一种新型安全缓冲装置的设计应用

王占武　费琦　高剑成

摘要：文章介绍了一种新型安全缓冲装置的设计方法，对缓冲元件聚氨酯缓冲器的工作原理、特性以及计算与选取方法进行了论述，并通过具体的数据进行了公式计算与选择过程的解析；在深入分析现场作业条件后，提出了一种能够解决聚氨酯缓冲器不适宜高温条件下工作的设计方案；在保证安全装置整体结构稳定的前提下，通过运动学与力学分析后，对装置涉及到的危险部位的焊接强度给予了充分的理论论证与实际

验证。

关键词：安全缓冲装置；聚氨酯缓冲器；结构强度；焊接强度；缓冲元件

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0009-02

包钢无缝厂Φ400作业区轧制工艺比较复杂，一根合格的钢管需要经过原料、加热、双面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、轧管机、均整机、步进炉加热、张力减径机、冷床冷却、矫直、探伤、切管、冷检、打压、包装等多个工艺过程。其中，钢管经过均整机轧制后由7#辊道（钢管输送辊道）输送到下一工序，这时辊道如果反转就会出现钢管后退过位掉到最后一个辊道下面的情况，对轧制过程造成影响并威胁人员的安全。鉴于此，本文提出设计一套辊道安全缓冲装置，安装于辊道最后一个辊子的后面，来解决上述问题。

一般安全缓冲装置常用的缓冲器类型有4种：橡胶缓冲器、弹簧缓冲器、液压缓冲器和聚氨酯缓冲器。由于聚氨酯缓冲器与前3种缓冲器相比具有弹性好、吸振容量大、重量轻、撞击方向尺寸短、易于安装与更换等优点，因此，本文选用JHQ型聚氨酯缓冲器。

1 安全缓冲装置聚氨酯缓冲器的选取

1.1 聚氨酯缓冲器的工作原理

聚氨酯缓冲器利用聚氨酯材料特殊的微孔气泡结构吸能缓冲，在受到冲击时，相当于一个带有多气囊阻尼的弹簧，因而其缓冲容量可随碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯缓冲器的应用范围、特点与特性

聚氨酯缓冲器是新型的安全防护装具，其用途甚广，目前主要应用于矿车、电梯、铝电解多功能机组、船泊、汽车等领域的缓冲和减震，具有较高的吸收冲击功能，良好的抗压回复性；阻燃、绝缘、耐低温耐老化、耐油、弱酸、弱碱的腐蚀，安装维修方便，延长主机使用寿命等特点，是各种存在撞击、振动机械设备理想的安全防护装具，是钢制或橡胶缓冲器的更新换代

产品。

1.3 聚氨酯缓冲器的计算与选型

聚氨酯缓冲器的主要性能参数是缓冲能量、最大缓冲力和缓冲行程，它们是选用和设计缓冲器的主要依据，也是衡量缓冲器的重要指标。一般地，常用聚氨酯缓冲器有配套产品供应，可以按照所需缓冲器的性能参数进行选用。选用的缓冲器应当保证其缓冲容量、缓冲行程和最大缓冲力均大于且最接近以下计算的要求值。若选用的缓冲器过小，则不能保证安全缓冲；过大，则因其刚度过大而降低缓冲效果。

1.3.1 缓冲器碰撞动能E。

综上所述，现场选择的聚氨酯缓冲器型号为JHQ-C-18，缓冲容量为15.67kJ，缓冲力为414kN，完全符合要求。

2 安全缓冲装置的结构设计

1.左支撑组件；2.移动板；3.连接螺栓；4.聚氨酯缓冲器；5.右支撑组件；6.支撑梁

由表1可知，聚氨酯缓冲器不能在高温情况下使用，为了克服它的这一缺点，缓冲装置采用了如图1所示的设计结构。通过采用这种方案就能很好地将缓冲器与高温钢管隔离开，进而发挥缓冲器的作用。本装置的运动过程为：缓冲器反装在移动板上，钢管在反转时，移动板带动缓冲器一起作用在支撑板上，这样在增加系统稳定性的同时降低了钢管缓冲带给系统的内力。

3 安全缓冲装置的强度设计

从上面的分析可知在所选择的方案中钢管的最终作用力传导到了后支撑板上，而后支撑板是通过序号5加强板固定在框架梁上的，加强板共4块。由此可知钢管的作用力F最终将作用在加强板与框架梁的焊缝上，导致此处成为强度最薄弱的部位。如图2所示：

此处所示的焊缝共有8条，它们一起承担作用力F，所以每条焊缝的平均作用力。

为了便于计算将焊缝受力简化为如图3模型。

3.1 计算在静载荷时的最大切应力

焊缝接头开I形坡口，此时产生最大切应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时作用有两个切应力：一个是由M=FL引起的τm；另一个是由Q=F引起的式中：n为工作条件系数查资料得n=0.8，为焊缝的基本许用应力，对于Q235-A此值为160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，结构稳定。

3.2 计算变载荷时的许用应力

= （8）

式中：为许用系数，查资料计算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切应力59.82N/≤==96N/，说明此结构在承受变载荷的作用时也是非常稳定的。

4 设计验证

聚氨酯缓冲器的价格是同缓冲容量弹簧式缓冲器的一半，重量是同缓冲容量弹簧式缓冲器的1/6。采用本文这种结构设计方案既解决了聚氨酯缓冲器不适用于高温的情况，又能保证缓冲装置的结构强度和稳定性要求，有效地延长了缓冲器的使用寿命，不失为一种新型的安全缓冲装置，具有很大的推广价值。

参考文献

[1] 张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2] 张荣侠.桥式起重机缓冲器撞坏原因分析及改进[J].起重运输机械，2005，（5）.

[3] 张佳亮.聚氨酯缓冲器在铝电解多功能机组上的应用[J].有色金属，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工艺500问[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：王占武（1983-），男，包钢集团公司无缝钢管厂机械助理工程师。

摘要：文章介绍了一种新型安全缓冲装置的设计方法，对缓冲元件聚氨酯缓冲器的工作原理、特性以及计算与选取方法进行了论述，并通过具体的数据进行了公式计算与选择过程的解析；在深入分析现场作业条件后，提出了一种能够解决聚氨酯缓冲器不适宜高温条件下工作的设计方案；在保证安全装置整体结构稳定的前提下，通过运动学与力学分析后，对装置涉及到的危险部位的焊接强度给予了充分的理论论证与实际

验证。

关键词：安全缓冲装置；聚氨酯缓冲器；结构强度；焊接强度；缓冲元件

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0009-02

包钢无缝厂Φ400作业区轧制工艺比较复杂，一根合格的钢管需要经过原料、加热、双面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、轧管机、均整机、步进炉加热、张力减径机、冷床冷却、矫直、探伤、切管、冷检、打压、包装等多个工艺过程。其中，钢管经过均整机轧制后由7#辊道（钢管输送辊道）输送到下一工序，这时辊道如果反转就会出现钢管后退过位掉到最后一个辊道下面的情况，对轧制过程造成影响并威胁人员的安全。鉴于此，本文提出设计一套辊道安全缓冲装置，安装于辊道最后一个辊子的后面，来解决上述问题。

一般安全缓冲装置常用的缓冲器类型有4种：橡胶缓冲器、弹簧缓冲器、液压缓冲器和聚氨酯缓冲器。由于聚氨酯缓冲器与前3种缓冲器相比具有弹性好、吸振容量大、重量轻、撞击方向尺寸短、易于安装与更换等优点，因此，本文选用JHQ型聚氨酯缓冲器。

1 安全缓冲装置聚氨酯缓冲器的选取

1.1 聚氨酯缓冲器的工作原理

聚氨酯缓冲器利用聚氨酯材料特殊的微孔气泡结构吸能缓冲，在受到冲击时，相当于一个带有多气囊阻尼的弹簧，因而其缓冲容量可随碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯缓冲器的应用范围、特点与特性

聚氨酯缓冲器是新型的安全防护装具，其用途甚广，目前主要应用于矿车、电梯、铝电解多功能机组、船泊、汽车等领域的缓冲和减震，具有较高的吸收冲击功能，良好的抗压回复性；阻燃、绝缘、耐低温耐老化、耐油、弱酸、弱碱的腐蚀，安装维修方便，延长主机使用寿命等特点，是各种存在撞击、振动机械设备理想的安全防护装具，是钢制或橡胶缓冲器的更新换代

产品。

1.3 聚氨酯缓冲器的计算与选型

聚氨酯缓冲器的主要性能参数是缓冲能量、最大缓冲力和缓冲行程，它们是选用和设计缓冲器的主要依据，也是衡量缓冲器的重要指标。一般地，常用聚氨酯缓冲器有配套产品供应，可以按照所需缓冲器的性能参数进行选用。选用的缓冲器应当保证其缓冲容量、缓冲行程和最大缓冲力均大于且最接近以下计算的要求值。若选用的缓冲器过小，则不能保证安全缓冲；过大，则因其刚度过大而降低缓冲效果。

1.3.1 缓冲器碰撞动能E。

综上所述，现场选择的聚氨酯缓冲器型号为JHQ-C-18，缓冲容量为15.67kJ，缓冲力为414kN，完全符合要求。

2 安全缓冲装置的结构设计

1.左支撑组件；2.移动板；3.连接螺栓；4.聚氨酯缓冲器；5.右支撑组件；6.支撑梁

由表1可知，聚氨酯缓冲器不能在高温情况下使用，为了克服它的这一缺点，缓冲装置采用了如图1所示的设计结构。通过采用这种方案就能很好地将缓冲器与高温钢管隔离开，进而发挥缓冲器的作用。本装置的运动过程为：缓冲器反装在移动板上，钢管在反转时，移动板带动缓冲器一起作用在支撑板上，这样在增加系统稳定性的同时降低了钢管缓冲带给系统的内力。

3 安全缓冲装置的强度设计

从上面的分析可知在所选择的方案中钢管的最终作用力传导到了后支撑板上，而后支撑板是通过序号5加强板固定在框架梁上的，加强板共4块。由此可知钢管的作用力F最终将作用在加强板与框架梁的焊缝上，导致此处成为强度最薄弱的部位。如图2所示：

此处所示的焊缝共有8条，它们一起承担作用力F，所以每条焊缝的平均作用力。

为了便于计算将焊缝受力简化为如图3模型。

3.1 计算在静载荷时的最大切应力

焊缝接头开I形坡口，此时产生最大切应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时作用有两个切应力：一个是由M=FL引起的τm；另一个是由Q=F引起的式中：n为工作条件系数查资料得n=0.8，为焊缝的基本许用应力，对于Q235-A此值为160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，结构稳定。

3.2 计算变载荷时的许用应力

= （8）

式中：为许用系数，查资料计算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切应力59.82N/≤==96N/，说明此结构在承受变载荷的作用时也是非常稳定的。

4 设计验证

聚氨酯缓冲器的价格是同缓冲容量弹簧式缓冲器的一半，重量是同缓冲容量弹簧式缓冲器的1/6。采用本文这种结构设计方案既解决了聚氨酯缓冲器不适用于高温的情况，又能保证缓冲装置的结构强度和稳定性要求，有效地延长了缓冲器的使用寿命，不失为一种新型的安全缓冲装置，具有很大的推广价值。

参考文献

[1] 张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2] 张荣侠.桥式起重机缓冲器撞坏原因分析及改进[J].起重运输机械，2005，（5）.

[3] 张佳亮.聚氨酯缓冲器在铝电解多功能机组上的应用[J].有色金属，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工艺500问[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：王占武（1983-），男，包钢集团公司无缝钢管厂机械助理工程师。

摘要：文章介绍了一种新型安全缓冲装置的设计方法，对缓冲元件聚氨酯缓冲器的工作原理、特性以及计算与选取方法进行了论述，并通过具体的数据进行了公式计算与选择过程的解析；在深入分析现场作业条件后，提出了一种能够解决聚氨酯缓冲器不适宜高温条件下工作的设计方案；在保证安全装置整体结构稳定的前提下，通过运动学与力学分析后，对装置涉及到的危险部位的焊接强度给予了充分的理论论证与实际

验证。

关键词：安全缓冲装置；聚氨酯缓冲器；结构强度；焊接强度；缓冲元件

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0009-02

包钢无缝厂Φ400作业区轧制工艺比较复杂，一根合格的钢管需要经过原料、加热、双面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、轧管机、均整机、步进炉加热、张力减径机、冷床冷却、矫直、探伤、切管、冷检、打压、包装等多个工艺过程。其中，钢管经过均整机轧制后由7#辊道（钢管输送辊道）输送到下一工序，这时辊道如果反转就会出现钢管后退过位掉到最后一个辊道下面的情况，对轧制过程造成影响并威胁人员的安全。鉴于此，本文提出设计一套辊道安全缓冲装置，安装于辊道最后一个辊子的后面，来解决上述问题。

一般安全缓冲装置常用的缓冲器类型有4种：橡胶缓冲器、弹簧缓冲器、液压缓冲器和聚氨酯缓冲器。由于聚氨酯缓冲器与前3种缓冲器相比具有弹性好、吸振容量大、重量轻、撞击方向尺寸短、易于安装与更换等优点，因此，本文选用JHQ型聚氨酯缓冲器。

1 安全缓冲装置聚氨酯缓冲器的选取

1.1 聚氨酯缓冲器的工作原理

聚氨酯缓冲器利用聚氨酯材料特殊的微孔气泡结构吸能缓冲，在受到冲击时，相当于一个带有多气囊阻尼的弹簧，因而其缓冲容量可随碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯缓冲器的应用范围、特点与特性

聚氨酯缓冲器是新型的安全防护装具，其用途甚广，目前主要应用于矿车、电梯、铝电解多功能机组、船泊、汽车等领域的缓冲和减震，具有较高的吸收冲击功能，良好的抗压回复性；阻燃、绝缘、耐低温耐老化、耐油、弱酸、弱碱的腐蚀，安装维修方便，延长主机使用寿命等特点，是各种存在撞击、振动机械设备理想的安全防护装具，是钢制或橡胶缓冲器的更新换代

产品。

1.3 聚氨酯缓冲器的计算与选型

聚氨酯缓冲器的主要性能参数是缓冲能量、最大缓冲力和缓冲行程，它们是选用和设计缓冲器的主要依据，也是衡量缓冲器的重要指标。一般地，常用聚氨酯缓冲器有配套产品供应，可以按照所需缓冲器的性能参数进行选用。选用的缓冲器应当保证其缓冲容量、缓冲行程和最大缓冲力均大于且最接近以下计算的要求值。若选用的缓冲器过小，则不能保证安全缓冲；过大，则因其刚度过大而降低缓冲效果。

1.3.1 缓冲器碰撞动能E。

综上所述，现场选择的聚氨酯缓冲器型号为JHQ-C-18，缓冲容量为15.67kJ，缓冲力为414kN，完全符合要求。

2 安全缓冲装置的结构设计

1.左支撑组件；2.移动板；3.连接螺栓；4.聚氨酯缓冲器；5.右支撑组件；6.支撑梁

由表1可知，聚氨酯缓冲器不能在高温情况下使用，为了克服它的这一缺点，缓冲装置采用了如图1所示的设计结构。通过采用这种方案就能很好地将缓冲器与高温钢管隔离开，进而发挥缓冲器的作用。本装置的运动过程为：缓冲器反装在移动板上，钢管在反转时，移动板带动缓冲器一起作用在支撑板上，这样在增加系统稳定性的同时降低了钢管缓冲带给系统的内力。

3 安全缓冲装置的强度设计

从上面的分析可知在所选择的方案中钢管的最终作用力传导到了后支撑板上，而后支撑板是通过序号5加强板固定在框架梁上的，加强板共4块。由此可知钢管的作用力F最终将作用在加强板与框架梁的焊缝上，导致此处成为强度最薄弱的部位。如图2所示：

此处所示的焊缝共有8条，它们一起承担作用力F，所以每条焊缝的平均作用力。

为了便于计算将焊缝受力简化为如图3模型。

3.1 计算在静载荷时的最大切应力

焊缝接头开I形坡口，此时产生最大切应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时作用有两个切应力：一个是由M=FL引起的τm；另一个是由Q=F引起的式中：n为工作条件系数查资料得n=0.8，为焊缝的基本许用应力，对于Q235-A此值为160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，结构稳定。

3.2 计算变载荷时的许用应力

= （8）

式中：为许用系数，查资料计算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切应力59.82N/≤==96N/，说明此结构在承受变载荷的作用时也是非常稳定的。

4 设计验证

聚氨酯缓冲器的价格是同缓冲容量弹簧式缓冲器的一半，重量是同缓冲容量弹簧式缓冲器的1/6。采用本文这种结构设计方案既解决了聚氨酯缓冲器不适用于高温的情况，又能保证缓冲装置的结构强度和稳定性要求，有效地延长了缓冲器的使用寿命，不失为一种新型的安全缓冲装置，具有很大的推广价值。

参考文献

[1] 张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2] 张荣侠.桥式起重机缓冲器撞坏原因分析及改进[J].起重运输机械，2005，（5）.

[3] 张佳亮.聚氨酯缓冲器在铝电解多功能机组上的应用[J].有色金属，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工艺500问[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：王占武（1983-），男，包钢集团公司无缝钢管厂机械助理工程师。