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【摘要】本文主要阐述港口装卸工属具的设计与制作思维，设计中所考虑的强度和刚度因素，在结构确定后，根据工属具的受力情况，确定型材材料的使用，使材料的特性得到有效运用，达到在保证工属具强度和刚度的前提下，结构更轻、便于操作和故障率低的要求；同时，本文给出了C型卷钢吊具设计、计算和制作的例子，使读者对港口装卸工属具的设计与制作思维有个深刻的认识。
【关键词】港口装卸；工属具；强度；刚度C型卷钢吊具
港口装卸工属具是港口装卸的重要工具，其设计制作的优劣，直接影响着装卸效率、货运质量、装卸作业人员的安全；缺乏有效实用的装卸工属具，装卸效率就难以提高，而低效率的装卸就好比狭小的节流孔堵塞通道一样，影响货物输运的畅通。从设计的合理性、材料的受力情况来看，优秀的设计更能充分利用材料的特性，提高属具的强度和刚度，更好利用其边角料。
本人认为装卸工属具的设计准则有以下几点：
1、结构要尽可能简单
我们知道，在制造水平相同的情况下，构件越多的机械比构件较少的机械故障点更多，装卸工属具也是如此，使用时的环境比较恶劣，承受冲击力大，使用频繁高，因此损坏率较高，构件在使用了一定时间后，由于磨损或材料的疲劳，会产生损耗引起配合不好或裂纹，从而损坏。另外，工具结构复杂也会给检查维修带来不便，同样生产一个产品，零件少，加工工艺就简单，所用的材料亦少，成本就更具有竟争力，所以，一个好的工具研制人员就要千方百计使工具制造成既实用又简单。
2、要保证足够的强度和刚度
强度和刚度是保证工具正常使用的最重要指标，要保证强度和刚度要作多方面的努力：
首先，在强度计算时要取足够而合理的安全系数。
其次，在制造时每道工艺都要把握质量关。例如材料选用要合理，不得使用有裂纹、厚度不均或锈蚀老化的钢材；截面尺寸不得有明显的陡降；能圆弧过渡的就不要成尖角过渡，以免产生应力集中；焊接时，要根据材料正确选用焊条，焊缝强度要保证；根据不同的材料选择合适的热处理工艺以达到最佳强度。
刚度，除考虑正常的货物受力外，由于工属具作业时，常受到作业机械和货物的碰撞，这些作用力是设计制造工属时，难以考虑的“额外力”，所以在设计制造工属时，要适当考虑这些力，以保证工属的可靠性、实用性，
最后，工具制成后要由专人进行检验，有条件的应抽样上拉力机进行拉力试验，无条件的也要进行试用。要本着一丝不苟的态度对待工具的设计、制造，确保强度和刚度，杜绝装卸事故的发生，这是我们工属具设计、制造管理人员工作的准则。
3、自重要尽可能的轻
大多数装卸工具需要工人在作业时搬动，降低工具的自重也能减轻工人的劳动强度，而设计的强度和刚度与自重的大小又是相矛盾的。一般情况下，强度和刚度越高，自重就越大，采用以下四种方法可以达到既保证工具的强度和刚度，又能降低自重的目的。
①设计时，安全系数要取得合理恰当，不能认为“高高益善”，同时要加强使用时的监督，严禁超负荷使用。
②结构尽可能简单，零配件少，是减轻重量的重要手段。
③万能式工具难以设计制造得轻，例如钢板有厚有薄，可调式钢板钳是根据钢板钳所能承受的最大负荷设计的，因此在吊运大负荷钢板时强度和刚度正合适，而对小负荷钢板作业时强度和刚度就过剩，构件大了，也会增加工人的劳动强度，所以，按照不同钢板负荷将钢板钳做成各种规格，使用时按需选择，效果更佳。
④合理运用材料自身的结构
能用管材的，就不用实心材料；能用平衡绳调节的，就不用配重块，例如C型吊具的设计，同样起吊负荷的吊具，使用配重块时，吊具的重量比使用平衡绳的重量重约2吨左右。
4、要确保货物质量和使用安全
装卸的目的就是完整无损的把货物从一地运到另一地，所以，使用工具就要保证货物的质量；工具不但要确保货物质量，也要确保使用安全，容易造成工伤事故的工具，纵有千般优点，也是没有生命力的，因此，在工具设计时要把可能会引起事故的隐患排除掉。
5、使用方便
工具是由工人来使用的，假若使用起来很麻烦就不会受工人的欢迎；一件装卸工具的生命力强与否，使用方便与否是个重要的因素。
6、外形美观
外形要美观，无戳人及引起勾挂的零件；工具做成傻大黑粗，从直观上就给人一个不舒服的感觉。
2009年6月底，有一批每件18~20t的卷钢要从我港出口，当时我们没有吊具可装卸，若要订购，至少要1个月的时间才能交货，并且需要4万元一套，在时间紧的情况下，公司要求我们自行设计制造；当时，我队正好库存有制造钢板钩的钢板（A3δ40钢板），我队仅用了1个星期左右的时间就完成了2套C型钩的设计制造任务，仅用资金 32415元，并且还可利用所剩边角料来锻造钢板钩110个（购买200元/个，剩余边角料费用6757元），实际两套C型钩的制作成本仅为25658元，为公司节约材料费40000×2-25658＋200×110－6757=69585，为装卸及时提供了吊具。
工属具的设计以货物特性为基础，由于卷钢形状为一圆柱形，自身承受外力的能力较强，总体包装结实，不易松散，中间有一个Ф700毫米的孔，可考虑C型吊具进行起吊；C型吊具上端要考虑起吊位置和平衡绳位置（可根据卷钢的长度，利用花兰螺丝进行调节），下端钩住卷钢，起吊情况如图一所示，该卷钢吊具尺寸以及受力力情况如图二所示，从图中可看出，吊具的受力薄弱环节是A—A截面和B—B截面，所以只要对该截面进行强度和刚度核算就可以了。
下面就C型钩的设计进行强度校核：
1、A-A截面的强度
已知H=450mm，B=80mm，Q=G=25t
A-A截面模数W=BH2/6=80×4502/6=2.7×106mm3
A-A截面最大弯矩Mmax=860Q=860×25×1000×9.8
=2.107×108N·mm
弯矩引起的正应力бmax= Mmax/W=2.107×108/2.7×106
=78.037MPa
已知A3钢板的屈服强度бs=220MPa,安全系数取K=k材k冲=1.6×1.6=2.56,则许用应力[б]=бs/k=220/2.56=85.94MPa将б与[б]相比较,显然бmax<[б]。
再验算集中力Q在A-A截面处产生的最大剪应力τ=QS/BI,对于矩形截面来说,截面上矩中性轴为y距离以外部分面积对中性轴的静矩S=BH2(1-4y2/H2)/8,整个截面对中性轴的惯性矩I=BH3/12,则τ=QS/BI=3Q(1-4y2/H2)/2BH
此式表明,矩形截面的弯曲剪应力τ沿截面高度方向按二次抛物线规律变化,当y=±H/2时,即在截面的上、下边缘处，τ=0，在中性轴上，即y=0处，剪应力最大，其值为
τmax=3Q/2BH=3×25×1000×9.8/2×80×450=10.208MPa
许用剪应力[τ]可近似为许用正应力的一半,
即[τ]= [б]/2=39.02 MPa,显然τmax<[τ]。
由于бmax<[б]，τmax<[τ] ，A-A截面满足强度要求。
2、B-B截面的强度
已知H=80mm,B=600mm，Q=G=25t
B-B截面模数W=HB2/6=80×6002/6=4.8×106mm3
B-B截面最大弯矩Mmax=(860+300)Q=1160×25×1000×9.8
=2.842×108N·mm
由弯矩产生的正应力б1=Mmax/W=2.842×108/4.8×106=59.208 MPa
求集中力Q在B-B截面产生的拉应力：б2=Q/A
截面面积A=BH=600×80=48000mm2
拉应力б2=Q/A=25×1000×9.8/48000=5.104MPa
对于B-B截面内侧拉应力叠加后总应力值增加
бmax=б1+б2=59.208+5.104=64.312MPa
對于B-B截面外侧拉应力叠加后总应力值减少
бmin=б1-б2=59.208-5.104=54.104Mpa
显然,B-B截面满足强度条件。
该吊具设计、制作完成后，经过245570t的装船作业，作业全天效率为7169吨/天，达到了先进港口的装卸效率，得到了集团公司领导及技术部门、调度部门的肯定。
该吊具适用于25吨以下的重型钢卷的装卸作业，吊具结构简单，操作方便。
【关键词】港口装卸；工属具；强度；刚度C型卷钢吊具
港口装卸工属具是港口装卸的重要工具，其设计制作的优劣，直接影响着装卸效率、货运质量、装卸作业人员的安全；缺乏有效实用的装卸工属具，装卸效率就难以提高，而低效率的装卸就好比狭小的节流孔堵塞通道一样，影响货物输运的畅通。从设计的合理性、材料的受力情况来看，优秀的设计更能充分利用材料的特性，提高属具的强度和刚度，更好利用其边角料。
本人认为装卸工属具的设计准则有以下几点：
1、结构要尽可能简单
我们知道，在制造水平相同的情况下，构件越多的机械比构件较少的机械故障点更多，装卸工属具也是如此，使用时的环境比较恶劣，承受冲击力大，使用频繁高，因此损坏率较高，构件在使用了一定时间后，由于磨损或材料的疲劳，会产生损耗引起配合不好或裂纹，从而损坏。另外，工具结构复杂也会给检查维修带来不便，同样生产一个产品，零件少，加工工艺就简单，所用的材料亦少，成本就更具有竟争力，所以，一个好的工具研制人员就要千方百计使工具制造成既实用又简单。
2、要保证足够的强度和刚度
强度和刚度是保证工具正常使用的最重要指标，要保证强度和刚度要作多方面的努力：
首先，在强度计算时要取足够而合理的安全系数。
其次，在制造时每道工艺都要把握质量关。例如材料选用要合理，不得使用有裂纹、厚度不均或锈蚀老化的钢材；截面尺寸不得有明显的陡降；能圆弧过渡的就不要成尖角过渡，以免产生应力集中；焊接时，要根据材料正确选用焊条，焊缝强度要保证；根据不同的材料选择合适的热处理工艺以达到最佳强度。
刚度，除考虑正常的货物受力外，由于工属具作业时，常受到作业机械和货物的碰撞，这些作用力是设计制造工属时，难以考虑的“额外力”，所以在设计制造工属时，要适当考虑这些力，以保证工属的可靠性、实用性，
最后，工具制成后要由专人进行检验，有条件的应抽样上拉力机进行拉力试验，无条件的也要进行试用。要本着一丝不苟的态度对待工具的设计、制造，确保强度和刚度，杜绝装卸事故的发生，这是我们工属具设计、制造管理人员工作的准则。
3、自重要尽可能的轻
大多数装卸工具需要工人在作业时搬动，降低工具的自重也能减轻工人的劳动强度，而设计的强度和刚度与自重的大小又是相矛盾的。一般情况下，强度和刚度越高，自重就越大，采用以下四种方法可以达到既保证工具的强度和刚度，又能降低自重的目的。
①设计时，安全系数要取得合理恰当，不能认为“高高益善”，同时要加强使用时的监督，严禁超负荷使用。
②结构尽可能简单，零配件少，是减轻重量的重要手段。
③万能式工具难以设计制造得轻，例如钢板有厚有薄，可调式钢板钳是根据钢板钳所能承受的最大负荷设计的，因此在吊运大负荷钢板时强度和刚度正合适，而对小负荷钢板作业时强度和刚度就过剩，构件大了，也会增加工人的劳动强度，所以，按照不同钢板负荷将钢板钳做成各种规格，使用时按需选择，效果更佳。
④合理运用材料自身的结构
能用管材的，就不用实心材料；能用平衡绳调节的，就不用配重块，例如C型吊具的设计，同样起吊负荷的吊具，使用配重块时，吊具的重量比使用平衡绳的重量重约2吨左右。
4、要确保货物质量和使用安全
装卸的目的就是完整无损的把货物从一地运到另一地，所以，使用工具就要保证货物的质量；工具不但要确保货物质量，也要确保使用安全，容易造成工伤事故的工具，纵有千般优点，也是没有生命力的，因此，在工具设计时要把可能会引起事故的隐患排除掉。
5、使用方便
工具是由工人来使用的，假若使用起来很麻烦就不会受工人的欢迎；一件装卸工具的生命力强与否，使用方便与否是个重要的因素。
6、外形美观
外形要美观，无戳人及引起勾挂的零件；工具做成傻大黑粗，从直观上就给人一个不舒服的感觉。
2009年6月底，有一批每件18~20t的卷钢要从我港出口，当时我们没有吊具可装卸，若要订购，至少要1个月的时间才能交货，并且需要4万元一套，在时间紧的情况下，公司要求我们自行设计制造；当时，我队正好库存有制造钢板钩的钢板（A3δ40钢板），我队仅用了1个星期左右的时间就完成了2套C型钩的设计制造任务，仅用资金 32415元，并且还可利用所剩边角料来锻造钢板钩110个（购买200元/个，剩余边角料费用6757元），实际两套C型钩的制作成本仅为25658元，为公司节约材料费40000×2-25658＋200×110－6757=69585，为装卸及时提供了吊具。
工属具的设计以货物特性为基础，由于卷钢形状为一圆柱形，自身承受外力的能力较强，总体包装结实，不易松散，中间有一个Ф700毫米的孔，可考虑C型吊具进行起吊；C型吊具上端要考虑起吊位置和平衡绳位置（可根据卷钢的长度，利用花兰螺丝进行调节），下端钩住卷钢，起吊情况如图一所示，该卷钢吊具尺寸以及受力力情况如图二所示，从图中可看出，吊具的受力薄弱环节是A—A截面和B—B截面，所以只要对该截面进行强度和刚度核算就可以了。
下面就C型钩的设计进行强度校核：
1、A-A截面的强度
已知H=450mm，B=80mm，Q=G=25t
A-A截面模数W=BH2/6=80×4502/6=2.7×106mm3
A-A截面最大弯矩Mmax=860Q=860×25×1000×9.8
=2.107×108N·mm
弯矩引起的正应力бmax= Mmax/W=2.107×108/2.7×106
=78.037MPa
已知A3钢板的屈服强度бs=220MPa,安全系数取K=k材k冲=1.6×1.6=2.56,则许用应力[б]=бs/k=220/2.56=85.94MPa将б与[б]相比较,显然бmax<[б]。
再验算集中力Q在A-A截面处产生的最大剪应力τ=QS/BI,对于矩形截面来说,截面上矩中性轴为y距离以外部分面积对中性轴的静矩S=BH2(1-4y2/H2)/8,整个截面对中性轴的惯性矩I=BH3/12,则τ=QS/BI=3Q(1-4y2/H2)/2BH
此式表明,矩形截面的弯曲剪应力τ沿截面高度方向按二次抛物线规律变化,当y=±H/2时,即在截面的上、下边缘处，τ=0，在中性轴上，即y=0处，剪应力最大，其值为
τmax=3Q/2BH=3×25×1000×9.8/2×80×450=10.208MPa
许用剪应力[τ]可近似为许用正应力的一半,
即[τ]= [б]/2=39.02 MPa,显然τmax<[τ]。
由于бmax<[б]，τmax<[τ] ，A-A截面满足强度要求。
2、B-B截面的强度
已知H=80mm,B=600mm，Q=G=25t
B-B截面模数W=HB2/6=80×6002/6=4.8×106mm3
B-B截面最大弯矩Mmax=(860+300)Q=1160×25×1000×9.8
=2.842×108N·mm
由弯矩产生的正应力б1=Mmax/W=2.842×108/4.8×106=59.208 MPa
求集中力Q在B-B截面产生的拉应力：б2=Q/A
截面面积A=BH=600×80=48000mm2
拉应力б2=Q/A=25×1000×9.8/48000=5.104MPa
对于B-B截面内侧拉应力叠加后总应力值增加
бmax=б1+б2=59.208+5.104=64.312MPa
對于B-B截面外侧拉应力叠加后总应力值减少
бmin=б1-б2=59.208-5.104=54.104Mpa
显然,B-B截面满足强度条件。
该吊具设计、制作完成后，经过245570t的装船作业，作业全天效率为7169吨/天，达到了先进港口的装卸效率，得到了集团公司领导及技术部门、调度部门的肯定。
该吊具适用于25吨以下的重型钢卷的装卸作业，吊具结构简单，操作方便。