1 200t拉力机钢丝绳夹具的设计及关键零部件分析

赵 立，吴 琼，张 建，唐文献，唐振新

(1.云南昆船智能装备有限公司，云南 昆明 650217)(2.江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)

1 200t拉力机钢丝绳夹具的设计及关键零部件分析

赵 立1，吴 琼2，张 建2，唐文献2，唐振新2

(1.云南昆船智能装备有限公司，云南 昆明 650217)(2.江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)

基于钢丝绳的结构特点及受力情况，设计制作了一种新型钢丝绳夹具，该夹具夹紧过程既方便快捷又安全高效，可适用于不同直径的钢丝绳，尤其适用于大张力钢丝绳施工、测试的夹紧过程中。通过采用有限元分析方法，对该钢丝绳夹具结构的关键零件进行静力学分析计算，验证校核该夹具的结构强度。该夹具现已在1 200t船用构件力学性能测试平台投入使用。

钢丝绳夹具；大张力；有限元分析

钢丝绳是提升机械设备中最重要的元件之一，在物料搬运、起重吊装、卷扬牵引、渔业拖网、船舶装卸中有着广泛应用。大多数钢丝绳是由高强度钢丝编绕而成，这种结构具有很大的灵活性及优越性能，即使用轻便、抗拉强度大、轴向尺寸长且能吸收振动,因而被广泛应用于起重运输设备、客货运输索道、大跨度悬索桥梁及悬挂式屋顶等工程结构中。在大张力作用下，处于夹紧状态的钢丝绳段，一方面要防止在未超过钢丝绳破断拉力的情况下夹紧段钢丝因承受各种机械损伤而断裂；另一方面又要保证钢丝绳夹紧状态良好，不会产生滑绳及夹不紧等情况[1-2]。钢丝绳夹具设计的出发点是防止打滑，防止损坏钢丝绳表面，方便、快捷和安全。目前，钢丝绳的夹紧方式主要有两种：(1)浇铸套接法；(2)机械夹具夹持法。浇铸套接法是将钢丝绳试样两端的钢丝散开呈喇叭形的刷头状，进行表面处理，在熔融合金注入冷凝后同钢丝绳刷头结合为一个整体；机械夹具夹持法是将钢丝绳试样直接夹持于机械夹具上[3-4]。浇铸套接法安全可靠，但需专业人员和专业工具，且不能任意调整钢丝绳的长度。在实验室或现场施工中机械夹具夹持法的运用较为常见，但机械夹具夹持法不同程度地存在着容易损坏钢丝绳表面、夹持不紧、容易打滑等缺陷，易导致钢丝绳系统不能正常工作[5-6]。因此，研制及开发满足工程需要的新型大张力机械夹具的任务十分紧迫，尤其是开发适用于1 200t船用构件力学性能测试平台的钢丝绳夹具尤为迫切。

1 钢丝绳夹具的结构设计与工作原理

各零件的装配关系如图1、图2所示，夹具的工作原理是将钢丝绳穿入上模块与下模块中，然后通过液压缸推进锥形块B，使得锥形块A向上移动，迫使下模块向中心收缩，从而夹紧钢丝绳。其上、下模块(材料为Q235)和锥形块(材料为45钢，热处理)的配合表面粗糙度为Ra0.8，斜度为5°，该夹具的总质量为2t。

图2 钢丝绳夹具的夹紧示意图

在进行拉紧试验前,首先将钢丝绳放入上模块与下模块中，放置到位后，通过外部施加的一个水平方向上的力推动锥形块B运动，此时锥形块将发生小位移的水平运动，使得下模块的表面向圆心挤压收缩，迫使上模块和下模块向中心收缩，从而夹紧钢丝绳。

在安装时，上、下模块和钢丝绳之间应预留张紧间隙2mm左右，以避免液压缸压紧后，锥形块不能用上力。上、下模块与钢丝绳配合时，其预留间隙不能太小也不能太大，太小时钢丝绳只有局部受力，太大时不能受力。上、下模块可对不同直径的钢丝绳进行测量，根据锁紧的直径不同而设计，其目的之一是尽可能减少产品系列化后相应的上、下压紧模块的数量；其二是增加相对滑动摩擦力，防止钢丝绳在初始受到压力时上下模块出现相对移动。

该夹具最大的优点是加工简单、成本低廉，现场操作施工方便、快捷，且安全、可靠，不用增加外置的设备和装置，仅需根据钢丝绳不同的直径配备相应规格的压紧模块即可。

2 关键零件仿真计算及结果分析

2.1材料性能参数

夹具主体和钢丝绳的材料性能见表1。

表1 材料性能

2.2有限元模型建立

钢丝绳夹具有限元模型的建立是通过Pro/E建模后导入Hypermesh中，由于主要考虑的是夹具体和关键零件的强度，建立有限元模型前要先对三维模型进行必要的简化：不考虑模型的小特征，如倒角、圆角、焊缝等；在进行几何清理后，对其采用六面体网格进行划分。装配体(如图3所示)划分网格后其节点数为55 189个，单元为95 200个，单元类型为C3D20，建立的有限元模型如图4所示。

图3 上下模块的立体装配图

图4 装配体的网格划分

2.3载荷约束处理

a.添加约束：将上模块的上表面定义为固定约束，限制上、下模块的两侧在X方向的平动和转动、Y方向的转动以及Z方向的平动和转动。所加约束如图5所示。

图5 有限元分析中添加的约束和载荷

b.添加载荷：夹具的拉力为600kN，图1中锥形块的斜面比为1∶5，取摩擦系数为0.1，则模块所承受的正压力为2 120kN，模块的受力分析如图6所示，有限元分析中的受力模型如图5所示。

图6 模块与钢丝绳的受力分析图

2.4应力分析结果

2.4.1夹具体应力分析结果

在网格划分完成并运行分析后，将得到Von Mises应力、位移和应变云图，并可以看出最大应力在装配体中出现的位置，如图7、图8所示。从图中可以看出，夹具整体的最大应力为110MPa，而夹具体的许用应力为235MPa，所以支架强度满足要求。最大应力发生在夹具体与钢丝绳外沿接触处，范围很小，对支架整体的强度影响不大。由前面的计算分析可知，支架应力远低于许用值，从节约制造成本考虑，在满足强度的前提下，可以对夹具体进行结构优化和减重。

图7 夹具整体应力分析结果

图8 上模块的应力分析结果

2.4.2钢丝绳的应力分析结果

利用相关软件建立钢丝绳的几何模型和有限元模型，结合钢丝绳的分析条件，建立钢丝绳应力、应变分析的边界条件，确立合理的软件分析类型和计算模式，利用ABAQUS软件强大的有限元分析功能进行钢丝绳应力、应变的计算分析，获得不同捻制结构下钢丝绳沿长度方向上的轴向应力、切应力的分布规律。

从图9中可以看出，钢丝绳主要受到上、下模块的挤压，钢丝绳的最大应力为76.8MPa(目前，关于钢丝绳的公称抗压强度，并没有明确的规范)，且钢丝截面上的轴向应力呈层状分布，以钢丝绳中心轴为对称轴逐渐变化，靠近中心轴侧呈拉应力状态，远离中心轴侧呈压应力分布。

图9 钢丝绳的应力分析结果

2.5位移分析结果

2.5.1钢丝绳位移变形分析结果

图10分别说明了钢丝绳在X，Y和Z方向上的位移情况，最大位移已分别在图中标出。由图可知，X轴方向的最大位移变形量为为3.59×10-3mm，Y轴方向的最大位移变形量为2.03×10-2mm，Z轴方向上的最大位移变形量为1.13×10-2mm。可以证明D=80mm的钢丝绳在超出其许用拉力125%的情况下，用该方法夹紧是一样有效可靠的，不会损坏钢丝绳表面，也不会发生因拉力超过许用拉力而产生打滑达不到实验要求所需的拉力，钢丝绳在3个方向上的位移变形量很小，符合设计要求。

图10 钢丝绳的位移分析结果

2.5.2模块的位移变形分析结果

图11分别说明了模块在X，Y和Z方向上的位移情况，X轴方向的最大位移变形量为5.42×10-3mm，Y轴方向的最大位移变形量为1.02×10-2mm，Z轴方向上的最大位移变形量为4.20×10-3mm。模块在各方向的最大位移变形量都很小，符合设计要求。

经过计算分析，钢丝绳和模块的最大变形位移与最大应力见表2。

3 结束语

利用有限元分析软件ABAQUS建立某型钢丝绳夹具的有限元模型，并在实际工况下对其进行仿真分析。由于钢丝绳的内部构造较为复杂，因此该钢丝绳的建模与实际有一定差别。有限元分析的结果只是钢丝绳夹具体的一个变形趋势，在日后的工作中，应搭建钢丝绳夹具实验平台，对钢丝绳进行实际工况下的试验验证。

图11 模块的位移变形分析结果

分析对象最大变形位移/mm最大应力/MPa材料屈服极限/MPa钢丝绳2．03×10-276．8公称抗压强度模块1．02×10-2110．0235

通过有限元分析软件ABAQUS对钢丝绳夹具装配体和零部件进行静力分析，得出各个零部件在实际工况中的结构强度均满足设计要求。

[1] 常东华,路非.线材夹具的研制与应用[J].检验检疫科学,2003,13(1)：45-46.

[2] 文桂峰,姚文斌.一种新型钢丝绳夹具的设计[J].煤矿机械,2004(2):23-24.

[3] 孙志昊. 组合钢丝绳夹具加工工艺的改进[J].矿上机械,2010,38(8):97.

[4] 陈厚桂,李晋,康宜华.钢丝绳中缺陷的描述方法[J].机械工程学报,2009,45(1):309-314.

[5] 文宏光,屈本宁,李剑云.钢丝绳的拉伸疲劳性能[J].昆明理工大学学报,2000,25(1):28-33.

[6] 蔡瑾,段国林,姚涛.计算机辅助夹具设计技术回顾与发展趋势综述[J].机械设计, 2010, 27(2):1-6.

Designandanalysisonthekeypartsofsteel-wireropefixturein1200trallymachine

ZHAO Li1,WU Qiong2,ZHANG Jian2,TANG Wenxian2,TANG Zhenxin2

(1.Yunnan Kunchuan Intelligent Equipment Co. Ltd., Yunnan Kunming, 650217, China)(2.Jiangsu University of Technology, Jiangsu Zhenjiang, 212003, China)

Based on the structural characteristics of the steel-wire rope and the load distribution, it designs a new type of steel-wire rope fixture. The clamping process of fixture is convenient. It applies the safe efficient to different diameters of the rope, especially applied to the clamping process of high tension steel-wire rope's construction for testing and clamping analysis. Based on finite element analysis method, it realizes the static analysis and calculation on the steel-wire rope fixture's key parts. This improves the fixture's mechanical properties and the fixture is used in the mechanical properties testing platform of 1 200t marine component.

steel-wire rope fixture; high tension; finite element analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.009

2014-09-10

赵立(1966—),男,云南昆明人，云南昆船智能装备有限公司高级工程师，工程硕士,长期从事机械设计及加工工艺研究工作。

TH122

A

2095-509X(2014)10-0041-04