球扁鋼全方位吊裝專用夾具的設(shè)計(jì)

孫冰妍, 于功志, 王 澤

(1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023；2.渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧 葫蘆島 125001)

球扁鋼有著特殊外形結(jié)構(gòu)，由形狀不規(guī)則的球狀球頭和扁平的腹板構(gòu)成，屬于不對(duì)稱型鋼，是船用型鋼家族中用量最大一種，因其具有很高的強(qiáng)度，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要用于殼體的結(jié)構(gòu)加勁肋，是船體結(jié)構(gòu)的重要組成材料。目前市場上的吊裝夾具種類很多趨于多樣化，但是由于球扁鋼球頭形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，現(xiàn)有吊裝夾具均無法實(shí)現(xiàn)球扁鋼全位置安裝。

1 現(xiàn)有吊裝夾具存在的問題

球扁鋼的吊運(yùn)目前還是傳統(tǒng)的吊裝方法，使用現(xiàn)有夾具，夾住球扁鋼的腹板下端，吊起后球扁鋼球頭朝下，吊運(yùn)到生產(chǎn)現(xiàn)場位置放平，球扁鋼組立定位時(shí)使用現(xiàn)場自制的工裝進(jìn)行安裝定位。自制工裝常用的有兩種：第一種工裝十分簡易，用一根圓鐵管，在鐵管的一端焊接圓形卡板，卡板上切割凹形開孔槽用來卡住球扁鋼球頭，使用時(shí)將開口槽套住球扁鋼的球頭，施工人員對(duì)圓管另一端向下施壓，利用杠桿原理依靠人力使球扁鋼翻轉(zhuǎn)90°立起來后定位在板架上；此簡易工裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，現(xiàn)場生產(chǎn)的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且生產(chǎn)效率不高。第二種工裝也比較常見，使用鋼板按球扁鋼形狀切割開口槽的仿形吊裝夾具，使用方法需要先從球扁鋼兩端穿進(jìn)去，拉到合適位置后再起吊；最大的缺點(diǎn)是球扁鋼擺放等原因，仿形夾具從球扁鋼兩端穿進(jìn)去不方便，其次是起吊后仿形卡板易發(fā)生滑動(dòng)，鋼索夾角變小，導(dǎo)致球扁鋼滑落，存在安全隱患。

2 設(shè)計(jì)思路

基于傳統(tǒng)吊裝夾具存在的問題，現(xiàn)迫切需要設(shè)計(jì)一種多功能的新型球扁鋼吊裝夾具，以滿足船舶建造中球扁鋼在現(xiàn)場施工正置水平、反置水平、反置垂直等安裝方向的要求。

吊運(yùn)就是使用夾持吊裝夾具快速、有效、牢固的夾持目標(biāo)物體，使用起重機(jī)將物體安全平穩(wěn)的運(yùn)送到指定地點(diǎn)，所以吊裝夾具設(shè)計(jì)前應(yīng)分析球扁鋼的結(jié)構(gòu)和安裝方向要求。球扁鋼的結(jié)構(gòu)[1]見圖1，左面部分為球狀的球頭，右面部分為扁平的腹板，典型的不對(duì)稱型鋼，而且因船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，按我國船舶設(shè)計(jì)慣例全船需安裝的球扁鋼數(shù)量較多。生產(chǎn)過程中，球扁鋼安裝設(shè)計(jì)均是腹板與結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，要保證球扁鋼的直接定位安裝，傳統(tǒng)的夾持腹板吊裝夾具方案不可行，需要深入研究設(shè)計(jì)一種新型夾持吊裝夾具。新型夾具需要滿足如下需求：一是夾持吊裝夾具的夾頭與球扁鋼球頭相匹配；二是吊裝夾具可以直接夾持在球頭起吊點(diǎn)上，避免吊裝夾具從球扁鋼兩端穿的問題；三是吊裝夾具需滿足球扁鋼正反垂直和水平安裝方向要求。

3 吊裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)球扁鋼特殊的結(jié)構(gòu)和吊裝夾具設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中球扁鋼安裝球頭遠(yuǎn)離安裝面的

圖1 球扁鋼結(jié)構(gòu)

情況，考慮將球扁鋼球頭作為吊裝夾具的夾持和起吊面。多功能吊裝夾具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由本體、旋轉(zhuǎn)軸、圓柱銷、螺栓、吊環(huán)組成[2]。

圖2 吊裝夾具結(jié)構(gòu)

(1)吊裝夾具本體使用Q235鋼板加工而成，為確保夾持吊裝夾具本體夾頭與球扁鋼球頭更好的匹配，吊裝夾具本體夾頭外形設(shè)計(jì)為球頭形狀。

(2)為保證吊裝夾具快速準(zhǔn)確的在起吊點(diǎn)位置夾持球扁鋼球頭，吊裝夾具本體夾頭設(shè)計(jì)為A、B兩部分，通過旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)夾頭的開合，而且吊裝夾具本體夾頭的A、B兩部分上設(shè)計(jì)圓柱銷和銷孔，吊裝夾具夾持球頭后，圓柱銷插進(jìn)銷孔，限制夾頭的打開，這樣可以杜絕吊運(yùn)過程中吊裝夾具松脫等危險(xiǎn)問題的發(fā)生。

(3)為實(shí)現(xiàn)球扁鋼的垂直、水平多種吊裝安裝要求，吊裝夾具本體A、B兩部分各設(shè)計(jì)有螺孔。A部分的螺孔中安裝一根不可拆卸的夾緊螺栓，夾緊螺栓一端設(shè)計(jì)圓板用于和吊裝夾具本體另一部分共同夾緊球扁鋼球頭，夾緊螺栓另一端設(shè)計(jì)連接頭，可以安裝附加吊環(huán)，以此附加吊環(huán)為吊點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)球扁鋼的水平吊裝；隨著球扁鋼高度不同，夾緊螺栓和吊環(huán)之間可以增加連接螺栓，保證吊裝夾具吊點(diǎn)與球扁鋼水平狀態(tài)下重心的平衡，起吊后球扁鋼能夠水平。吊裝夾具本體B部分的螺孔同樣用于安裝連接螺栓和吊環(huán)，實(shí)現(xiàn)球扁鋼的反置水平吊裝。

(4)吊裝球扁鋼時(shí)吊車鋼索與垂直、水平位置上對(duì)應(yīng)的吊環(huán)配合，可以實(shí)現(xiàn)球扁鋼吊裝夾具的全位置多功能。

4 吊裝夾具工作原理介紹

根據(jù)球扁鋼不同的安裝方向要求，吊裝夾具具體使用方法不同。

4.1 球扁鋼垂直方向正置吊裝

首先將吊運(yùn)卸扣安裝在吊裝夾具本體A部分吊孔，2個(gè)吊裝夾具分別移到球扁鋼合適位置的起吊點(diǎn)，吊裝夾具本體B部分旋轉(zhuǎn)，當(dāng)與球扁鋼球頭匹配，吊裝夾具本體A、B兩部分銷孔重合時(shí)，安裝圓柱銷，調(diào)整吊裝夾具本體A部分的夾緊螺栓，夾緊螺栓與吊裝夾具本體B部分相配合夾緊球扁鋼球頭，起重機(jī)鉤頭起升，吊運(yùn)到指定位置直接進(jìn)行定位安裝，實(shí)現(xiàn)球扁鋼的垂直方向正置吊裝，適用于地面水平結(jié)構(gòu)球扁鋼的定位安裝[2]，如圖3所示。

4.2 球扁鋼水平方向吊裝

因大規(guī)格球扁鋼高度大，為保證球扁鋼水平吊運(yùn)時(shí)的重心平衡，吊裝夾具A部分的夾緊螺栓和吊裝夾具本體B部分夾緊球扁鋼球頭，安裝圓柱銷后，在夾緊螺栓的連接頭端或吊裝夾具B部分的螺孔提前安裝附加加長吊環(huán)(小規(guī)格球扁鋼安裝附加普通吊環(huán))，吊運(yùn)卸扣安裝在附加加長吊環(huán)上，起重機(jī)鉤頭起升，吊運(yùn)到指定位置直接進(jìn)行定位安裝，實(shí)現(xiàn)球扁鋼的水平方向正置或反置吊裝，適用于垂直結(jié)構(gòu)球扁鋼的安裝[3]，如圖4所示。

圖3 垂直正置吊裝 圖4 水平正置吊裝

4.3 球扁鋼垂直方向反置吊裝

吊裝夾具本體B部分螺孔和吊裝夾具本體A部分夾緊螺栓的連接頭提前安裝附加普通吊環(huán)，每個(gè)附加吊環(huán)各安裝一個(gè)吊運(yùn)卸扣，吊裝夾具本體B部分旋轉(zhuǎn)，當(dāng)與球扁鋼球頭匹配，吊裝夾具本體A、B兩部分銷孔重合時(shí)，安裝圓柱銷，調(diào)整吊裝夾具本體A部分的夾緊螺栓，夾緊螺栓與吊裝夾具本體B部分相配合夾緊球扁鋼球頭，起重機(jī)鉤頭起升，最終實(shí)現(xiàn)球扁鋼的垂直方向反置吊裝，適用于艙室頂棚水平結(jié)構(gòu)的球扁鋼安裝。

5 吊裝夾具強(qiáng)度校核

此吊裝夾具的整體結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)在理論上滿足球扁鋼全方位吊裝夾具設(shè)計(jì)要求。當(dāng)夾具夾持球扁鋼吊運(yùn)過程中，夾具可看作吊耳，在外力作用下需要抵抗永久變形和斷裂的能力，下面對(duì)夾具主要受力部位進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核。

5.1 吊環(huán)吊裝能力

水平吊運(yùn)球扁鋼時(shí)需要使用附加吊環(huán)，如圖4所示為雙環(huán)起吊。設(shè)計(jì)吊環(huán)型號(hào)M30x3.5-6g,螺紋長度50 mm,工作拉力：50 kN。

根據(jù)(GB/9945-2001)標(biāo)準(zhǔn)，船用國標(biāo)球扁鋼理論質(zhì)量最大為38.77 kg/m，按球扁鋼長度25 m計(jì)算，球扁鋼重量為9.7 kN。

根據(jù)(GB/T825-1988)標(biāo)準(zhǔn)，M30吊環(huán)雙環(huán)起吊最大重量為12.5 kN，吊環(huán)滿足吊裝要求。

5.2 夾具A部分眼孔強(qiáng)度

5.3 圓柱銷

經(jīng)上述夾具主要受力部位強(qiáng)度計(jì)算和校核驗(yàn)證，證明此吊裝夾具尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

6 結(jié)束語

船舶制造具有大型、多品種、小批量的特點(diǎn)，球扁鋼多功能吊裝夾具是針對(duì)船舶制造中實(shí)現(xiàn)球扁鋼多種安裝方向而設(shè)計(jì)的，多功能吊裝夾具可以滿足船企生產(chǎn)現(xiàn)場急需的全位置吊裝要求，值得在船體裝配和其他制造業(yè)內(nèi)廣泛推廣。

(1)與現(xiàn)有技術(shù)相比，較市場上類似的吊裝夾具有較大改進(jìn)，解決了球扁鋼垂直方向和水平方向的正置和反置吊裝等多工況吊裝要求下吊裝難題。

(2)僅此一種吊裝夾具即可滿足不同規(guī)格的球扁鋼吊裝要求。

(3)保證了現(xiàn)場生產(chǎn)吊裝安全、減輕了勞動(dòng)負(fù)荷，減低人力成本，提高生產(chǎn)效率。

(4)吊裝夾具結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)保養(yǎng)操作方便。