撐桿雙顎板抓斗對于各類散貨都有良好的適應性，廣泛應用于各類裝卸場合，暢啟仁教授也曾對長撐桿散貨抓斗的主要參數進行分析[14]。

1.1 抓斗顎板的主要參數及關系

顎板寬度E、顎板側形長C 和顎板最大張開度D是抓斗顎板的主要幾何參數，抓斗總容積VF、顎板在料堆上的初切入深度h0及顎板張開后的覆蓋面積A 直接與這3 個幾何參數有關，顎板這3 個幾何參數選取的得當與否直接影響到抓斗的抓取性能。依照國際標準ISO 2374:1983 起重機械基本型的最大起重量范圍，抓斗起重機的起重量Q 依次為：3.2 t、4.0 t、5.0 t、6.3 t、8.0 t、10.0 t、12.5 t、16.0 t、20.0 t、25.0 t、32.0 t、40.0 t、50.0 t、63.0 t、80.0 t，約成公比為0.8 的等比級數。而我國JT/T5031—1992《長撐桿雙顎抓斗參數系列》將散貨容重rm也表示為公比為0.8 的等比級數：0.63 t/m3、0.8 t/m3、1.0 t/m3、1.25 t/m3、1.6 t/m3、2.0 t/m3、2.5 t/m3、3.2 t/m3。這樣的規定在抓斗起重機起重量Q、抓斗容積VF和散貨容重rm之間建立起一種有機的內在聯系，為正確確定抓斗顎板主要幾何參數E、C 和D 提供了可靠依據。表1、表2 和表3 中的系數KE、KD、KC隨散貨容重rm的變化，應視為抓斗在抓取不同容重的散貨時可以得到滿意充填的結果。

表1 顎板寬度系數KE

表2 最大張開度系數KD

表3 顎板側形長度系數KC

對于同一起重量而抓取不同容重散貨的抓斗系列（如散貨容重由0.63 t/m3增至3.2 t/m3），抓斗容積VF、顎板初切入深度h0、抓斗完全張開后顎板覆蓋面積A 均隨散貨容重的增大而減小。此時，由表1 可知，抓斗顎板寬度系數KE呈單調下降，推薦值由1.539 3 下降至1.184 8，下降比為1.299；由表3 可知，顎板側形長度系數KC呈單調上升，推薦值由0.795 5 上升至1.004 83，上升比為1.265；由表2 可知，最大張開度系數KD呈單調上升，推薦值由1.774 上升至1.971 8，上升比為1.111 5。對于同一容重的散貨而起重量不同的抓斗，抓斗容積VF隨抓斗的噸位增大而增大。此時，系數KE、KC、KD均為常數，不隨抓斗噸位大小變化，可根據抓取散貨的容重選取。

根據顎板寬度E、顎板側形長C 和顎板最大張開度D 等參數的公式，即

由此可見，除VF外，系數KC尚與顎板的有關角度αS、αB、θ、β、ε、ω 有關。其中，αS為斗體底背角，αB為物料堆積角，θ 為散貨滑移角，β 為斗體后圍板與水平面夾角，ε、ω 與以上角度有一定關系。

圖1 抓斗斗體參數示意圖

在抓斗容積VF隨散貨容重增大而減小的變化趨勢下，顎板寬度E 隨散貨容重增大而減小，顎板側形長C隨散貨容重增大而增大，顎板最大張開度D 隨散貨容重增大而增大。在同一抓斗噸位下，系數KE、KD與KC隨散貨容重變化而發生的變化是互補的，系數間這種互補變化滿足了散貨容重rm增大，抓取阻力增大，需要對顎板幾何參數作出調整，以提高抓斗抓取能力的要求。

1.2 單鉸顎板抓斗與雙鉸顎板抓斗

單鉸顎板抓斗是指兩側顎板裝于下承梁的同一鉸點處，圖1 中斗體兩側顎板鉸于一點，通過這一鉸點與下承梁鉸接在一起，而雙鉸顎板抓斗的兩側顎板則分別裝于下承梁的兩個鉸點，如圖2 所示。

圖2 雙鉸顎板抓斗

單鉸顎板抓斗的特點是構造簡單，抓斗張開后，若置于地面則閉合繩松弛，下承梁易發生翻轉，且抓斗的整體高度較雙鉸顎板時大。雙鉸顎板抓斗在兩鉸之間需建立高副聯系（一般為約束齒輪），構造較復雜，但抓斗在任何狀態時的下承梁保持穩定，不會發生翻轉，抓斗的整體高度也比較低。

從生產制造方面看，單鉸顎板抓斗由于構造簡單，易于加工和裝配，工藝簡單生產效率高，而雙鉸顎板抓斗由于要考慮雙鉸的關聯，設置的同步約束欠齒輪結構，無論是下料加工，還是裝配都稍復雜，生產效率會相對低一些。

當這兩種抓斗最大張開度相同，且抓斗閉合時閉合繩的引出長度也相同時（抓斗閉合時，上下滑輪組之間的行程相同），雙鉸顎板抓斗的抓取阻力矩較小，雖然此時抓斗的抓取力矩也因顎板鉸點位置偏移而減小，但從總的使用效果看，雙鉸顎板抓斗的充填效果仍比單鉸顎板抓斗好。

1.3 撐桿上鉸點之間的約束形式

撐桿上鉸點之間的約束形式大多為插銷式或單齒嚙合式。當撐桿上鉸點之間的間距較大時(大于400 mm)，一般采用插銷式約束形式，如圖3a 所示。插銷式約束裝置制造與裝配精度要求較高，并需經常潤滑維護。當撐桿上鉸點之間的間距較小時，常采用單齒嚙合式約束形式，如圖3b 所示。單齒嚙合約束裝置約束效果和使用效果較好，但制作稍復雜，耗材較多。

從強度方面看，當撐桿上鉸點之間的間距為400 mm 時，分別設計插銷式約束和單齒嚙合約束兩種結構形式。建立3D 模型，采用有限元分析方法，模擬工作中撐桿受力情況，對兩種結構形式分別做相同約束和載荷下的強度分析，具體有限元分析及載荷計算參見之前研究成果，得出兩種結構的應力及變形情況分別如圖4所示。

圖3 撐桿上鉸點之間的約束形式

圖4 有限元分析結果（應力）

由圖4 可知，兩種形式的同步約束結構，在相同的外部約束和載荷下，計算得出的應力分布趨勢基本一致，差異主要存在于嚙合尺槽根部和插銷式長孔周圍，但最大應力位置都相同，只是最大應力值差異較大。分析此處最大應力主要由處于結構的拐點位置單元劃分質量較低導致，與撐桿體結合后將得到增強，故判斷此處為結構的危險部位，但該最大應力值不予考慮。整體來看較大應力均位于同步器的下部位置，單齒嚙合式由于板厚較大（60 mm），而插銷式單板厚度僅為25 mm，所以嚙合式的應力水平低于插銷式，同樣載荷下單齒嚙合式的強度更好。生產實踐中，在均能滿足強度要求時，還要綜合考慮制作難度和耗材等來選擇。

1.4 閉合繩均衡方式

在四繩長撐桿雙顎板抓斗中，當兩根閉合繩長短不一時，為保證抓斗平穩工作，應通過閉合繩均衡裝置予以補償，通常采用均衡輪（見圖5a）或均衡杠桿（見圖5b）來實現。均衡輪自重較大，制作稍嫌復雜，但對繩索的補償量大。而均衡杠桿結構簡單，自重較輕，但對繩索的補償量較小。生產實踐中，多采用均衡杠桿，又稱平衡臂結構。

圖5 閉合繩均衡方式

1.5 閉合繩導繩裝置

最常用的閉合繩導繩裝置為井字輥式（見圖6a）或四導輪式（見圖6b）。井字輥式導繩裝置導繩效果好，適用于閉合繩直徑等于和小于28 mm 的抓斗；四導輪式導繩裝置可承受閉合繩較大的偏斜載荷，所以適用于閉合繩直徑大于28 mm 的重載抓斗。

圖6 閉合繩導繩裝置

2 設計方案

以16 t/6.5 m3的黃沙抓斗為例，已知設計輸入信息包括額定起重量16 t，抓取物料為黃沙，物料比重為1.5 t/m3，起重機配有4 根鋼絲繩，直徑28 mm，開閉繩間距598 mm，支持繩間距1 100 mm。根據額定起重量和黃沙的物理特性，首先確定抓斗抓取散貨質量和抓斗自重，從而可得到抓斗容積VF。再按物料比重在表1 ～表3 中分別選取KE、KD和KC，代入前述公式，初步確定斗體部分關鍵尺寸E ≈2 500 mm，C ≈3 000 mm，D ≈3 847 mm，在此范圍內，可微調顎板寬度E，從而相應調整側形長C。然后在確定的尺寸內，根據散貨物理特性查得影響顎板側形的斗體底背角αs、物料堆積角αB、散貨滑移角θ、顎板側背角β，繪制確定抓斗的顎板側形，計算機繪圖軟件中驗證抓斗容積。再依次設計下承梁、撐桿、上承梁等結構，由于抓取物料易切入，抓斗操作較平穩，不易傾倒，單鉸顎板制造簡便，對于下承梁與顎板的鉸接采用了單鉸形式。而撐桿上鉸點之間間距為400 mm，鑒于單齒嚙合式良好的使用性能和效果，以及更加的強度性能，采用了單齒嚙合的撐桿同步器結構。對于閉合繩長度的平衡問題，采用了結構簡單、自重輕的平衡杠桿結構，在抓斗與起重機連接時盡量保持兩根閉合繩長度相近即可。根據直徑為28 mm 的閉合繩，選用井字輥式導繩裝置。另外，整個抓斗的設計還需考慮滑輪組倍率、撐桿長度角度等因素。16 t/6.5 m3黃沙抓斗結構示意圖如圖7 所示，抓斗已投入使用，客戶反饋使用效果良好。

圖7 16t/6.5m3 長撐桿雙顎板黃沙抓斗

3 結論

1）分析總結了抓斗設計中影響抓取性能的斗體顎板部分主要參數計算和選取依據，得出影響抓斗容積的顎板寬度、顎板側形長，和影響抓取性能的最大張開度之間的關系，以及3 個系數的互補關系，可用于指導抓斗關鍵結構尺寸的設計。

2）分析討論了單鉸顎板抓斗和雙鉸顎板抓斗的優缺點，可根據抓斗工況和生產制造條件適當選取。

3）對撐桿上鉸點間約束形式從生產制造難易程度、耗材及強度方面進行了分析和計算，為設計提供參考。

4）討論了常用的兩種閉合繩均衡方式，可根據實際條件進行適當選擇。

5）對閉合繩導繩裝置進行了比較，井字輥和四導輪式兩種結構均存在，推薦根據閉合繩直徑大小進行選擇。

通過一款抓斗的設計實例，驗證了以上結論對于企業抓斗設計的指導意義，可作為抓斗設計流程中重要的參考依據，提高抓斗設計效率和抓斗使用性能。