吊環(huán)螺釘?shù)膹?qiáng)度校核及正確使用

李瑞敏，張健，李安國

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110142)

機(jī)加工車間和庫房中常用如圖1所示的吊環(huán)螺釘起吊重物，它的使用非常方便，但若使用不當(dāng)，將存在嚴(yán)重的安全隱患。下面就其在不同使用方式下的受力情況進(jìn)行分析，以說明其正確使用的重要性。

圖1 吊環(huán)螺釘

1 吊環(huán)螺釘強(qiáng)度的校核方法

無論如何使用吊環(huán)螺釘，吊環(huán)所受的繩索拉力均可以分解成平行于吊環(huán)支承面的切向力Ft和垂直于吊環(huán)支承面的法向力Fn，如圖2(a)所示。

圖2 吊環(huán)螺釘受力分析

分析吊環(huán)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)易知螺桿與支承面交接處是其薄弱部位，此處受力情況如圖2(b)所示，其中點(diǎn)P 為危險(xiǎn)點(diǎn)。為使計(jì)算更趨安全，假設(shè)吊裝過程中支承面沒有與物體很好貼合，由Ft產(chǎn)生的彎矩Mt=H·Ft完全由螺桿與支承交截面承擔(dān)，則知Mt在點(diǎn)P 產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力，其中d為該橫截面的直徑［1－2］。分析易知危險(xiǎn)點(diǎn)P 處于如圖2(c)所示的平面應(yīng)力狀態(tài)。其中:

一般車間用起重機(jī)吊裝過程平穩(wěn)，動(dòng)載系數(shù)φ較小(在1 ～2 之間)［3－6］，所以此處作者采用古典靜載強(qiáng)度理論對吊環(huán)螺釘?shù)那?qiáng)度進(jìn)行校核。吊環(huán)螺釘?shù)牟牧蠟?0 號或25 號低碳鋼［7］，所以選用第三或第四強(qiáng)度理論［1］。由圖2所示的平面應(yīng)力狀態(tài)，可推得三向主應(yīng)力為:

繼而得到該應(yīng)力狀態(tài)下第三及第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件公式分別為:

為安全起見，選用第三強(qiáng)度理論對吊環(huán)螺釘進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核。由式(6)可見切應(yīng)力τ 要比正應(yīng)力σ 對吊環(huán)螺釘屈服強(qiáng)度的影響大得多，或者說切向力Ft要比法向力Fn對吊環(huán)螺釘使用的安全性影響大得多，所以在吊環(huán)螺釘使用過程中，要盡量避免產(chǎn)生太大的切向力Ft。

2 國標(biāo)規(guī)定的使用方法及受力分析

GB 825-88 中只列出了單螺釘起吊和雙螺釘起吊兩種使用方式，如圖3所示。并給出了這兩種起吊方式下平穩(wěn)起吊時(shí)的最大起吊重力。附錄中還規(guī)定了:(1)給出的最大起吊重力值僅適用于將吊環(huán)螺釘安裝于鋼、鑄鋼或灰鑄鐵件的情況;(2)吊環(huán)螺釘必須旋進(jìn)至使支承面緊密貼合，但不準(zhǔn)使用工具扳緊;(3)不允許有垂直于吊環(huán)平面的載荷;(4)雙螺釘起吊時(shí)，應(yīng)保證兩支承面在同一平面內(nèi);(5)鋼纜繩的夾角不應(yīng)大于90°五項(xiàng)吊裝要求［7－8］。

圖3 吊環(huán)螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)使用方式

易知如圖3(a)所示單螺釘起吊時(shí)Fnmax= φG，F(xiàn)tmax=0;如圖3(b)所示雙螺釘起吊時(shí)，其中G 為物體重力，φ 為動(dòng)載系數(shù)。

3 典型的不當(dāng)使用方法及受力分析

3.1 不當(dāng)?shù)氖褂梅椒ㄒ患笆芰Ψ治?/h3>

若吊裝螺孔位置預(yù)留不當(dāng)，使得吊裝過程中物體重心嚴(yán)重偏離吊環(huán)平面，以雙螺釘?shù)跹b為例，起吊以后的懸掛狀態(tài)將如圖4(a)所示。其受力情況如圖4(b)所示，圖中虛線所示平面為水平面，實(shí)線所示平面是此種吊裝方式下的吊環(huán)支承面，此二面夾角為α，吊索與吊環(huán)支承面間的夾角為γ。圖中3 個(gè)角度α、β、γ 存在關(guān)系:sinβcosα=sinγ。

圖4 不當(dāng)?shù)氖褂梅绞揭患笆芰η闆r

由式(8)及式(9)可知:若這樣吊裝，與國標(biāo)規(guī)定的雙螺釘?shù)跹b方式相比，法向力Fnmax雖有所降低，但切向力Ftmax卻增大了，由第1 節(jié)所得的結(jié)論可知，這樣吊裝安全性有所下降，并且α 越大，安全系數(shù)越低。具體地是否安全，可以將Fnmax及Ftmax分別代入式(1)和式(2)，然后將所得結(jié)果σ 和τ 代入式(6)校驗(yàn)吊環(huán)螺釘?shù)那?qiáng)度可知，不過應(yīng)盡量避免這樣使用。

3.2 不當(dāng)?shù)氖褂梅椒ǘ笆芰Ψ治?/h3>

若采用如圖5(a)所示的方法進(jìn)行吊裝，每個(gè)吊環(huán)螺釘?shù)氖芰η闆r如圖5(b)所示。繩中的拉力，則有:

圖5 不當(dāng)?shù)氖褂梅绞蕉笆芰η闆r

可見，若這樣吊裝，與國標(biāo)規(guī)定的雙螺釘?shù)跹b方式相比，法向力一樣，但切向力變?yōu)楸叮傻? 節(jié)所得的結(jié)論可知，這樣吊裝安全性大大下降。具體地是否安全，可以將Fnmax及Ftmax分別代入式(1)和式(2)，然后將所得結(jié)果σ 和τ 代入式(6)校驗(yàn)吊環(huán)螺釘?shù)那?qiáng)度可知，不過應(yīng)杜絕這樣使用。

4 結(jié)論

(1)可以利用第三強(qiáng)度理論對吊環(huán)螺釘進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核，由強(qiáng)度條件公式可知切向力Ft要比法向力Fn對其使用安全性影響大得多，所以在吊環(huán)使用過程中，要盡量避免產(chǎn)生太大的切向力Ft;

(2)應(yīng)盡量避免因吊裝螺孔位置預(yù)留不當(dāng)而使物體重心嚴(yán)重偏離吊環(huán)平面(如圖4(a))的吊裝方式;

(3)應(yīng)杜絕采用一根繩索穿過兩吊環(huán)螺釘環(huán)孔起吊重物(如圖5(a))的吊裝方式。

【1】張少實(shí).新編材料力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:116，159.

【2】濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2001:69－76.

【3】國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 3811-83 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1983.

【4】胡宗武，閻以誦.起重機(jī)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988:43－47.

【5】張玉琴，馮山嶺，張淑紅.橋式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型與仿真計(jì)算［J］.重型機(jī)械科技，2005(3):1－4，43.

【6】高繼勇，王金諾，來新民.橋式起重機(jī)動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，1994(6):13－17，30.

【7】中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.GB 825-88 吊環(huán)螺釘［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

【8】張洪戰(zhàn).吊環(huán)螺釘?shù)氖芰Ψ治黾斑x型使用［J］.移動(dòng)電源與車輛，1995(2):39－43.