长撑杆双颚板抓斗关键结构设计研究＊

闫胜昝 胡常斌

1 南京工程学院文化艺术创意设计研究院 南京 211167 2 安庆市四方港口机械有限公司 安庆 246000

0 引言

随着全球贸易的发展，我国物流行业迅速崛起，大批港口码头建成投入使用，同时随着我国经济的发展，钢厂、电厂等基建上游企业快速发展。大量散货需要装卸、转运，装卸机械使用频繁，作为装卸机械最常用的部件抓斗，其工作性能直接影响装卸效率。因此，对抓斗的研究关注度越来越高，抓斗的设计、计算方法需要不断更新、充实和完善，使港口机械向更加注重功能性、经济性、可靠性和安全性的方向发展[1]。对于抓斗的设计研究，上海交大的王宪龙等对长撑杆抓斗的静力学性能进行分析，通过建立多变量非线性优化模型，应用Matlab 遗传算法求解对抓斗的几何参数进行了优化设计[2]；许京荆等采用有限元分析方法对造成抓斗失效的工况进行数值分析，并提出结构改进措施[3]；董熙晨等提出采用组合优化策略对剪式抓斗结构参数进行优化[4]；还有很多相关研究[5-7]。可见近年来抓斗设计方面，有对特定类型抓斗的设计优化，有对抓斗失效问题的分析研究，用以指导抓斗的修复和设计，然而国内企业对于抓斗设计的研究较少见，李鹏飞、胡常斌等曾就抓斗的合理使用寿命、重要几何参数、单位容积自重问题做过一些分析研究和经验总结[8]，国内某大学与某公司合作也曾就抓斗的设计问题做过一些研究，如积累经验建立数据库，开发模块化设计平台提高设计效率等[9]。根据抓斗设计的数据分析来看，对于抓斗的设计依然基于经验设计较多，研究成果以各种类型的抓斗产品申报的专利居多[10]；而大专院校的研究理论性强[11-13]，不利于实践应用。分析总结合理结构参数关系，确定合理结构形式选择的依据，在企业的抓斗设计实践中意义更为重大。

1 抓斗结构分析

长撑杆双颚板抓斗对于各类散货都有良好的适应性，广泛应用于各类装卸场合，畅启仁教授也曾对长撑杆散货抓斗的主要参数进行分析[14]。

1.1 抓斗颚板的主要参数及关系

颚板宽度E、颚板侧形长C 和颚板最大张开度D是抓斗颚板的主要几何参数，抓斗总容积VF、颚板在料堆上的初切入深度h0及颚板张开后的覆盖面积A 直接与这3 个几何参数有关，颚板这3 个几何参数选取的得当与否直接影响到抓斗的抓取性能。依照国际标准ISO 2374:1983 起重机械基本型的最大起重量范围，抓斗起重机的起重量Q 依次为：3.2 t、4.0 t、5.0 t、6.3 t、8.0 t、10.0 t、12.5 t、16.0 t、20.0 t、25.0 t、32.0 t、40.0 t、50.0 t、63.0 t、80.0 t，约成公比为0.8 的等比级数。而我国JT/T5031—1992《长撑杆双颚抓斗参数系列》将散货容重rm也表示为公比为0.8 的等比级数：0.63 t/m3、0.8 t/m3、1.0 t/m3、1.25 t/m3、1.6 t/m3、2.0 t/m3、2.5 t/m3、3.2 t/m3。这样的规定在抓斗起重机起重量Q、抓斗容积VF和散货容重rm之间建立起一种有机的内在联系，为正确确定抓斗颚板主要几何参数E、C 和D 提供了可靠依据。表1、表2 和表3 中的系数KE、KD、KC随散货容重rm的变化，应视为抓斗在抓取不同容重的散货时可以得到满意充填的结果。

表1 颚板宽度系数KE

表2 最大张开度系数KD

表3 颚板侧形长度系数KC

对于同一起重量而抓取不同容重散货的抓斗系列（如散货容重由0.63 t/m3增至3.2 t/m3），抓斗容积VF、颚板初切入深度h0、抓斗完全张开后颚板覆盖面积A 均随散货容重的增大而减小。此时，由表1 可知，抓斗颚板宽度系数KE呈单调下降，推荐值由1.539 3 下降至1.184 8，下降比为1.299；由表3 可知，颚板侧形长度系数KC呈单调上升，推荐值由0.795 5 上升至1.004 83，上升比为1.265；由表2 可知，最大张开度系数KD呈单调上升，推荐值由1.774 上升至1.971 8，上升比为1.111 5。对于同一容重的散货而起重量不同的抓斗，抓斗容积VF随抓斗的吨位增大而增大。此时，系数KE、KC、KD均为常数，不随抓斗吨位大小变化，可根据抓取散货的容重选取。

根据颚板宽度E、颚板侧形长C 和颚板最大张开度D 等参数的公式，即

由此可见，除VF外，系数KC尚与颚板的有关角度αS、αB、θ、β、ε、ω 有关。其中，αS为斗体底背角，αB为物料堆积角，θ 为散货滑移角，β 为斗体后围板与水平面夹角，ε、ω 与以上角度有一定关系。

图1 抓斗斗体参数示意图

在抓斗容积VF随散货容重增大而减小的变化趋势下，颚板宽度E 随散货容重增大而减小，颚板侧形长C随散货容重增大而增大，颚板最大张开度D 随散货容重增大而增大。在同一抓斗吨位下，系数KE、KD与KC随散货容重变化而发生的变化是互补的，系数间这种互补变化满足了散货容重rm增大，抓取阻力增大，需要对颚板几何参数作出调整，以提高抓斗抓取能力的要求。

1.2 单铰颚板抓斗与双铰颚板抓斗

单铰颚板抓斗是指两侧颚板装于下承梁的同一铰点处，图1 中斗体两侧颚板铰于一点，通过这一铰点与下承梁铰接在一起，而双铰颚板抓斗的两侧颚板则分别装于下承梁的两个铰点，如图2 所示。

图2 双铰颚板抓斗

单铰颚板抓斗的特点是构造简单，抓斗张开后，若置于地面则闭合绳松弛，下承梁易发生翻转，且抓斗的整体高度较双铰颚板时大。双铰颚板抓斗在两铰之间需建立高副联系（一般为约束齿轮），构造较复杂，但抓斗在任何状态时的下承梁保持稳定，不会发生翻转，抓斗的整体高度也比较低。

从生产制造方面看，单铰颚板抓斗由于构造简单，易于加工和装配，工艺简单生产效率高，而双铰颚板抓斗由于要考虑双铰的关联，设置的同步约束欠齿轮结构，无论是下料加工，还是装配都稍复杂，生产效率会相对低一些。

当这两种抓斗最大张开度相同，且抓斗闭合时闭合绳的引出长度也相同时（抓斗闭合时，上下滑轮组之间的行程相同），双铰颚板抓斗的抓取阻力矩较小，虽然此时抓斗的抓取力矩也因颚板铰点位置偏移而减小，但从总的使用效果看，双铰颚板抓斗的充填效果仍比单铰颚板抓斗好。

1.3 撑杆上铰点之间的约束形式

撑杆上铰点之间的约束形式大多为插销式或单齿啮合式。当撑杆上铰点之间的间距较大时(大于400 mm)，一般采用插销式约束形式，如图3a 所示。插销式约束装置制造与装配精度要求较高，并需经常润滑维护。当撑杆上铰点之间的间距较小时，常采用单齿啮合式约束形式，如图3b 所示。单齿啮合约束装置约束效果和使用效果较好，但制作稍复杂，耗材较多。

从强度方面看，当撑杆上铰点之间的间距为400 mm 时，分别设计插销式约束和单齿啮合约束两种结构形式。建立3D 模型，采用有限元分析方法，模拟工作中撑杆受力情况，对两种结构形式分别做相同约束和载荷下的强度分析，具体有限元分析及载荷计算参见之前研究成果，得出两种结构的应力及变形情况分别如图4所示。

图3 撑杆上铰点之间的约束形式

图4 有限元分析结果（应力）

由图4 可知，两种形式的同步约束结构，在相同的外部约束和载荷下，计算得出的应力分布趋势基本一致，差异主要存在于啮合尺槽根部和插销式长孔周围，但最大应力位置都相同，只是最大应力值差异较大。分析此处最大应力主要由处于结构的拐点位置单元划分质量较低导致，与撑杆体结合后将得到增强，故判断此处为结构的危险部位，但该最大应力值不予考虑。整体来看较大应力均位于同步器的下部位置，单齿啮合式由于板厚较大（60 mm），而插销式单板厚度仅为25 mm，所以啮合式的应力水平低于插销式，同样载荷下单齿啮合式的强度更好。生产实践中，在均能满足强度要求时，还要综合考虑制作难度和耗材等来选择。

1.4 闭合绳均衡方式

在四绳长撑杆双颚板抓斗中，当两根闭合绳长短不一时，为保证抓斗平稳工作，应通过闭合绳均衡装置予以补偿，通常采用均衡轮（见图5a）或均衡杠杆（见图5b）来实现。均衡轮自重较大，制作稍嫌复杂，但对绳索的补偿量大。而均衡杠杆结构简单，自重较轻，但对绳索的补偿量较小。生产实践中，多采用均衡杠杆，又称平衡臂结构。

图5 闭合绳均衡方式

1.5 闭合绳导绳装置

最常用的闭合绳导绳装置为井字辊式（见图6a）或四导轮式（见图6b）。井字辊式导绳装置导绳效果好，适用于闭合绳直径等于和小于28 mm 的抓斗；四导轮式导绳装置可承受闭合绳较大的偏斜载荷，所以适用于闭合绳直径大于28 mm 的重载抓斗。

图6 闭合绳导绳装置

2 设计方案

以16 t/6.5 m3的黄沙抓斗为例，已知设计输入信息包括额定起重量16 t，抓取物料为黄沙，物料比重为1.5 t/m3，起重机配有4 根钢丝绳，直径28 mm，开闭绳间距598 mm，支持绳间距1 100 mm。根据额定起重量和黄沙的物理特性，首先确定抓斗抓取散货质量和抓斗自重，从而可得到抓斗容积VF。再按物料比重在表1 ～表3 中分别选取KE、KD和KC，代入前述公式，初步确定斗体部分关键尺寸E ≈2 500 mm，C ≈3 000 mm，D ≈3 847 mm，在此范围内，可微调颚板宽度E，从而相应调整侧形长C。然后在确定的尺寸内，根据散货物理特性查得影响颚板侧形的斗体底背角αs、物料堆积角αB、散货滑移角θ、颚板侧背角β，绘制确定抓斗的颚板侧形，计算机绘图软件中验证抓斗容积。再依次设计下承梁、撑杆、上承梁等结构，由于抓取物料易切入，抓斗操作较平稳，不易倾倒，单铰颚板制造简便，对于下承梁与颚板的铰接采用了单铰形式。而撑杆上铰点之间间距为400 mm，鉴于单齿啮合式良好的使用性能和效果，以及更加的强度性能，采用了单齿啮合的撑杆同步器结构。对于闭合绳长度的平衡问题，采用了结构简单、自重轻的平衡杠杆结构，在抓斗与起重机连接时尽量保持两根闭合绳长度相近即可。根据直径为28 mm 的闭合绳，选用井字辊式导绳装置。另外，整个抓斗的设计还需考虑滑轮组倍率、撑杆长度角度等因素。16 t/6.5 m3黄沙抓斗结构示意图如图7 所示，抓斗已投入使用，客户反馈使用效果良好。

图7 16t/6.5m3 长撑杆双颚板黄沙抓斗

3 结论

1）分析总结了抓斗设计中影响抓取性能的斗体颚板部分主要参数计算和选取依据，得出影响抓斗容积的颚板宽度、颚板侧形长，和影响抓取性能的最大张开度之间的关系，以及3 个系数的互补关系，可用于指导抓斗关键结构尺寸的设计。

2）分析讨论了单铰颚板抓斗和双铰颚板抓斗的优缺点，可根据抓斗工况和生产制造条件适当选取。

3）对撑杆上铰点间约束形式从生产制造难易程度、耗材及强度方面进行了分析和计算，为设计提供参考。

4）讨论了常用的两种闭合绳均衡方式，可根据实际条件进行适当选择。

5）对闭合绳导绳装置进行了比较，井字辊和四导轮式两种结构均存在，推荐根据闭合绳直径大小进行选择。

通过一款抓斗的设计实例，验证了以上结论对于企业抓斗设计的指导意义，可作为抓斗设计流程中重要的参考依据，提高抓斗设计效率和抓斗使用性能。