趙 東 賈文清

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0 引言

大型起重機(jī)械的吊鉤組由多組滑輪與軸承組成，在實(shí)際運(yùn)行工況中，隨著吊鉤組的上升或下降，其鋼絲繩進(jìn)出滑輪的夾角隨之變化，進(jìn)而產(chǎn)生滑輪與軸承之間的軸向竄動(dòng)。為減少或消除此類竄動(dòng)，當(dāng)前吊鉤組設(shè)計(jì)多采用彈性擋圈用于保持滑輪與軸承之間的相對(duì)位置。隨著起升額定載荷的增大，彈性擋圈尺寸增大，裝配與拆卸難度隨之增大，且內(nèi)側(cè)彈性擋圈出現(xiàn)缺陷后需要解體吊鉤組，維修成本較高。為解決這一生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)滑輪與軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析創(chuàng)新，采用全新機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的起重機(jī)械吊鉤組滑輪保持裝置（以下簡(jiǎn)稱新型保持裝置）來(lái)保持兩者之間的相對(duì)位置，消除彈性擋圈裝配難、更換難的問(wèn)題。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 彈性擋圈的機(jī)械結(jié)構(gòu)

彈性擋圈主要用于軸上（孔內(nèi)）零件或部件的位置固定，其可承受零件或部件竄動(dòng)所產(chǎn)生的軸向力，見(jiàn)圖1。在安裝拆卸彈性擋圈通常使用內(nèi)/外彈簧卡鉗進(jìn)行，因其固有的結(jié)構(gòu)外形，一旦發(fā)生彈性擋圈斷裂，更換拆卸工作異常困難。

圖1 彈性擋圈機(jī)械結(jié)構(gòu)與缺陷示例

1.2 新型保持裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

新型保持裝置（見(jiàn)圖2）是基于滑輪與軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)軸承的配裝溝槽形式與尺寸，及滑輪裝配的尺寸，對(duì)應(yīng)制作兩塊半圓式卡環(huán)抱箍，并在端部設(shè)置螺栓孔，使用螺栓進(jìn)行組合裝配。選用防松型螺栓，按照標(biāo)準(zhǔn)力矩進(jìn)行緊固，另可根據(jù)實(shí)際情況制定相應(yīng)的防松動(dòng)措施。實(shí)現(xiàn)以螺栓緊固的方式替代彈性?shī)A持。

圖2 新型保持裝置示意圖

新型保持裝置為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，保證起重機(jī)關(guān)鍵部件安全運(yùn)行，提供一種新方法、新工藝，其包括滑輪抱箍（包括上、下滑輪抱箍，滑輪抱箍上設(shè)有凸臺(tái)和過(guò)渡導(dǎo)角）和螺栓連接組件（其設(shè)置螺栓、螺母）。

2 新型保持裝置的機(jī)械性能分析

2.1 材料性能對(duì)比

常用彈性擋圈多為標(biāo)準(zhǔn)件，參考GB/T 894—2017《軸用彈性擋圈》和德國(guó)DIN 471標(biāo)準(zhǔn)，彈性擋圈多選用C67S、C75S彈簧鋼制作。新型保持裝置選用成分與之相近65Mn彈簧鋼進(jìn)行制作。

依據(jù)GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)待加工的65Mn板材進(jìn)行熱處理。熱處理淬火溫度為830℃，保溫時(shí)間2 h；回火溫度為540℃，保溫時(shí)間3 h。然后以上述板材為原材料，制作四套新型保持裝置，并從中選取兩套進(jìn)行性能檢驗(yàn)。

受新型保持裝置尺寸限制，實(shí)驗(yàn)測(cè)試沿?fù)跞χ芟蛉》菢?biāo)準(zhǔn)拉伸及沖擊試樣。選取相同內(nèi)徑尺寸的彈性擋圈成品（所購(gòu)試驗(yàn)彈性擋圈標(biāo)準(zhǔn)件加工及熱處理工藝不詳），按照相同方式進(jìn)行取樣（見(jiàn)圖3），對(duì)彈性擋圈與新型保持裝置進(jìn)行材料性能比較。

圖3 取樣部位

新型保持裝置拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，拉伸曲線見(jiàn)圖4所示。結(jié)果表明，新型保持裝置各處拉伸性能基本一致，抗拉強(qiáng)度、延伸率指標(biāo)均滿足GB/T 1222—2016要求（由于取樣尺寸限制，試驗(yàn)所用試樣為非標(biāo)準(zhǔn)試樣，無(wú)法測(cè)量斷面收縮率），新型保持裝置材料屈服強(qiáng)度略低于規(guī)范要求（低5.86%），材料屈強(qiáng)比較低，延伸率指標(biāo)明顯高于規(guī)范要求。

圖4 拉伸曲線

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

新型保持裝置和彈性擋圈相同位置取非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測(cè)量其拉伸性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，彈性擋圈材料數(shù)據(jù)分散性較大，材料強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求；但與新型保持裝置選材相比，其材料延伸率較低，屈強(qiáng)比較高，表明新型保持裝置選材有著比彈性擋圈更為良好的韌性。

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，測(cè)量結(jié)果表明，新型保持裝置選材在熱處理后不同位置處沖擊性能基本一致，沖擊功遠(yuǎn)高于彈性擋圈（以平均值計(jì)算，沖擊功分別高于原失效擋圈6.4倍，高于原擋圈備件4.4倍），表明其韌性遠(yuǎn)好于彈性擋圈。新型保持裝置的選材在熱處理后，其斷裂韌性明顯優(yōu)于彈性擋圈。

表2 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

與新型保持裝置相比，彈性擋圈材料韌性較差，且性能數(shù)據(jù)分散性較大，不同位置材料性能分布不均。新型保持裝置選材可明顯提升抗斷裂的性能；在保證材料具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，新型保持裝置選材的韌性得到大大提高，可以有效降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，新型保持裝置在選用與彈性擋圈常用材料成分相近的材料時(shí)，熱處理后新型保持裝置不同位置處沖擊性能基本一致，沖擊功分別高于彈性擋圈4.4倍，表明其韌性遠(yuǎn)好于彈性擋圈材料。熱處理后新型保持裝置不同位置處拉伸性能基本一致，抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率指標(biāo)均滿足GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》要求，屈服強(qiáng)度略低于規(guī)范要求。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)承載性能對(duì)比

基于Ansys有限元軟件，按照相同內(nèi)徑尺寸分別建立新型保持裝置和彈性擋圈的有限元模型，并建議相應(yīng)的待溝槽軸有限元模型?？紤]到模型的對(duì)稱性，只建立了1/2的彈簧擋圈模型，見(jiàn)圖5。

圖5 有限元模型

采用的Ansys分析單元類型為Solid 185，在彈簧擋圈和軸承接觸面處細(xì)化單元網(wǎng)格。有限元分析的邊界條件如圖6所示。

圖6 力學(xué)分析邊界條件

1)在新型保持裝置和彈性擋圈外側(cè)面（露出軸承的面）施加均勻壓力載荷P； 2)新型保持裝置和彈性擋圈與軸承溝槽接觸面之間定義面面接觸； 3)約束軸承端面的位移。

新型保持裝置和彈性擋圈計(jì)算結(jié)果如圖7所示。分析結(jié)果表明，新型保持裝置力學(xué)響應(yīng)性能數(shù)值分析結(jié)果優(yōu)于彈性擋圈，在同樣的10 MPa橫向載荷作用下，結(jié)構(gòu)的最大集中應(yīng)力可降低33%左右（彈性擋圈的最大應(yīng)力為500 MPa，新型保持裝置的最大應(yīng)力為333 MPa），新型保持裝置能夠有效抑制彎曲變形，降低應(yīng)力集中。

圖7 應(yīng)力云圖

3 總結(jié)

新型保持裝置可利用簡(jiǎn)單的機(jī)械加工完成制作，且選材不必局限于彈簧鋼，可選用多種類型的鋼材。其結(jié)構(gòu)形式提升了安裝與更換時(shí)的便捷性，并能提供更高的抗剪切強(qiáng)度；通過(guò)螺栓力矩緊固，可對(duì)夾持力度進(jìn)行量化管理。

新型保持裝置設(shè)計(jì)巧妙合理，能夠在避免解體起升機(jī)構(gòu)吊鉤組的情況下對(duì)吊鉤組進(jìn)行部件替代更換，降低維修成本和工期，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理選材，顯著提高了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)部件的承載力，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。且可在起重機(jī)械吊鉤組初始設(shè)計(jì)中應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景，推廣價(jià)值較高。