Ｅ＆Ｃ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩ工程技术 关于耳板式吊耳设计校核～一万进杨刚军湖北金石炼化建设有限公司湖北荆门４４８０００ 摘要通过分析耳板式吊耳的受力情况和设计原理，结合实际情况指出在实际工程应用中的不足和失误，以求保障设备 吊装过程尤其是大型设备吊装能顺利安全进行。 耳板式吊耳受力分析强度校核 关键词中图分类号ＴＵ６０２ 文献标识码Ｂ 文章编号１６７２—９３２３（２０１０）０３—００６２—０３ 在设备安装工程的建设过程中，设备吊装始终处在举足轻 重的位置。设备吊装过程尤其是大型设备吊装是否能顺利安全 进行，直接决定着工程项目的施工周期和项目投资，更关系到工 程项目管理的成败、企业市场开发与经营运行效果和企业的持 续发展。 Ｒ１＝１０５ｍｍ，ｃ＝２５ｍｍ，ｒ＝４２ｍｍ，材料为Ａ３钢，同时假设销轴与 吊耳孔为间隙配合，根据此条件求解危险截面的应力。 吊耳是设备吊装过程中最直接的受力部件，常用的形式分 为耳板式和管轴式，分别应用在中小型和大中型的设备吊装工 程中，且耳板式较管轴式应用范围更广一些，应用时常常是根据 相关规范选用。但在实际工作中，对于管轴式吊耳，所有工程技 术人员基本上都是严格按照规范选用和制造；而对于耳板式吊 耳，规范的执行并不是很严格，并且由于耳板式吊耳的应用范围 － 。Ａ Ｉ Ｉ 、～ 较广，经常会遇见需要重新设计吊耳但规范上又没有的情况，许 多人员对其在强度上的校核存在着方法上的严重错误，虽然到 图１耳板式吊耳示意图 目前为止还没有产生过大的意外，但却是危及吊装安全的潜在 隐患。本文主要论述耳板式吊耳本体在设计受力方向上的受力 ２．１存在问题的计算方式 按照我们部分技术人员通常的验算方法为： 取动载系数ｋ＝１．１（吊立过程取ｋ＝１．１，水平吊运过程取 ｋ＝１．３０），对危险截面Ａ—Ａ，则应力为： ｒ，＝ 分析和设计原理，对吊耳焊缝的强度验算不再赘述。 １问题的提出 在实际工作中经常会出现以下情况，给吊装安全带来潜在 隐患。 ｋＰ＝１．１ｘ２０００ ００＝２ｃ 一ｒＪ ２ｘ０．０２５（０．１０５ ０．一 ０４２）６９． （１）有的技术人员对所设计的耳板式吊耳的验算方法为： 将吊耳受力简单的理解为单纯的受拉过程，仅仅校核吊耳危险 断面的拉应力，甚至于根本不考虑耳孔的承压应力。 而对Ａ３钢有： ＝ ＝手磐＝：１８０ＭＰａ 因为有ｏ＇＝６９．８ＭＰａ＜［ｏ＇］＝１８ＯＭＰａ （２）耳板式吊耳设计时对耳孔的要求应该是机加工，这就 对耳孔的表面加工精度有一定的要求，而实际工作中，施工人员 往往从加工成本考虑，经常用火焊切割的方法代替机加工。 故通常我们的技术人员仅根据此就判断该吊耳可以安全使 用，甚至都不考虑耳孔的承压应力。现在我们再来对其销孔的承 压应力进行验算： 一２：一（３）吊装时，所采用吊轴或卸扣轴的直径小于耳板式吊耳 的耳孔直径往往很多，这会导致耳板的受力更为复杂。 ｋＰ： ：ｃｒ ２ｘ Ｏ２５×ｎ０４２ ９７ＭＰａ＜［ｏ＇￣］：１．４ 】：２５２ＭＰａ 根据计算结果可知：虽然该例中的承压应力计算为合格，但 其值 却是大于 的；而且从 、 的计算公式中我们可以看 到：假如销轴的的材料强度足够大，使其只需较小的ｒ就能承受 ２理论分析 我们举例来说明，如图１所示，假设Ｐ＝２０ｔ，Ｂ＝２１０ｍｍ， ６２ Ｉ石油化工建设１０．０３ ２０ｔ的载荷，我们可以发现此时 的值会变小，而 值则会变 ：慨＋Ｉ￣－ｐＲ。一 艘２ （式一５） 大，完全有可能超过其承压许用应力值［ ，从而导致吊耳材料 的失效而发生事故。所以且不说平常我们技术人员验算耳板强 度的方法正确与否，但就其根本不考虑耳孔的承压强度问题是 绝不可行的。 同样因为耳板的结构和受力是对称的，故转角 应该等于 零，即 ２．２力学分析 ． ８ ＼ ＝＼ 实际上吊耳板的受力状态较以上复杂得多，决不是简单的 计算就可以的。如图２所示，我们仍然假设销轴与吊耳孔为间隙 Ｐ 将（式一４）代入上式，得 ［手 ＋１ＰＲｚ一 艘ｚ］＝Ｄ 贝０ ：ｃ４一 ］ Ｒ ：一Ｏ０９５ＰＲ： ．（式一６） 图２耳板式吊耳力学分析图 配合，应该首先根据吊耳板承受的最大拉力Ｐ求出危险截面（图 中的水平截面ｂ—ｂ，垂直截面ａ－ａ）上的内力，然后引入弹性曲 梁公式求出相应的内力，并进行强度校核。 ２．２．１内力计算 吊耳板承受的拉力Ｐ通过耳孔（销轴孔）壁以沿弧长分布压 力Ｐ的形式传递给销轴，其沿弧长方向按照正旋规律分布，即 ｐ＝ｐ，￣ｃｓｉｒｕｐ （式一１） 如图２所示：根据耳板的平衡条件可知 ・２ ，２ Ｐ＝２ Ｊ Ｏ ｐ￣ｒｄｃ＇（ｓｉｎ￣ Ｊ。 × 一 则ｐ一 Ｐ （式一２） 根据耳板结构和受力的对称性，可知耳板上反对称的内力 （即剪力）等于零。若沿销孔中心线水平截开耳板，则截面上只有 轴力Ｎｂ及弯矩Ｍｂ，如图３所示。 根据平衡条件∑ｙ＝Ｏ，可得 ： Ｐ 同时由于根据平衡方程解不出弯矩Ｍ ，所以该求解成为 一次超静定问题，须根据耳板的变形条件求解Ｍ 。为此需列出 与水平线成ａ角的任意截面的弯矩方程： Ｍ＝ ＋＾ 一ＣＯＳＯＩ）－Ｊ Ｐ×ｒ￣ｄｇｏｘＲ２ｓｉｎ（ｃｌ一 （式一３） 将（式一３）及ｐ ， ｓｉｍｐ＝ ｘｓｉ，ｗ ４－Ｌｚ．＿Ｌ￣，得 Ｍ＝Ｍｂ＋争艘 一 Ｒ ｉｒｕｐｘｓｉ ｑ￣）ｘｄｑ， Ｍ＝Ｍｈ＋争艘： 一 ｃＯ－￣－ｐＲ： 删－－ＯＩＸｃｏ￥ＯＩ） （式一４） 令ａ＝ ，即可得到 截面的弯矩： ．． 将（式一６）代入（式一５）可得 ：［ 一 ］艘２＝Ｏ．０８７ＰＲ。 （式一７） 同样由图３，根据平衡条件∑Ｘ＝０，得 』 × ｃｏｓ￣ｏ＝２ ２ ｓ ×ｃ∞ ×ｄ￣＝Ｏ．３２Ｐ （式一８） ２．２．２强度验算 根据弹性曲梁公式来求解危险截面的应力，如图３所示。对 图３截面受力分析图 应于每个危险截面的座标系原点均在其相应的中性轴上，并且 外侧方向为ｙ轴正方向。于是有任一截面的应力值为 ＝ ＋ ＋面Ｍ× Ｙ （式一９） 式中：Ａ为计算截面积，对于矩形面积有Ａ＝俾。一ｒ）ｘｃ＝ｈｘｃ Ｋ位于计算界面形状有关的系数，对于矩形面积有 ＝ Ｒ２×Ｉ２ Ｒｅ ＋ｈ ｎ一２１ （式一１０） 同时引入动载系数ｋ＝１．１，即将上述各式中的Ｐ值全部以 ｋＰ《１．１Ｐ Ｉ弋替 对于６—６截面： ＋慧＋ ＋而Ｙ ＝一ＬＩＰｔｔｃ ￣ｏ．４ｏ５一 ＾ Ｖ意＋ ２ ］ （式一１１）石油化工建设１０．ｏ３ ｌ ６３ Ｅ＆Ｃ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩ工程技术 将ｙ一争代人（式一１１）￣Ｊ ６＿６截面内侧应力 ｂ 有６—６截面内侧的应力值为２００．８超过１８０百分之十几，即 ６—６截面内侧的应力值超过材料的许用应力值，从而完全可能 导致耳板材料的强度实效，如将此耳板用于实际的吊装工程中， 则会导致严重的安全生产事故，结果将不可想象。 ［０．４０５一 × ］≤ （式一１２） 将 争代人（式～ｌ１）可得到６ 截面外侧应力 ＝ ３分析结论 ） 针对前面所提的问题以及耳板式吊耳的受力分析和实例计 算结果的对比，我们可以得出如下应该注意的问题： （１）耳板式吊耳设计时，必须要对其承压应力进行校核，同 ［０．４０５一 × ］≤【 】 （式 对于 。截面： ＋怒＋盘×一ｙ＋Ｒ２ ．时必须引人动载系数； （２）耳板式吊耳设计校核时，应对耳板的受力状态和应力 ： １．１Ｐ［０＾ｃ ４０７－ Ｋ ×者］≤ ｙ＋Ｋ ， （式一１４）分布要有清晰地认识，采用正确的方法对其强度进行校核；这样 将ｙ＝一 代入（式一ｌ１）可得到ｂＦｂ截面内侧应力 ＝ ４０７ ０ ０８７Ｋ× ］≤【 】 （式一１５） 将ｙ＝争代入（式～ｌ１）可得到６—６截面外侧应力 ａ ［一０４￣０ ０８７× 】 （式＿１６） 回头我们再来看前面举的实例，将Ｐ＝２０ｔ，Ｒｌ＝１０５ｒａｍ， ｃ＝２５ｍｍ，ｒ＝４２ｍｍ，Ｒ２＝７３．５ｒａｍ，ｈ＝６３ｍｍ分别代入上述（式 一１０）、（式一１２）、（式一１３）、（式一１５）、（式－１６），可分别得到 Ｒ２×￣２Ｒ２＋ ｈ ＝ —Ｊ＝０．０６９ ２Ｒ＝ ［０．４０５＋ × ｈｉ 一 ＝２００．８ＭＰａ＞［－Ｏ］＝１８ＯＭＰａ ［０．４０５一 × ］ ＝一１．１２ＭＰａ＜［－ｏ］＝１８０ＭＰａ ＝ ￣０．４０７一 ｘ ］ ＝－７５．２ＭＰａ＜［－ｏ］＝１８０ＭＰａ ＝ Ｄ 丁０ ０８７× ］ ＝１０９．７ＭＰａ＜［ｏ＇］＝１８０ＭＰａ 根据以上结果我们画出耳板危险截面的应力分布图，如图 ４所示。 比较两种方法计算出来的结果，很明显根据弹性曲梁公式 得到的爵大 力结果不但远大于第一种方法得出的结果．其至 图４应力分布图 ６４｛石油化工建设１０．０３ 才能有针对性地解决问题。比如上例中，从图４我们可知，耳板 式吊耳的最大应力值出现在与受力方向垂直的危险截面内侧， 对于该例，我们并不一定非要将整块吊耳板全部更换，而可以在 耳孔两侧贴加强板的方式来解决问题，避免材料的浪费。这种解 决方式同时也提醒我们技术人员在实际进行吊耳设计时，尽量 考虑选用现有的材料，通过较薄板的合理组合来替代厚板的使 用，可以达到节约材料成本的目的； （３）耳孔的精度问题。我们都知道，材料表面的精度对材料 的强度是有很大的影响的。用火焰切割出来的耳孔表面高低不 平，使得轴与耳孔的接触由设计要求的面接触变为实际上的点 接触，从而改变整个受力形式，使其承压应力成倍增加，结果可 能导致材料的失效。同时由于表面高低不平，更会导致应力的集 中，从而使设计本合格的耳板在集中应力的作用下发生失效； （４）现场使用的吊轴与耳孔不配套，同样也会导致承压应 力增加和拉应力数值的改变，在上述分析中我们都基于这样的 一个假设：假设销轴与吊耳孔为间隙配合，也就是吊轴直径与耳 孔直径几乎是一样的，但实际的吊装过程不可能达到此要求，所 以在设计时还必须引入载荷分布系数，一般取１．３５，这样承压应 力和两个危险截面的应力表述公式分别为： －ｏｃ＝ ≤Ｊ．例 （式一ｌ７） ＝簪￣０．４０５一 × ｈ一 ｉ≤ （式一１８） ＝ （０．４０５一 × ］≤ （式一１９） ＝ ［０．４０７－ × ］≤ （式一２０） ０ｒ； ＝ ￣０．４０７－ × ］≤ （式一２１） 实际设计校核时只需核算（式一１７）、（式－１８）、（式－２１）即可。 ４结束语 通过对耳板式吊耳的受力和强度校核方法进行材料力学和 弹性理学的理论性分析，指出了部分工程技术人员设计吊耳时 的不足与失误，给出了实际工程应用耳板式吊耳的校核方法，为 在设计与施工中提供了有益的参考。 参考文献 Ｉ刘鸿文．材料力学．高等教育出版社 ２杨长骚．金属结构．机械工业出版社 ３吴家龙．弹性力学．高等教育出版社 （收稿日期：２０１０－０１－１２）