一種懸臂式檢修平臺的設計

李建檸

一種懸臂式檢修平臺的設計

李建檸

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

車身廠裝焊車間某車型頂蓋生產線提升設備配重系統安裝于二層鋼結構平臺，平臺面積較小，配重系統自身高度較大，日常維保時需支立人字梯輔助作業，檢修作業效率低下，作業風險多。為解決現場維保作業條件困難問題，需為配重系統增設檢修平臺。根據現場工況及作業空間限制，檢修平臺采用懸臂式設計。為避免焊接對配重系統鋼結構產生熱影響，檢修平臺和配重框架采用摩擦副連接。為保證安全性和可靠性，強度校核完畢后，再在現場實施。

固定式工業鋼平臺；檢修平臺；懸臂式設計；強度校核

引言

某設備配重系統主體結構為簡支模型，自身高度3.3 m，兩側立柱為150 mm*150 mm*10 mm方管，橫梁為20#工字鋼。該配重系統安裝于鋼結構平臺，該平臺距離地面約5 m，平臺面積較小，配重立柱距平臺邊緣200 mm。日常維保作業高度均超過3 m，需支立人字梯輔助作業。現場空間狹小，且因電機、減速機、平臺蓋板等機構干涉，支立人字梯困難，造成人員浪費，維修效率低下，安全風險較多。針對這一問題，需在配重系統旁增設固定式鋼結構檢修平臺，改善現場維保作業條件。

1 設計目標

同時承載2人，配合作業。

2 結構設計

受現場二冊鋼平臺面積和配重系統工況限制，檢修平臺主體采用懸臂式設計，整體結構及尺寸如圖1所示：平臺幅面長1 860 mm，寬度700 mm，護欄高度1 200 mm。

圖1 現場工況

為避免在配重立柱上產生焊接熱影響區，檢修平臺和配重系統立柱之間采用U型卡連接，以夾緊力形成摩擦副，代替焊接連接。

3 主梁型材選用

如圖2所示，檢修平臺按照400 kg/m2等效均布荷載設計：

承載面積：0.7×1.86=1.3 m2；

均布載荷：=1.3 m2×400 kg/ m2=520 kg；

最大彎矩：M=520×9.8×0.63=3 210 N?m。

根據既能滿足抗彎截面系數及型材自重最小兩個原則選擇型材：

主梁型材為：80 mm×60 mm×3 mm矩形管（=17.510 cm3、6.129 kg/m）；

橫梁型材：70 mm×50 mm×3 mm矩形管（5.187 kg/m）；

縱向支撐：二分之一60 mm×30 mm×2 mm方管（1.78 kg/m）；

防護欄桿：6分焊管（1.29 kg/m）；

踏板：1860x700x1鐵皮（11.58 kg）；

緊固方式：M16 U型卡。

圖3 檢修平臺基本結構

4 強度校核

根據檢修平臺懸臂式結構設計，檢修平臺4個部位存在安全風險：（1）主梁彎曲變形；（2）橫梁彎曲坍塌；（3）U型卡螺栓連接強度不足，無法產生足夠摩擦力；（4）立柱和二層鋼平臺根部彎曲拉裂。現場觀察發現，立柱根部和二層鋼平臺焊接連接，并且使用250 mm×250 mm支撐筋板進行焊接加固，因此該部位無需強度校核，只需進行前3個部位的強度校核。

4.1 主梁強度校核

可簡化為懸臂梁模型，如圖4所示，進行受力分析：

維修踏臺重量：（1.23 m×2×6.129 kg?m+1.86 m×2×5.187 kg?m+0.65 m×5×1.29 kg?m+11.58 kg）×9.8 N? kg=501.4 N

防護欄桿重量：19.24 m×1.29 kg?m×9.8 N?kg=243.23 N

維修平臺總重：501.4 N+243.23 N=744.63 N

設計載重：1.3m2×400 kg?m2×9.8 N? kg=5 096 N

主梁載荷：744.63 N+5 096 N=5 840.63 N

等效均布載荷：q=5 840.63 N÷0.7 m≈8 344 N? m

圖4 主梁受力簡化

計算主梁內應力，如圖5，畫出剪力圖和彎矩圖：根據平衡條件可知：

由=F?8 344×0.7=0 得：F=5 840.8 N

剪力圖：段：F=F=5 840.8 N

段：F= F?q×(-0.28)

彎矩圖：段：M=M? F?s

圖5 主梁剪力及彎矩圖

由剪力圖和彎矩圖可知，危險截面為A面，使用第三強度理論校核其強度：

通過校核，主梁強度滿足。

4.2 橫梁強度校核

可簡化為懸臂梁模型進行強度校核，如圖6所示：

圖6 橫梁受力簡化

維修平臺總重：745 N

設計載重：5 096 N

橫梁載荷：5 841 N

等效均布載荷q=5 841 N/1.86 m≈3 140 N/m

根據平衡條件：

=F+F?qL=0及F= F

求得：

F=F=q?L/2=3 140×1.86/2=2 920.5 N

計算橫梁內應力，如圖7，畫出剪力圖和彎矩圖：

圖7 橫梁剪力圖和彎矩圖

剪力圖：段：F= F?qs=2 920.5?3 140 s

由剪力圖和彎矩圖可知，危險截面為C面，使用第三強度理論校核其強度。

通過校核，橫梁強度滿足。

4.3 連接強度校核

懸臂式檢修平臺所有載荷均由配重立柱和主梁之間的連接機構承載，因此需該連接副提供的力和力矩分別為：=5 840.63 N；=3 680 N?m，主梁和配重立柱間擯棄焊接方法，使用M16 U型卡和內外壓板將檢修平臺主梁和配重系統豎直立柱壓緊連接，主梁和立柱間夾墊膠皮，當螺栓預緊時，將使主梁和立柱間產生正壓力，形成摩擦副。當主梁承載荷載時，連接機構由摩擦副提供所需力和力矩，如圖8。

圖8 平臺承載示意

接觸面間正壓力計算：

已知：所需彎矩1==3 680 N?m；所需承載正壓力：=5 840.63 N；

接觸面尺寸：150 mm×80 mm；摩擦系數：橡膠與鋼=0.80。

令=0.80=8 474 291.04 Pa

所需正壓力：1==101 691.5 N

提供豎直力所需正壓力：2=5 840.63÷0.8=7 300.8 N

接觸面間所需正壓力為：=1+2=108 992.3 N

U型卡螺栓強度校核：已知：

螺栓規格M16X2.0

螺栓強度等級4.8

材料：45鋼

許用應力[σ]=230 MPa

螺紋小徑1=13.835 mm

接觸面間所需正壓力為：=108 992.3 N

單個螺栓所需正壓力：

F=/4=27 248.08 N

通過校核，U型卡螺栓強度滿足。

圖9 摩擦副受力分析

5 結束語

按照設計，線下制作檢修平臺，固定式鋼結構檢修平臺安裝之后，3人佩戴安全帶登上平臺，現場驗證其強度，平臺和鋼結構連接穩固可靠。現場作業條件改善明顯，減少作業安全隱患，維修效率提高明顯。

[1] 國家安全生產標準化技術委員會.固定式工業鋼平臺:GB4053.3 —2009[S].北京:中國標準出版社,2009-3.

[2] 中華人民共和國勞動部.固定式工業防護欄桿安全技術條件:GB 4053.3—93[S].北京:中國標準出版社,1993.

[3] 聞邦椿.機械設計手冊[M].第6版.機械工業出版社,2017.12.

Design of a Cantilever Type Maintenance Platform

LI Jianning

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In the company's welding workshop, a lifting equipment counterweight system is mounted on the second-story steel platform with a limited space and a larger height.A herringbone ladder always be used during daily maintenance and repairing works. It caused low efficiency of maintenance work and high operational risks. In order to improve on-site working conditions, it is necessary to add an overhaul platform for the counterweight system. According to site conditions and the limited working space, the platform adopts a cantilever design. The maintenance platform is fastened onto the counterweight frame by friction pairs to avoid the thermal effect of welding. Strength check must be done before on-site implementation in order to ensure safety and reliability.

Fixed industrial steel platform; Maintenance platform; Cantilever design; Mechanical stress checking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.045

TB121

A

1671-7988(2021)21-169-04

TB121

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1671-7988(2021)21-169-04

李建檸（1992.11—），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事裝焊車間設備機械維修及管理工作。