起重永磁吊具拉脫力測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)*

周 洲 鄧 冉 韓 路 周 峰 魏汝路

1江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 徐州 221000 2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 徐州 221116

0 引言

目前，冶金、機(jī)械制造、造船等行業(yè)所用的起重機(jī)在吊運(yùn)鋼板等鐵磁性物件時(shí)，普遍采用電磁吊具和永磁吊具。和電磁吊具相比，永磁吊具具有能耗低、無(wú)需安裝、維修量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在中小型企業(yè)中應(yīng)用更為廣泛。

近年來(lái)，由于永磁吊具吸脫力不足、零部件故障而引發(fā)的起重機(jī)事故時(shí)有發(fā)生。例如2022年，某公司裝配作業(yè)車間在進(jìn)行裝焊作業(yè)時(shí)，凸緣工件從永磁吊具上脫離，造成作業(yè)人員死亡；2018年，某公司線材廠成品作業(yè)區(qū)起重機(jī)司機(jī)操縱橋式起重機(jī)調(diào)運(yùn)成品線卷時(shí)，磁性吊具東端線卷脫落后從垛堆上滾落到地面，造成地面人員傷亡。這2起事故的直接原因是：在吊裝作業(yè)時(shí)，永磁吊具與被吊物部分接觸，與其他部分不能充分接觸而形成空隙，造成磁性吊具吸力不夠，致使被吊物體脫落。

某磁力檢測(cè)中心2013年～2014年對(duì)部分著名企業(yè)永磁吊具安全性能抽檢情況顯示[1]，永磁吊具的安全性能合格率只有4.7%，實(shí)測(cè)吸力低于額定標(biāo)稱值一半的竟然有21.4%?，F(xiàn)行的法定檢驗(yàn)規(guī)則[2，3]雖將不可分的電磁吸盤(pán)等磁力起重裝置納入了檢驗(yàn)范圍，但由于缺乏專業(yè)的檢驗(yàn)儀器，檢驗(yàn)人員難以對(duì)其拉脫力進(jìn)行測(cè)試，永磁吊具隱形超載現(xiàn)象十分普遍，存在極大的安全隱患。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種適用于額定起重量為3 000 kg及以下的起重永磁吊具的性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，可有效解決目前起重機(jī)械定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)項(xiàng)目操作性和實(shí)用性較差的技術(shù)難題。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 在用永磁吊具統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)某市部分機(jī)械加工制造企業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，16家企業(yè)使用永磁吊具合計(jì)859套，其中使用最多的是600 kg和1 000 kg 2種類型，分別占到統(tǒng)計(jì)總數(shù)的36.8%和31.3%；2 000 kg、3 000 kg分別占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的8.0%、5.7%；5 000 kg的使用較少，僅占0.9%；具體數(shù)量和比例如表1所示。

表1 部分企業(yè)永磁吊具調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

調(diào)查結(jié)果還顯示，企業(yè)使用的1 000 kg及以下永磁吊具一般為手動(dòng)式；2 000 kg及以上一般使用自動(dòng)式，部分使用電磁吸盤(pán)或采用其他方式。

1.2 永磁吊具尺寸規(guī)格

根據(jù)對(duì)20多家永磁吊具制造企業(yè)生產(chǎn)的2 000 kg和3 000 kg永磁吊具的規(guī)格尺寸調(diào)研，2 000 kg永磁吊具最大規(guī)格尺寸為長(zhǎng)780 mm、寬540 mm、高110 mm，3 000 kg永磁吊具最大規(guī)格尺寸為長(zhǎng)890 mm、寬456 mm、高124 mm。

調(diào)研結(jié)果還顯示，永磁吊具制造企業(yè)在官方網(wǎng)站標(biāo)明的最大拉脫力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，一般為額定起重量的3倍。由于上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為推薦標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不少企業(yè)在銷售最大拉脫力為額定起重量2倍的產(chǎn)品。

1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)對(duì)某市部分機(jī)械加工制造企業(yè)使用的永磁吊具調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果和制造企業(yè)生產(chǎn)的2 000 kg和3 000 kg永磁吊具的規(guī)格尺寸，本文研究一種適用于3 000 kg及以下永磁吊具性能的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)，基本滿足在用起重機(jī)永磁吊具的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10734—2007《起重永磁鐵》[4]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求，起重永磁拉力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

1）加載能力 按照永磁吊具最大拉脫力不應(yīng)小于額定起重量3倍的要求，即對(duì)于3 000 kg永磁吊具，試驗(yàn)臺(tái)的加載能力需要達(dá)到9 000 kg以上。

2）尺寸要求 試驗(yàn)臺(tái)至少能夠容納規(guī)格為900 mm×550mm×130mm（長(zhǎng)×寬×高）的永磁吊具。

3）移動(dòng)性 為保證在使用現(xiàn)場(chǎng)便于移動(dòng)，同時(shí)為了使永磁吊具便于放置在試件板上，提高測(cè)試效率，整體結(jié)構(gòu)須具備一定的移動(dòng)能力。

2 測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)

以某額定起重量3 000 kg、規(guī)格尺寸為長(zhǎng)890 mm、寬456 mm、高124 mm的永磁吊具為測(cè)試對(duì)象，據(jù)此設(shè)計(jì)的永磁吊具拉脫力測(cè)試臺(tái)（見(jiàn)圖1）主要由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。其工作原理為采用液壓缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，絲杠約束試件板位置，起重永磁吊具隨液壓缸上升直到永磁鐵從試件板拉脫，拉脫瞬間測(cè)力傳感器讀取的值即為拉脫力。

圖1 裝置設(shè)計(jì)圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括：龍門(mén)支架、絲杠、測(cè)試板以及腳輪組等組成。根據(jù)承載能力要求，選擇200 mm×100 mm×8 mm矩形鋼為支架主體。考慮移動(dòng)性和永磁吊具方便落位，框架底部設(shè)計(jì)為U形。根據(jù)所測(cè)永磁吊具尺寸，底部橫梁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為920 mm，框架底部整體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 700 mm；考慮測(cè)試裝置室內(nèi)使用，整體高度設(shè)計(jì)為2 000 mm，整個(gè)支架由矩形鋼焊接而成，設(shè)計(jì)各個(gè)邊角處加肋板固定，由于頂部橫梁受到液壓缸集中力的作用，采用矩形鋼疊加方式以增大截面承受力。

根據(jù)龍門(mén)支架三維建模質(zhì)量屬性以及查閱永磁吊具的最大質(zhì)量，選擇4個(gè)6寸腳輪，2個(gè)萬(wàn)向輪加2個(gè)定向輪構(gòu)成腳輪組，總計(jì)承重為1 200 kg，能滿足結(jié)構(gòu)及吊具承載要求。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)需進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算和仿真分析以驗(yàn)證其符合性。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件為單個(gè)液壓缸；液壓缸行程為200 mm，能滿足加載行程要求，液壓系統(tǒng)可提供最高100 kN輸出力，能滿足加載驅(qū)動(dòng)力要求。

液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為液壓系統(tǒng)提供壓力油源，液壓油經(jīng)過(guò)濾油器1進(jìn)入液壓泵2，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)三位四通電磁換向閥6，YA1得電，閥芯換向至右位，使得液壓油經(jīng)節(jié)流閥7進(jìn)入液壓缸8，液壓缸提升起重永磁鐵，直至拉脫后，液壓油經(jīng)三位四通電磁換向閥6右位回到油箱。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由PLC作為核心控制元件，配備小型觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示拉力測(cè)試裝置工作狀態(tài)、拉力大小，通過(guò)觸屏操作可直接完成整個(gè)拉脫力測(cè)試，并調(diào)取拉力測(cè)試歷史數(shù)據(jù)。

查閱資料得知S形拉力傳感器適用于指定的規(guī)范稱量系統(tǒng)，尤其適用于一些要求精度高的工業(yè)稱量系統(tǒng)。其高度可靠性及密封設(shè)計(jì)能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定的工作。因此，本設(shè)計(jì)選用S形拉力傳感器進(jìn)行拉力測(cè)試，型號(hào)為T(mén)JL-4。由于該傳感器的輸出信號(hào)為0～20 mA電流，而所選用PLC自帶模擬量輸入只能接受0～10 V電壓信號(hào)，故需要增加一個(gè)放大器或PLC模擬量輸入模塊讀取拉力值。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，最終選用了與該S形拉力傳感器配套的放大器，型號(hào)為T(mén)B3K。該放大器需24 V電源，能將傳感器0～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號(hào)，且能為傳感器供電。

3 機(jī)械系統(tǒng)受力分析

3.1 仿真分析

常規(guī)理論計(jì)算校核測(cè)試臺(tái)強(qiáng)度滿足需要，但計(jì)算過(guò)程中忽略了許多條件，如肋板對(duì)頂梁支持作用、絲杠螺母實(shí)際受力為從中心向外發(fā)散。針對(duì)實(shí)際分析，為準(zhǔn)確進(jìn)行強(qiáng)度校核，應(yīng)采用更為合理的Ansys仿真對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

為確保矩形鋼框架強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，在Ansys仿真中，取F合=120 kN，F(xiàn)絲杠=120 kN，其仿真步驟為：1）將矩形框模型導(dǎo)入至有限元仿真模型中，并將Q235的屬性導(dǎo)入Ansys材質(zhì)庫(kù)，整個(gè)矩形鋼框架的材質(zhì)設(shè)置為Q235。2）對(duì)零件之間的接觸進(jìn)行編輯，其中，由于液壓缸和頂梁通過(guò)螺栓連接，故將其接觸設(shè)置為粗糙，使其無(wú)法相對(duì)運(yùn)動(dòng)；由于其余零部件之間均為焊接關(guān)系，故將其余接觸均設(shè)置為綁定。3）對(duì)矩形鋼框架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了在保證計(jì)算精度的情況下減少計(jì)算量，將框架整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為50 mm，并將頂梁、一側(cè)支架和底梁網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm。4）對(duì)矩形鋼框架施加力和約束，在液壓缸上施加120 kN的力，方向向下；在4個(gè)搖絲杠安裝螺母處施加共120 kN的力，方向向上；為模擬矩形框自重，對(duì)整個(gè)裝置施加重力加速度g；并在車輪處施加固定支撐約束，使這個(gè)框架無(wú)法移動(dòng)。

完成建立近似模型、編輯材料特性、網(wǎng)格劃分、以及施加力和約束環(huán)節(jié)后，檢查并運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)模型求解。計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)處理，對(duì)整個(gè)裝置關(guān)鍵部分的仿真結(jié)果進(jìn)行處理與分析。

3.2 頂梁仿真結(jié)果

頂梁直接受力120 kN，為裝置薄弱部分。需從變形量和應(yīng)力分布2個(gè)方向?qū)斄旱膹?qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證校核。圖3為頂梁變形量計(jì)算結(jié)果，由圖3可知，頂梁的最大變形量為0.9 mm，產(chǎn)生在頂梁與液壓缸的接觸面上，且變形量呈現(xiàn)由中間向兩端遞減的趨勢(shì)，最小變量為0.34 mm，頂梁變形量非常小，對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。

圖3 頂梁變形量

圖4為頂梁的應(yīng)力分布圖，由圖4可知，頂梁正面與液壓缸的接觸面邊緣應(yīng)力值較高，且出現(xiàn)了最大應(yīng)力值194.53 MPa，而中間和兩端應(yīng)力值較低；同樣得到頂梁背面中間應(yīng)力最大值為162.69 MPa，根據(jù)Q235的材料屬性可知，頂梁強(qiáng)度滿足要求。

圖4 頂梁上面應(yīng)力分布

3.3 支架仿真結(jié)果

支架承擔(dān)了頂梁的壓力，整個(gè)裝置為對(duì)稱體，支架與頂梁之間焊接了肋板進(jìn)行加固處理，對(duì)裝置右邊支架的變形量與應(yīng)力分布進(jìn)行驗(yàn)證校核，如圖5～圖7所示。

由圖5支架變形量可知，支架的最大變形量為0.654 mm，產(chǎn)生在支架與頂梁的加強(qiáng)筋上。支架中間的變形量最大不足0.7 mm，且支架整體的變形量呈現(xiàn)由中間向兩端遞減的趨勢(shì)，最小變形量為0.34 mm，支架變形量非常小，對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。

圖5 支架變形量

由圖6和圖7可知，支架主要的應(yīng)力集中點(diǎn)為與頂梁、底梁和加強(qiáng)筋的焊接處，其中最大應(yīng)力值為192.01 MPa，出現(xiàn)在與底梁的焊接處，支架滿足實(shí)際的強(qiáng)度要求。

圖6 支架上半部分應(yīng)力分布

圖7 支架下半部分應(yīng)力分布

3.4 底梁仿真結(jié)果

裝置底梁變形量與應(yīng)力分布強(qiáng)度驗(yàn)證校核如圖8、圖9所示。由圖8可知，底梁最大變形量為0.92 mm，產(chǎn)生在永磁吊具入口一側(cè)手搖絲杠螺母處，同時(shí)，電磁鐵入口一側(cè)的矩形鋼變形量明顯較大，并呈現(xiàn)出向另一側(cè)遞減的趨勢(shì)，底梁變形量非常小，對(duì)整個(gè)裝置測(cè)試功能沒(méi)有影響。

圖8 底梁變形量

由圖9可知，底梁中間應(yīng)力值較大，最大為189.2 MPa，且在手搖絲杠安裝螺母焊接處也存在應(yīng)力集中點(diǎn)，其應(yīng)力達(dá)到了42.31 MPa。

圖9 底梁應(yīng)力分布

仿真所用的矩形鋼框架模型端面未封口，在實(shí)際加工中，為保證矩形鋼框架強(qiáng)度能夠滿足要求，將矩形鋼端面均采用鋼板焊接封口，進(jìn)一步提升了整體框架的強(qiáng)度。

綜上所述，通過(guò)有限元強(qiáng)度校核可知，測(cè)試臺(tái)機(jī)械框架滿足使用要求。

4 測(cè)試臺(tái)試驗(yàn)

4.1 測(cè)試對(duì)象

為測(cè)試目前市場(chǎng)上起重永磁鐵的拉脫力，現(xiàn)隨機(jī)抽取市場(chǎng)上銷售的全新起重永磁體鐵及部分使用單位在用的起重永磁鐵進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)際測(cè)試全新額定起重量為1 000 kg永磁吊具10臺(tái)、2 000 kg永磁吊具10臺(tái)，在用的額定起重量為600 kg永磁吊具10臺(tái)、1 000 kg永磁吊具10臺(tái)。

4.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試方案對(duì)上述40臺(tái)起重永磁吊具進(jìn)行測(cè)試，平均拉脫力如表2～表5所示。

表2 全新1 000 kg永磁吊具平均拉脫力

表3 全新2 000 kg永磁吊具平均拉脫力

表4 在用600 kg永磁吊具平均拉脫力

表5 在用1 000 kg永磁吊具平均拉脫力

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 全新起重永磁鐵

通過(guò)對(duì)表2、表3的測(cè)試結(jié)果分析，隨機(jī)抽取的市場(chǎng)在售的起重永磁吊具的安全系數(shù)在1.5～1.7的范圍內(nèi)，距離標(biāo)準(zhǔn)中要求的最小安全系數(shù)3仍有較大的差距。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，不少企業(yè)在銷售最大拉脫力為額定起重量2倍的產(chǎn)品。即使按照2倍計(jì)算，實(shí)測(cè)的拉脫力安全系數(shù)仍與標(biāo)稱值有一定差距。

4.3.2 在用起重永磁吊具

通過(guò)對(duì)表4、表5的數(shù)據(jù)分析，某企業(yè)在用的同型號(hào)/規(guī)格起重永磁吊具僅1個(gè)（5%）安全系數(shù)達(dá)到3以上；基本與文獻(xiàn)[1]所述的抽檢結(jié)果4.7%吻合。

同時(shí)拉脫力平均值較為離散，偏差較大，最大安全系數(shù)為3.18，最小安全系數(shù)為0.65。一方面說(shuō)明在使用過(guò)程中拉脫力的衰減過(guò)程與使用年限無(wú)明顯線性關(guān)系，定期進(jìn)行拉脫力測(cè)試十分必要；另一方面，按照安全系數(shù)3計(jì)算，低于額定標(biāo)稱值一半的有7個(gè)，占比35%。

5 結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)研機(jī)械制造企業(yè)常用的永磁吊具的規(guī)格型號(hào)，設(shè)計(jì)了一種起重永磁吊具拉脫力測(cè)試臺(tái)，該測(cè)試臺(tái)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加載，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)短距離移動(dòng)，該裝置設(shè)計(jì)可移動(dòng)測(cè)試臺(tái)的腳輪組，能有效地提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率。試驗(yàn)臺(tái)采用龍門(mén)架結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)計(jì)算和Ansys仿真分析，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿足測(cè)量3 000 kg及以下永磁吊具的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，解決目前起重機(jī)械定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)項(xiàng)目操作性和實(shí)用性較差的技術(shù)難題。

通過(guò)該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試目前市場(chǎng)上銷售的全新起重永磁吊具的實(shí)際拉脫力，結(jié)果表明：隨機(jī)抽取的市場(chǎng)在售的起重永磁吊具的安全系數(shù)在1.5～1.7的范圍內(nèi)，距離標(biāo)準(zhǔn)中要求的最小安全系數(shù)3仍有較大的差距。通過(guò)在用起重永磁吊具的實(shí)際拉脫力測(cè)試，結(jié)果表明永磁吊具的安全性能合格率較低，實(shí)測(cè)吸力低于額定標(biāo)稱值一半的比例較高，永磁吊具隱形超載現(xiàn)象較普遍，亟待關(guān)注和解決。