周博士考察拾零（一百三十三）日光溫室中卷二連桿卷簾機連桿底座的形式

周長吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125）

中卷二連桿卷簾機是日光溫室最常用的外保溫被卷簾機之一[1]。其中，二連桿是支撐和導引電機減速機的重要結構構件，其一端連接電機減速機，隨電機減速機和保溫被及其卷軸同步運動，是二連桿的活動端；另一端則固定在地面或屋面的連桿底座上，形成二連桿的固定端。為適應電機減速機在運動過程中位移的不斷變化，同時要保證連桿結構在運行平面內(nèi)的平穩(wěn)運行，在桿件連接中，二連桿與底座的連接以及二連桿兩根桿之間的連接均采用鉸接的方式，而與電機減速機之間的連接端則采用固結連接。

二連桿之間的鉸接以及二連桿與電機減速機之間的固結連接方式變化不大，其中，二連桿與電機減速機之間固結連接的方式大都采用焊接，而二連桿兩根桿件之間的鉸接連接則主要采用栓接，但二連桿在固定端的鉸接連接方式在工程實踐中卻有多種形式。本文總結梳理了工程中常用的幾種鉸接方式，可供工程設計中研究和應用。

按照連桿與底座連接方式不同，可將連接底座大體分為單鉸直連底座和連桿放腳底座兩種，每種底座在生產(chǎn)實踐中工程做法不同。

單鉸直連底座

所謂單鉸直連底座，就是用一根銷釘（單鉸）將二連桿的下端桿直接栓接在底座上，銷釘既是連桿下端桿與底座的連接件，也是二連桿隨電機減速機運動的轉軸。底座固定在基礎上，形成連桿的不動支座，連桿下端桿則通過轉軸轉動，形成二連桿中部節(jié)點的圓周運動軌跡，帶動二連桿的上端桿下端沿相同的圓周軌跡運動，從而調(diào)節(jié)二連桿固定端與活動端之間的直線距離以滿足電機減速機運動過程中對支撐連桿活動端位移變化的需求。

工程實踐中連桿與底座的連接形式有2 種：一種是Π 形底座，連桿直接插入Π 形底座的雙支夾縫，銷釘貫穿雙支夾板與連桿（圖1a）；另一種是T 形底座，在連桿的端部焊接Π 形夾板，將底座的T 形單支板插入連桿端部的Π 形雙支夾縫，用銷釘貫穿連桿端部Π 形夾板的雙支板和底座的T 形單支板（圖1b，圖2）。底座固定在基礎上，形成連桿的不動支座。其共同特點就是“雙支夾單支”，銷釘貫穿“三支”。不同之處僅在于“單支”和“雙支”的上下位置有區(qū)別。

圖1 單鉸直連底座的結構形式

圖2 單鉸T 形底座

從圖2 的T 形底座實際工程應用看，無論是連桿端部的Π 形雙支板還是底座的T 形單支板，在連桿運動平面外的剛度與連桿管材的剛度相比都相差甚遠，而且這些板件都未經(jīng)表面防腐處理，長期運行銹蝕嚴重，工程隱患較大。此外，在連桿的端部焊接Π 形雙支板比在底座上焊接雙支板要費工。因此，在工程實踐中，大量應用的單鉸直連底座是Π 形底座。

連桿與Π 形底座的連接方式有2 種：一種是將連桿的端部壓扁后插入Π 形底座的雙支板內(nèi)，用銷釘貫穿底座雙支板和連桿端部壓扁部位（圖3a）；另一種是將連桿原樣不動地插入Π形底座的雙支板內(nèi)，用銷釘貫穿底座雙支板和連桿端部（圖3b）。將連桿端部壓扁的做法可減小底座的尺寸，工程實踐中可將Π 形底座直接焊接在鋼管端部，鋼管按照樁基的做法直接打入地基，由此使基礎的做法得到簡化（圖3a），而將連桿原樣不動地插入Π 形底座雙支板內(nèi)的做法不削弱連桿的結構強度，而且也節(jié)省一道壓扁端頭的加工程序。

圖3 單鉸Π 形底座與基礎的連接

工程實踐中，Π 形底座與基礎的連接方式除了上述鋼樁基礎外，一般有2 種連接方式。一種是在底座的底板焊接鋼筋，將底座預埋在基礎內(nèi)，表面露出夾持連桿的雙支板（圖3b），這種做法底座的位置在土建施工過程中已經(jīng)確定，卷簾機安裝過程中無法調(diào)整位置，但底座與基礎的連接牢固、可靠；另一種是在基礎表面預埋平板埋件，將Π 形底座的底板焊接在基礎預埋板上（圖3c），這種做法在卷簾機安裝過程中可根據(jù)需要微調(diào)底座的位置，便于卷簾機的精準定位和安裝，但基礎埋件和Π 形底座的用鋼量較大，底座底板與埋件的焊接質(zhì)量及其表面防腐都受施工質(zhì)量的影響較大。

連桿放腳底座

連桿放腳底座就是在連桿的端部垂直連桿運動平面焊接一根直徑和連桿相同、長度約1.0 m的鋼管，稱為連桿放腳。該放腳既是連桿的轉軸，又是連桿的端部支撐，還可平衡連桿在運動平面外的扭曲彎矩。相比單鉸直連底座，不僅連接強度大大提高，而且還能抵抗連桿平面外的變形，對提高卷簾機的平穩(wěn)運行具有良好的作用。因此，這種底座在工程實踐中得到大量應用。

連桿放腳既是轉軸，也是連桿的固定點，也就是說，放腳轉軸只能轉動但不能平面位移。所以固定轉軸位置并保證其靈活轉動是工程設計中主要解決的問題。工程設計師和民間工匠們在解決這一問題的過程中也創(chuàng)新提出了多種工程做法。

最簡單的做法是將放腳直接放置在地面上（圖4）。在相對堅硬的自然土壤地面上（或對自然土壤進行表面夯實），放腳轉軸可自由轉動，地面土壤既是轉軸的支撐，同時也不約束轉軸轉動，固定轉軸不再需要增設基礎，是一種最經(jīng)濟的做法。但這種做法由于連桿在運行過程中會對轉軸形成推力，如果土壤比較松軟（尤其是降雨后支撐轉軸的土壤可能會吸水變松或發(fā)生大范圍蠕變），對轉軸完全不限位的固定方法（圖4a）可能會由于該推力使轉軸發(fā)生沿卷簾機運動方向向外的位移，造成保溫被卷放位置不到位或連桿內(nèi)力發(fā)生變化，為此，簡單的做法是在轉軸的外側單側（圖4b）或雙側（圖4c）用鋼筋或鋼管設置轉軸在連桿運動平面方向限制位移的擋桿。這種做法投資低、安裝方便，可在卷簾機安裝定位后再最后錨釬鋼筋（鋼管）限位擋桿固定轉軸，但這種做法只能限定連桿端部在卷簾機運動平面內(nèi)的位移，卻不能阻擋連桿端部在卷簾機運動平面外的位移（盡管這種位移量在卷簾機平穩(wěn)運行時不會發(fā)生或者發(fā)生量較小，但在保溫被卷放過程中如出現(xiàn)卷軸變形，則這種位移將不可避免）。此外，轉軸直接坐落在地面土壤表面，受土壤水分和鹽分的侵蝕比較嚴重，對轉軸的表面防腐要求也較高。從圖4a 和圖4b 看，放腳轉軸都發(fā)生了大面積腐蝕，但如果在自然土壤地面上鋪磚或對土壤表面進行局部混凝土罩面，將放腳轉軸脫離地面自然土壤，可有效減輕管材的表面腐蝕（圖4c）。

圖4 直接落地式連桿放腳底座及其固定方式

第二種做法是用套管外套在放腳轉軸的兩端并將轉軸架離地面（圖5）。這種做法徹底消除了轉軸與地面自然土壤接觸可能造成材料表面由于接觸土壤鹽分和水分而發(fā)生腐蝕的問題，是一種提高卷簾機連桿底座使用壽命更有效的方法。

在轉軸上加裝外套管后，轉軸在套管內(nèi)同軸旋轉，可保證轉軸的自由旋轉，但要固定轉軸的平面位移，套管則需要配套基礎固定，而且由于轉軸在套管內(nèi)轉動和位移的摩擦阻力較地面土壤小很多，為了避免轉軸在套管內(nèi)徑向位移，還需要在套管端頭或轉軸端頭增設堵頭，為此，工程實踐中也派生出多種做法。

從套管的固定基礎看，有鋼管樁基（圖5a、圖5c）和鋼筋混凝土獨立基礎（圖5b）之分，其共同的特點是每個套管下配置各自獨立的基礎，套管與樁基或基礎埋件采用焊接連接，保證套管與基礎的可靠連接。由于套管安裝在轉軸的兩端，所以每根轉軸需要配套2 個獨立基礎。為保證連桿在運行過程中不發(fā)生偏移，兩個轉軸套管固定基礎的頂面標高必須保持水平一致，施工中不得出現(xiàn)相對高差。

圖5 鋼管套管式連桿放腳底座及其固定方式

從防止轉軸在套管內(nèi)徑向位移的限位方式看，有在轉軸端頭設封堵的（圖5a、圖5b），也有在套管端頭設封堵的（圖5c）。在轉軸端頭設封堵的辦法可以是焊接鋼筋（圖5a），也可以是焊接鋼板（圖5b），只要封堵件的外緣超出套管的外徑保證轉軸不會從套管內(nèi)捅出即可；封堵件可以只在轉軸的一端設置，也可以在轉軸的兩端都設置，為保證安全最好在轉軸兩端都設置封堵，或者應加長未焊接封堵端轉軸伸出套管的長度。在套管端頭設封堵的方法就是直接在套管的外端焊接鋼板，將套管的端口封死（圖5c）。顯然，轉軸端頭設封堵時，轉軸的長度應大于兩套管外緣之間的距離；套管端頭設封堵時，轉軸的長度應小于兩套管外緣之間的距離。一般轉軸從套管內(nèi)伸出或縮進的長度應控制在套管長度的1/3～2/3，而套管的長度應控制在轉軸直徑的2～3 倍。

固定轉軸的第三種做法是采用U 形抱箍（圖6a）。這種做法兼取了轉軸直接落地和套管限位轉軸兩種方式的優(yōu)點，轉軸直接落地不需要做底座基礎，用鋼筋做U 形抱箍較鋼管套管節(jié)省投資，方便安裝，但轉軸落地與地面土壤接觸鋼管表面腐蝕的弊端猶存。固定U 形抱箍的方式，一種是加長抱箍的雙支，將其釬錨在地基中（插入土壤深度一般在500 mm 以上）；另一種是和轉軸套管的固定形式一樣采用獨立基礎，將抱箍的雙支插入基礎并在基礎內(nèi)設彎鉤或焊接在鋼筋混凝土基礎內(nèi)部的主筋或箍筋上，鋼筋混凝土基礎的埋深一般也應超過500 mm，視基礎截面大小和地基的承載力而定。

圖6 其他形式連桿放腳底座及其固定方式

第四種固定放腳轉軸的做法是在轉軸內(nèi)插入內(nèi)插管，轉軸繞內(nèi)插管轉動（圖6b）。這種做法由于內(nèi)插管貫通轉軸，對轉軸在卷簾機運行平面外連桿的變形約束更強，同時為了約束轉軸在垂直卷簾機運行方向的位移，如同轉軸外套管設置限位一樣，需要在內(nèi)插管伸出轉軸的兩端設置轉軸的限位。所不同的是由于還要對內(nèi)插管進行固定，所以內(nèi)插管必須伸出轉軸兩端以便有空間安裝其固定基礎，由此，外套管中使用的在轉軸和套管端頭焊接封堵的做法在這里將無法實施。工程實踐中，一種方法是如外套管一樣，在內(nèi)插管的兩個伸出端設置獨立的基礎，在內(nèi)插管靠近轉軸兩端的位置外套套管或焊接鋼筋環(huán)、短鋼筋等做轉軸的限位；另一種做法是在內(nèi)插管的兩端直接焊接直徑與轉軸相同的鋼管，并將該外伸鋼管固定到基礎即可。前一種做法比較適合連桿固定點設置在地面的情況，而后一種做法則更適合用于連桿固定端設置在溫室屋脊的情況（圖6c）。

底座設計和安裝中的注意事項

底座是卷簾機連桿的重要結構部分，其作用是在保證連桿平穩(wěn)運行的前提下，不發(fā)生底座自身在三維方向的變形或位移。為此，在底座設計中首先要保證底座的強度。

對于單鉸直連底座，不論是Π 形底座還是T形底座，或是從連桿端部焊接的Π 形雙支，要保證其結構強度，各支板的寬厚比必須保持在一定范圍，使用鋼板不得過薄，在保證連桿可轉動的范圍內(nèi)應盡量減小支板的長度。

對于放腳轉軸底座，要保證連桿不發(fā)生運行平面外的變形或偏移，放腳轉軸的長度應適當加長。對于跨度較大的溫室，由于連桿的長度較長，側向偏移的風險較大，為平衡連桿的側向偏移彎矩，放腳轉軸的長度應適當加長。在這種情況下如果連桿與放腳轉軸直接連接，連接節(jié)點承受的彎矩將更大，可能會造成連接節(jié)點的扭曲變形或斷裂。為此，在工程實踐中可在連桿和放腳轉軸上設置加強支撐桿來減小連桿與放腳轉軸節(jié)點的內(nèi)力。加強支撐桿的做法是在連桿與放腳轉軸平面內(nèi)，連桿兩側設置與放腳轉軸連接的傾斜支撐（圖7），斜支撐與連桿和放腳轉軸呈45°左右角度，支撐的管徑可采用與連桿相同規(guī)格。

圖7 加強放腳的做法

在保證底座強度的條件下，要保證連桿平穩(wěn)運行，還需要保證連桿轉軸轉動靈活，不得出現(xiàn)卡殼或過大的摩擦，這是減小運行阻力的基本要求。

對直連底座，連桿與底座連接的間隙不能過大，銷釘與連桿及底座連接的間隙也不能過大，否則可能會發(fā)生連桿在運行平面外的偏移（圖8a、圖8b）。對于放腳轉軸底座，套管與轉軸的間隙要適中，不得過緊或過松，轉軸兩端套管與基礎連接應牢固、可靠，兩個套管的基礎頂面標高應相同一致。

圖8 底座與連桿設計和安裝中的失敗案例

此外，底座的安裝位置要適宜，不得距離溫室基礎過遠或過近。過遠了，連桿的長度要求長，在相同動力驅動時，要求連桿的剛度大，材料用量增大；過近了，連桿在運行過程中下端桿可能會碰到溫室屋面，造成卷簾機無法正常運行。設計中事先要對底座的位置進行準確定位，避免底座施工完后連桿無法安裝的問題（圖8c）。