機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計

李占鋒

(煙臺職業(yè)學院機械工程系，山東煙臺264000)

機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計

李占鋒

(煙臺職業(yè)學院機械工程系，山東煙臺264000)

機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計在水利水電工程建設中極具適用性。該項工作專業(yè)性和技術(shù)性很強，設計過程復雜，對設計單位及人員要求很高。依據(jù)實際工藝背景及設計訴求，全面論述其結(jié)構(gòu)形式、細部結(jié)構(gòu)及脫掛鉤工作原理，提出具體設計方法。同時，明確機械轉(zhuǎn)鉤自動抓梁優(yōu)勢及工藝特點，在水利工程建設中，對其進行全面推廣和應用。

機械轉(zhuǎn)鉤；自動抓梁；水利水電工程

0 引言

水利水電工程中，通過移動式啟閉機啟動或關(guān)閉多孔閘門、多孔攔污柵等。配套自動抓梁使閘門和啟閉設備處于脫掛狀態(tài)，以機械抓梁和液壓抓梁為主。機械抓梁包括重錘式、掛鉤式、荊輪棘爪式等數(shù)十種，其操作及維護過程簡單，相關(guān)技術(shù)及工藝等也便于掌握，以中小型移動啟閉設備為主應用界面。液壓抓梁掛脫鉤準確，而且具備很強的承載力，能夠避免水流或污物干擾，在大中型門機啟閉深孔閘門中應用普遍。在水利水電工程中，對自動抓梁進行實踐應用，尤以機械自如式脫掛鉤和液壓穿銷式抓梁應用最為普遍。

機械自如式脫掛鉤抓梁因難以對掛脫鉤情況進行準確判定，僅能依據(jù)經(jīng)驗、荷載裝置、高度指示器加以判定，事故發(fā)生率較高。不同工況下，其它機械抓梁需人工輔助，以手動方式切換工作裝置。液壓自動抓梁構(gòu)成復雜，涉及到的相關(guān)裝置比較多，造價極高。加之高水頭抓梁要求液壓和機電設備具備防水性，使設備成本增加。

為彌補機械抓梁缺陷，實現(xiàn)成本控制，可選用機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁。其技術(shù)性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，自動化程度高，操作和維護便利，不受水頭干擾，極具應用推廣價值。

1 機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁組成

該裝置主要構(gòu)成元素有梁架、抓梁吊耳和轉(zhuǎn)鉤裝置、導向裝置、定位裝置。導向裝置與閘門具有共性，可細分為主滑塊、側(cè)滑塊和反輪。

1.1 梁架

其實質(zhì)是一種抓梁載體，依托于疊梁閘門、門槽、結(jié)構(gòu)特性設計，以槽鋼、鋼板和加固件為主焊接部件。依據(jù)布置情況，其與起吊荷載無關(guān)，與構(gòu)造要求匹配，具備剛性特點，可根據(jù)平衡和自重要求，在其上部配重。

1.2 抓梁吊耳和轉(zhuǎn)鉤裝置

無論是抓梁吊耳，還是轉(zhuǎn)鉤裝置，設計工作同步進行。其在機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計中極為關(guān)鍵。連接抓梁吊耳和電動葫蘆吊頭，對抓梁起降進行有效控制。轉(zhuǎn)鉤裝置依托于抓梁起落，其受機構(gòu)驅(qū)動，呈現(xiàn)直角轉(zhuǎn)動，與疊梁閘門吊耳板掛脫。主受力構(gòu)件包括抓梁吊耳、轉(zhuǎn)鉤、轉(zhuǎn)動軸。強度核算是該環(huán)節(jié)的重點內(nèi)容[1]。

1.3 抓梁導向裝置

抓梁導向裝置主、側(cè)滑塊和反輪與閘門主、反、側(cè)向，具備相同支撐作用。借助抓梁對閘門進行粗定位。該裝置工作之初，要滿足導向裝置全部入槽就位要求。

1.4 抓梁定位裝置

以喇叭孔形式，對抓梁定位裝置的底板入口進行設置。應用該種設計方法，能夠在導向裝置的鋼管中將閘門定位軸順利導入，與疊梁閘門的銷軸很好的對應；選用圓錐形，對疊梁閘門定位軸實施頂部設計，并在軸徑和定位裝置鋼管孔徑預留一段間隔，確保其不會對抓梁轉(zhuǎn)鉤入疊梁閘門吊槽產(chǎn)生干擾；抓梁下落的同時，閘門中的定位軸和定位裝置也會下降。借助導向裝置，實施粗定位之后，再次精確定位，直至抓梁降落至預定行程，其底板面與閘門腳座頂板接觸以限位，此刻，抓梁轉(zhuǎn)鉤處于下限位。受抓梁自重影響，轉(zhuǎn)動45°后，將觸板焊接在閘門邊梁和抓梁上，用作限位，不僅要承受抓梁總重，也要對相關(guān)強度予以核算[2]。

2 自動轉(zhuǎn)鉤工作原理

經(jīng)操作可知，機械式全自動抓梁核心構(gòu)件是抓梁吊耳和轉(zhuǎn)鉤裝置。要對抓梁工作原理具備清晰的認識和了解，首先要明確自動轉(zhuǎn)鉤構(gòu)造及工作原理。

2.1 抓梁吊耳、轉(zhuǎn)鉤裝置、門葉吊耳構(gòu)造及作用

(1)自動轉(zhuǎn)鉤為主要承重和能動構(gòu)件，其主要構(gòu)成元素包括吊軸、吊鉤、承重螺母。焊接吊鉤和吊軸，使其連接在一起。在閘門吊耳板與橢圓相似的孔中，以直角轉(zhuǎn)動。通過該種方式，將其與閘門上的吊耳板進行掛脫；將驅(qū)動導向槽設置在吊軸上，使其與抓梁固結(jié)的吊軸導向筒上的導輪相互配合，一起工作；固結(jié)吊軸頂端的螺母和螺栓，拉起抓梁時，在抓梁吊耳水平承重板部位掛上螺母；以圓錐形設置吊耳軸底部，尖端為球面。自動轉(zhuǎn)鉤的吊軸、吊鉤和承重螺母是一個整體。當抓梁處于軸向運動狀態(tài)時，其繞軸心轉(zhuǎn)動。

(2)應用正確的方式，連接抓梁吊耳和啟閉機。采用螺栓或焊接方式，使抓梁吊耳和吊軸導向筒等與抓梁的梁架進行固結(jié)。上部兩個滑動軸承，與吊軸接觸，能夠使吊軸在徑向和軸向運動過程中更具精確度。在導向管上設置小輪，數(shù)量為兩個。當?shù)踺S受到軌槽驅(qū)動，繞軸線轉(zhuǎn)動時，予以配合，為后期設計工作奠定良好的基礎，以免出現(xiàn)問題或疏漏，從根本上消除機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計弊端[3]。

(3)將閘門吊耳板孔設置為類橢圓形，當抓梁吊鉤在長徑方向時，能使轉(zhuǎn)鉤自由出入；倘若轉(zhuǎn)至吊鉤的短徑部位，閘門吊耳板會擋住部分吊鉤，使吊鉤無法出吊耳板孔，實現(xiàn)掛鉤。將閘門制動板設置在閘門吊耳板下方，頂住吊軸底部尖端，以免吊軸向下移動。又因自動轉(zhuǎn)鉤會以軸線為中心自由轉(zhuǎn)動，而且，與抓梁主體相比，能軸向移動。因而，轉(zhuǎn)鉤可在抓梁導輪作用下自由轉(zhuǎn)動，抓梁繼續(xù)下移。

2.2 轉(zhuǎn)鉤工作原理

(1)掛鉤。當抓梁移動時，掛鉤也會下移。抓梁數(shù)量為四個。對a抓梁進行設置，最初抓梁吊鉤與橢圓長徑位于相同的方向，吊鉤自由進入閘門吊耳板孔。b抓梁依然向下移動，閘門吊耳孔正下方的閘門制動板由吊軸底部橢圓尖端頂住。該背景下，抓梁吊軸導向管中，導輪的位置也發(fā)生了變化。c抓梁的限制性因素比較多。因為轉(zhuǎn)鉤受閘門制動板阻力和自身重力影響，僅能繞自身軸線轉(zhuǎn)動。因此，抓梁繼續(xù)下移，導輪隨抓梁下移。到達特定位置之后，吊軸槽中導向輪接觸下斜軌道沿，推動吊軸，使其轉(zhuǎn)動。d抓梁依然向下移動，導輪對斜軌進行推動，而轉(zhuǎn)鉤吊軸則處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，直至導輪移動到相應位置。該過程中，其隨抓梁本體向下移動了一段，而轉(zhuǎn)鉤以軸線為中心，受抓梁導向輪影響，呈45°角轉(zhuǎn)動。同時，閘門上定位軸腳座頂板和抓梁上定位裝置上限位地板發(fā)揮作用，抓梁處于極限部位。當閘門處于提起狀態(tài)時，抓梁上的導向輪與吊軸相對，發(fā)生豎直移動，繼而推動吊軸轉(zhuǎn)動至另一位置。該過程中，吊軸共轉(zhuǎn)90°。抓梁吊鉤最初在吊耳的淚橢圓孔長徑方向，現(xiàn)在處于短徑方向，轉(zhuǎn)鉤掛鉤。抓梁豎直位移僅是落到了最底端而已，經(jīng)再次提起之后，以提起狀態(tài)呈現(xiàn)[4]。

(2)脫鉤。與掛鉤原理類似。當某部位抓梁處于掛鉤狀態(tài)，閘門位于最底部，靜止，抓梁仍然往下降落，到達閘門制動板后，將抓梁轉(zhuǎn)鉤吊軸擋住。導向輪經(jīng)下落后，從一位置變動至另一位置，繼續(xù)豎直下落，對吊軸進行推動，使其呈45°角轉(zhuǎn)動；完成上述工作后，導向輪依次向上移動，對轉(zhuǎn)鉤進行推動，使其轉(zhuǎn)動45°角。抓梁落到底部后，將其提起。這個時候轉(zhuǎn)呈直角轉(zhuǎn)動后，脫鉤。無論是處于什么位置和狀態(tài)，意義是相同的。單個掛脫周期是指轉(zhuǎn)鉤轉(zhuǎn)動180°。抓梁的掛或者脫，都是通過其起落實現(xiàn)的，反復循環(huán)之后，自動轉(zhuǎn)鉤掛脫閘門。

閘門轉(zhuǎn)動能源，主要通過抓梁自重進行下落，但是必須借助啟閉機拉力進行吊起。水利水電工程實踐中，該類抓梁應用界面是疊梁檢修閘門抓取。其中，以水下抓取為主。因受水下浮力影響，抓梁在最初出廠時，抓取極為靈活。而當其處于水下工作時，經(jīng)常發(fā)生自重驅(qū)動力不夠的情況。因而，當閘門下落轉(zhuǎn)動不夠流暢時，可嘗試科學增加抓梁配重。通過該種方式，使下落驅(qū)動力增加，加配重時，要對抓梁平衡性進行同步考量，從而順利完成該項工作任務[5]。

2.3 抓梁工作流程

(1)掛門。對抓梁主向、反向、側(cè)向支撐入槽，并進行粗略定位；然后應用定位銷進行精確定位；轉(zhuǎn)鉤進入到吊耳板孔中；用閘門制動板將轉(zhuǎn)鉤擋?。蛔チ豪^續(xù)向下移動，直至符合要求，使吊軸呈45°角轉(zhuǎn)動，抓梁落至下限位；提高抓梁；繼續(xù)使吊軸轉(zhuǎn)動45°；抓梁依然向上移動；掛鉤啟門。

(2)脫門。閘門入槽；對抓梁主向、反向、側(cè)向支撐入槽，并進行粗略定位；移動閘門，使其降落至預定位置；用閘門制動板將轉(zhuǎn)鉤擋住；抓梁繼續(xù)下移轉(zhuǎn)鉤工作行程，使吊軸呈45°轉(zhuǎn)動，抓梁落至下限位；提高抓梁；繼續(xù)使吊軸轉(zhuǎn)動45°；抓梁依然向上移動；閘門脫門。

3 轉(zhuǎn)鉤主要零部件設計

已知機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)原理。轉(zhuǎn)鉤吊軸分為起重和空載旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)。當其處于起重狀態(tài)時，需要明確轉(zhuǎn)鉤各主受力部件強度及剛度；處于空載旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要對導向銷軸強度進行計算復核。各主要零部件要與具體規(guī)范及要求吻合，經(jīng)計算之后，對轉(zhuǎn)鉤設計進行優(yōu)化，使其安全性與經(jīng)濟性兼?zhèn)鋄6]。

3.1 吊軸設計計算

受額定啟閉力影響，起重工況與掛鉤吊軸設計控制工況等同，額定啟門力活載和轉(zhuǎn)鉤自重恒載組合，共同構(gòu)成最大荷載。因吊軸自重與啟閉力數(shù)量級不同，不考量吊軸自重，僅將復核啟門力對吊軸的拉應力作為計算重點。頂部螺栓退刀槽頸部、旋轉(zhuǎn)導向槽中部、吊板開孔截面，都是通過吊軸進行控制，而小面積截面為不利截面。

正應力計算校核公式是σ＝γQ/A min<[σ]。σ表示正應力，σ[]是轉(zhuǎn)軸材料允許應力，γ為活載分項系數(shù)。依據(jù)荷載規(guī)范取值1.2，Q和Amin分別表示額定啟門力和最小截面面積。選擇40Cr優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，作為吊軸，吊鉤板孔下部與吊軸底端部尺寸應超過吊鉤板高度，轉(zhuǎn)鉤吊軸最小截面拉應力不能超過材料的允許應力。

參照相關(guān)規(guī)范，將常規(guī)螺紋最大直徑設定為300mm，按標準螺紋加工吊軸頂部螺栓，科學選擇螺母。螺紋底徑處螺栓面積和其抗拉強度設計值乘積是受拉普通螺栓承載力。通常情況下，螺栓頸部退刀槽處直徑比螺紋底徑小。依據(jù)最不利面積，對吊軸進行復核，螺紋連接承載力與強度要求吻合，不需要二次復核[7]。

3.2 轉(zhuǎn)鉤吊軸吊板設計計算

將吊軸板孔設置在轉(zhuǎn)鉤吊軸下部，既要確保其強度，又要考量轉(zhuǎn)鉤外形美觀度。如圖1所示，轉(zhuǎn)鉤吊板結(jié)構(gòu)。依據(jù)簡支梁復核強度和接觸應力，計算吊板。選用高等級材料，制作轉(zhuǎn)鉤吊軸板，使正應力、剪應力和接觸應力等各指標與相關(guān)規(guī)范吻合。

3.3 導向機構(gòu)設計

將導向槽設置在轉(zhuǎn)鉤吊軸上，導向套筒與抓梁體連接，將導向銷設置在該部位。為使轉(zhuǎn)鉤吊軸在旋轉(zhuǎn)過程中，處于平穩(wěn)轉(zhuǎn)動狀態(tài)，可在小額定啟門力抓梁上，設置雙個導向銷。如果抓梁而定啟門力大，將導向銷數(shù)量確定為四個。倘若導向槽傾斜角比較大，導向銷克服摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的反作用力會比較小。轉(zhuǎn)鉤吊軸角度與其行程呈正相關(guān)。因而，依據(jù)吊軸直徑，設置導向槽傾斜角，以50°－70°為宜。

在具體工況背景下，對最大摩擦力矩進行計算。經(jīng)過該種方法，得出導向銷的水平分力和豎向壓力，參照相關(guān)規(guī)范，對導向銷強度和接觸應力等進行校核，使其與具體設計要求吻合[8]。

4 結(jié)語

綜上所述，機械轉(zhuǎn)鉤式自動抓梁設計過程復雜，專業(yè)性很強，以全自動起重脫掛鉤技術(shù)為主，零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，加工便利。該設備對環(huán)境具備較好的適應性，在啟閉閘門脫掛鉤過程中，極具應用價值，為我國水利水電工程發(fā)展奠定了良好的基礎，能夠節(jié)省工程投資。

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[2] 王鵬，安術(shù)鑫.自動抓梁在水利水電工程中的應用[J].陜西水利，2013(6):98－99.

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責任編輯:程艷艷

Design of M echanical Rotating－h(huán)ook Type Autom atic Grabbing Beam

LIZhanfeng
(Department of Mechanical Engineering，Yantai Vocational College，Yantai 264000，China)

The design ofmechanical rotating－h(huán)ook type automatic grab beam with strong professional and technical characteristics as well as complicated design process in the construction of water conservancy and hydropower project has certain applicability，which has very high requirements on design units and personnel.According to the actual technological background and design requirements，this paper discusses the structural form，detailed structure and working principle of the hook，and puts forward the concrete design method.At the same time，it clarifies the advantages ofmechanical rotating－h(huán)ook and technical characteristics，being worthy of promoting and applying in the construction of hydraulic engineering.

mechanical hook；automatic grabbing beam；water conservancy and hydropower project

TH12

A

1009－3907(2017)06－0008－03

圖1 轉(zhuǎn)鉤吊板結(jié)構(gòu)

2017－04－08

李占鋒(1980－)，男，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事機械工程方面研究。