夹钳式钢坯吊具优化设计综述

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【摘要】夹钳式钢坯吊具由多杆机构组成，完成对钢坯的夹取、运送、卸载等多项工作，其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整台设备的工作效率与经济指标。本文对夹钳式钢坯吊具优化设计做了简要探究。

【关键词】夹钳式；钢坯吊具；优化设计

中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：

一、夹钳式钢坯吊具概述

钢坯是指炼钢厂在精轧之前的毛坯，常见的钢坯形状是板坯和矩形坯以及圆坯（包括轧辊）。夹钳式钢坯吊具是钢铁厂、港口、码头等单位大批量转运钢坯的专用工具，是用于工程生产企业夹装及吊取设备与物资，利用杠杆原理、摩擦学等力学原理研制的工程器具。这种吊具无需电能消耗，适应性强，可以在无地面人员配合的条件下自由的装卸物品特性。无需外力辅助，就可实现对钢坯的夹持，且夹持可靠，动作灵活，吊运安全可靠。

此类器具同时具备夹具与吊具的功能与特征，是两者的合成体。夹钳式钢坯吊具分固定式和可调式，以适应不同规格和不同层数钢坯的吊运。吊具工作时，利用起重机的升降操作和吊具自重，通过夹钳的自动夹放过程完成物品的夹持和卸放。吊具开闭器采用高强度高耐磨的合金钢制造，动作灵活，使用寿命长。

夹钳式钢坯吊具的设计理论是当主动力与接触表面法线间的夹角小于或者等于摩擦角时，不管主动力多大物体都保持相对静止而形成自锁的物理现象。即夹持力接触表面法线的夹角小于或等于钳牙的摩擦角时，不管夹钳所夹持的被吊物多重，仍能保持夹持过程中不滑脱这一物理现象就是重力式夹钳的设计原理。

本文研究的夹钳式钢坯吊具主要由吊梁、连杆、开闭机构、同步器、钳臂、支承板和钳口七部分组成。夹钳吊具示意图如图1所示。

图1 夹钳式钢坯吊具示意图

1）吊梁

吊梁是与天车钩相连的部件，有吊环卸扣式联接、吊索具式联接和吊耳式联接三种结构，性能分别如下：吊环卸扣式联接吊轴，使吊具的受力情况改善，同时也避免了装卸钢坯时的脱钩现象，降低了夹具本身的高度，有利于较低矮的场所使用。吊索具式联接吊轴，使夹具的受力较好，但吊具自身的高度较大，需在高大的场所使用，在挂吊钩时需用人工进行辅助挂钩。吊耳式联接吊轴，可由吊车司机直接挂钩， 但在吊装作业时需使吊具着地，并下放吊钩直至不受力为止，这样，易导致吊车钩脱钩。

2）连杆

连杆是吊梁和钳臂的连接件。

3）开闭机构

开闭机构有手动开闭杆式、（自动）闭杆式、（自动）单开闭杆式、（自动）螺旋转锁式等形式。自动开闭机构是实现钢坯夹具自动开闭的机构。 其动作不需要任何外来动力源，靠夹具自身的重力实现夹具的自动开闭。

4）同步器

同步器是保证夹具各钳臂同步动作的装置。

5）钳臂

钳臂是夹具的主要增力部件，通过它把钢坯夹起。

6）支承板

支板是钢坯夹具的支撑件。支承板支在钢坯的上表面以保证钢坯夹具的开闭机构顺利动作。

7）钳口

钳口有销轴联接式、燕尾联接式和槽形插接式等结构。钳口是与钢坯直接接触的主要零件，决定着钢坯夹具夹持钢坯的可靠性。钳口根据钢坯的温度不同通常由合金钢加工热处理而成。搬运板坯用夹钳装置，是在多年的生产经验基础上，吸收国内外同类产品的先进经验开发生产的。无需电能消耗，无电磁波干扰，使用安全可靠，适应性强。经实际使用证实，此吊具可以在无地面人员配合的条件下，自由的装卸钢坯，是一种理想的钢坯用吊具。

二、夹钳式钢坯吊具的分析

1、夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学分析

采用Adams建立夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学模型，采用ADAMS软件对30T夹钳式钢坯吊具进行仿真分析。首先，在Solid Edge中建立吊具的几何模型，并通过通用数据格式导入到ADAMS中，建立虚拟样机模型，对吊具的同步性进行仿真，并给出相对误差。然后，模拟吊具工作状况，对其进行静力学仿真，分析了吊具夹取钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处受力。最后，对夹具在不同的起吊速度加速度时进行动力学仿真分析，给出吊具合适的起吊速度和加速度，并分析夹取不同尺寸规格钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处的最大受力。通过以上分析，全面掌握吊具系统的力学特性，为重量轻、高度低的吊具设计提供条件。

Adams（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学分析软件。它具有交互式图形环境和零件库、约束库、力库、常见完全参数化的机械系统模型，求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，可以输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

Adams可以方便的导入其他CAD软件的模型。本文采用在其它CAD软件中建立模型，然后导入到Adams中的建立几何模型的方法。Solidedge软件是美国UGS公司为机械设计量身定做制的CAD软件，采用parasolid作为软件核心。提供了强大的零件设计、装配设计、参数化设计、基于特征的实体造型计算和曲面造型技术，提高了设计工程效率，缩短了学习时间，具有更简便的操作性和实用性[2]。交互界面友好，提供IGES、STEP、Parasolid等多种数据格式，可以与Pro/E，UG，AutoCAD等多种CAD软件以及Ansys，Adams等CAE软件进行数据交换，联合仿真建模。

2、夹钳式钢坯吊具的参数化模型

钳臂部件设计以参数化模型为基础，通过对其中多个参数的修改驱动生成符合实际需要的部件模型。钳臂部件主要包括钳臂钳板、固定筋板、衬套、钳牙座等。设计过程中所涉及到的尺寸除了这几个钳臂部件的几何参数尺寸外还包括这几者之间的配合关系尺寸。图2给出了钳臂部件设计过程中所涉及到的具体参数要素。

(a) 钳臂部件配合关系设计要素

(b) 钳臂钳板设计要素

(c) 钳口座设计要素

(d) 筋板设计要素

(e) 衬套设计要素

图2 钳臂部件设计要素

三、夹钳式钢坯吊具的优化

1、夹钳式钢坯吊具的优化方法

夹具优化设计是在夹具动力学模拟和结构有限元分析的基础上进行，是一个基于模拟技术的优化设计问题，优化设计过程中需要调用大量的数值模拟过程，优化模型没有显示表达式。本文提出一种基于元模型技术的优化设计方法，以解决此优化设计问题。

元模型技术对含大计算量数值模拟的设计问题有广泛的应用，采用元模型可以极大提高基于模拟方法的优化设计方法的效率，同时可以揭示黑盒子函数的函数结构、各设计变量的相关性，为复杂问题解耦和分解提供基础。元模型方法主要包括采样方法、近似模型、模型拟合、模型评价四个问题，这四个问题决定了元模型的效率和精度。本部分针对大计算量黑盒子函数，围绕上述四个问题进行研究，提出适用于夹具动力学模拟的元模型建模方法。

然后研究在元模型技术支持下的多目标优化设计方法，提出一种新的采样方法，使得Pareto集附近有近可能多的采样点，同时保留采样点的多样性，大大减少调用大计算量功能函数的次数，以得到精度和效率都高的多目标优化方法。

2、夹钳式钢坯吊具的集成设计系统

以Visual Basic 6.0为开发工具，以Solid Edge V15为参数化建模平台，在此平台上进行二次开发，后台数据库采用SQL Server 2000，以Auto CAD 2004作为二维图形输出平台（VBA驱动），以Word 2003作为计算说明书输出平台，对工程夹钳式吊具智能集成设计系统进行开发。

系统开发共分为七个模块进行，各模块分工如下，各模块间的相互关系如图3.2所示。

1）数据库模块：存储用户、工程、零件、材料、标准件等信息；实现各种数据的读取、修改、各模块间的数据交互以及数据的定期备份与手动备份。

2）参数化建模显示：读取零件参数；参数化驱动实现三维建模；调用动态库实现显示；实现零件尺寸修改和三维显示的实时交互。

3）优化设计模块：结构总体优化设计、干涉检查、尺寸检查；核心零件的优化设计。

4）结果输出模块：三维模型输出(solid edge格式)；计算报告书输出(word格式)；二维工程图输出(CAD格式)。

5）工程管理模块：工程进度管理、历史工程管理。

6）帮助模块：提供系统使用帮助与说明。

图3 系统模块关系

结束语

夹钳式吊具的结构形式已基本定型，一些部件也已实现标准化、序列化，其设计过程有一定规律可循，若能将设计与校核数据集成到一起，使得两者互补共进则可大大提高设计与校核的效率与精度，实现吊具在结构、取材和用料上的最优化。

参考文献

[1] 张恒，何自强，陈海燕，等.大型设备专用吊具的参数化设计与有限元分析[J]. 起重运输机械，2009（6）：60-64.

[2] 滕儒民，苗明，李耐文.大型钢管砼拱桥整体吊装专用吊具的设计[J].起重运输机械，2007（3）：18-20.

[3] 祁崇波.DGT码头集装箱装卸桥吊具的安全改造[J].起重运输机械，2007（9）：82-83.