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引言：本文通过对自动立式吊具外钳口与钢卷表面接触不佳而导致钢卷表面损伤的问题加以分析，提出了通过根据钳口中心距离变化而改变外钳口曲线曲率的优化设计。通过钳口和钢卷两者之间接触地方的长度测量以及钢卷所具备的表面应力大小值的研究，我们发现对钳口处曲线弯曲成都进行转变能够有效的缓解由于吊具和钢卷之间摩擦而导致的损坏问题，对于避免钢卷表面受到损伤有很好的作用。
一、自动立式吊具相关概念论述及所存在缺陷
这里我们所提到的自动立式吊具其实指的就是被广泛应用于钢卷吊运工作的机械设备，因为具有其操作起来较为简单，因此被越来越多的运用造立式钢卷吊运工作中。按照钢卷吊具所具有的应用途径不同，我们一般将其分为两个部分，分别是卧式以及立式。立式吊具通常是被应用在钢卷的抓取及传送中。现在，立式钢卷在应用的过程中体现出下面这些缺陷：①在进行钢卷运送的时候，因为吊具局部的抓取力度太大，因而经常会导致发生钢卷形态被破坏的问题；②曲杆作为整个吊具中最为挂件的承受重量部分，如果长时间处在工作的状态下，也会存在磨损开裂的现象，并最终导致安全事故的发生；③因为吊具本身的重量很大，造成它所具有的运送性能降低。
要减少钢卷表面损伤，实际上就是要改善吊具钳口与钢卷表面间接触条件。增大接触面积不仅可以减小接触应力集中，还可以增大起吊过程中摩擦力，从而减小相对滑动。
二、有限元仿真分析
（一）模型简化。为提高计算效率，对钳口夹紧钢卷模型进行如下简化：1）假设内外钳口为刚体；2）忽略钢卷轴向变形，简化为平面应变模型；3）通过动力学仿真，得到夹紧力与卷重关系约为5.2：1，将夹紧力作为边界条件输入有限元模型。
（二）材料模型。对现场取样带钢层叠后进行压缩实验得到钢卷径向压缩特性如图1所示。
图1 钢卷径向压缩特性
通过单向拉伸实验得到周向材料参数为：弹性模量E=210GPa，泊松比u=0.3，屈服极限OS=240MPa。并对带钢与钳口之间摩擦系数进行测定，得到带钢与钳口摩擦系数约为0.3。
（三）结果分析。为定量描述钳口与钢卷间接触条件，定义以下指标。
1）LC：有效接触区长度，即钢卷表面接触压力不为零的区域，有效接触区越长，钢卷表面受力越均匀，出现夹伤概率也越小；2）Omax：钢卷表面应力峰值。图2、图3分别为不同外径钢卷外表面等效M ises应力分布、应力峰值及有效接触区长度比较。可以看出，对于不同外径钢卷，M ises应力分布形式基本一致，都在距钳口边部50mm处存在约100mm宽的应力集中带。
图2 不同外径钢卷外表面M ises应力分布 图3 钢卷外表面M ises应力峰值及有效接触区长度
三、外钳口内廓曲面优化设计
现在我们通过直线和圆弧相切得到一个外钳口的曲线，在进行吊运各种直径大小的钢卷过程中，我们能够确保钢卷和外钳口从开始到最后都是相切的位置存在的，因此该设计最明显的优势就是能够在调运各种类别钢卷的时候都可以确保稳定性，可以符合各种类别钢卷在调运时候的需求标准。不过这一设计方案也不是完全无缺点的，他所存在的问题是，在夹紧钢卷的时候只有切线地方是处于接触的状态的，整个接触的面积相对来说不够大，这极易导致在这一接触区域出现应力集中的问题。为了达到延长接触区域长度并且降低夹紧过程中钢卷表面所受应力最大值的问题，在这里我们将设计方案进一步的改进，我们提出了一种全新的钳口曲线概念，其弯曲率能够因为接触地方的变化而不断的变动。在夹紧的过程中，各种类别的钢卷和外钳口能够在位于曲率近似的地方相接触，当钢卷的表面出现不易察觉的形态变化的时候，他就能够做出调整，从而确保接触面积不会过小，最终体现出优化接触条件的功效。集合曲率的改变途径我们做出了全新的规划。将钳口的中心设置为整个方案的原点，他的宽度沿着x轴展开来，我们可以将钳口的曲率转换表示为以下形式：
上述公式中k1表示的是设计一中的曲线所有的曲率；x表示的是和钳口中心之间所存在的长度距离；A，B表示的是所吊运的钢卷外部直径的区间值；W表示的是钳口的宽度值；n表示的是幂次。
四、外钳口内廓曲面计算分析
通过数值计算得到外钳口与钢卷间接触压力分布及钢卷表面应力分布。针对直径在1400mm到2200mm之间的钢卷而言，全新的设计可以十分显著的提升接触区域的长度值，对于那些制造量较大的至今在1800mm到2200mm之间的钢卷，当n=2的情况下有效接触区长度更增加一倍以上。
通过仿真模拟可知，n取不同的数值，可以获得具有不同接触状态的钳口曲面。当n=4的时候，直径等于2200mm的接触地方的长度有明显的提升，相对的钢卷表面所受到的M ises应力最大值显著降低，和之前相比，接触区的长度差不多变大了一倍的值，钢卷表面所受到的Mises應力最大值经计算减小差不多三成左右。
五、结论
综上所述，本文我们在外钳口部曲线的弯曲率会因为其与钳口中心之间的距离长度改变而发生改变连续变化这一规律的基础上规划出全新的外钳口曲线曲率。在经过试验之后证实这一曲线曲率值能够符合在吊运各种规格钢卷时所需的标准，同时还有利于钳口和钢卷两者在接触时所存在问题的缓解，有效降低钢卷自身所受到的表面应力的最高值，从而体现出避免钢卷表面受到磨损消耗的功效。可以作为今后这一类别设计工作中的有力参考。
参考文献
[1]曹文君.专用立式吊具机构优化设计与仿真研究[D].华东理工大学，2011.
[2]徐增丙，李友荣，王志刚，陈贤波.立式吊具右曲杆强度的有限元分析[J].起重运输机械，2005，07：32-34.
（作者单位：广西柳州钢铁（集团）公司冷轧板带厂）
一、自动立式吊具相关概念论述及所存在缺陷
这里我们所提到的自动立式吊具其实指的就是被广泛应用于钢卷吊运工作的机械设备，因为具有其操作起来较为简单，因此被越来越多的运用造立式钢卷吊运工作中。按照钢卷吊具所具有的应用途径不同，我们一般将其分为两个部分，分别是卧式以及立式。立式吊具通常是被应用在钢卷的抓取及传送中。现在，立式钢卷在应用的过程中体现出下面这些缺陷：①在进行钢卷运送的时候，因为吊具局部的抓取力度太大，因而经常会导致发生钢卷形态被破坏的问题；②曲杆作为整个吊具中最为挂件的承受重量部分，如果长时间处在工作的状态下，也会存在磨损开裂的现象，并最终导致安全事故的发生；③因为吊具本身的重量很大，造成它所具有的运送性能降低。
要减少钢卷表面损伤，实际上就是要改善吊具钳口与钢卷表面间接触条件。增大接触面积不仅可以减小接触应力集中，还可以增大起吊过程中摩擦力，从而减小相对滑动。
二、有限元仿真分析
（一）模型简化。为提高计算效率，对钳口夹紧钢卷模型进行如下简化：1）假设内外钳口为刚体；2）忽略钢卷轴向变形，简化为平面应变模型；3）通过动力学仿真，得到夹紧力与卷重关系约为5.2：1，将夹紧力作为边界条件输入有限元模型。
（二）材料模型。对现场取样带钢层叠后进行压缩实验得到钢卷径向压缩特性如图1所示。
图1 钢卷径向压缩特性
通过单向拉伸实验得到周向材料参数为：弹性模量E=210GPa，泊松比u=0.3，屈服极限OS=240MPa。并对带钢与钳口之间摩擦系数进行测定，得到带钢与钳口摩擦系数约为0.3。
（三）结果分析。为定量描述钳口与钢卷间接触条件，定义以下指标。
1）LC：有效接触区长度，即钢卷表面接触压力不为零的区域，有效接触区越长，钢卷表面受力越均匀，出现夹伤概率也越小；2）Omax：钢卷表面应力峰值。图2、图3分别为不同外径钢卷外表面等效M ises应力分布、应力峰值及有效接触区长度比较。可以看出，对于不同外径钢卷，M ises应力分布形式基本一致，都在距钳口边部50mm处存在约100mm宽的应力集中带。
图2 不同外径钢卷外表面M ises应力分布 图3 钢卷外表面M ises应力峰值及有效接触区长度
三、外钳口内廓曲面优化设计
现在我们通过直线和圆弧相切得到一个外钳口的曲线，在进行吊运各种直径大小的钢卷过程中，我们能够确保钢卷和外钳口从开始到最后都是相切的位置存在的，因此该设计最明显的优势就是能够在调运各种类别钢卷的时候都可以确保稳定性，可以符合各种类别钢卷在调运时候的需求标准。不过这一设计方案也不是完全无缺点的，他所存在的问题是，在夹紧钢卷的时候只有切线地方是处于接触的状态的，整个接触的面积相对来说不够大，这极易导致在这一接触区域出现应力集中的问题。为了达到延长接触区域长度并且降低夹紧过程中钢卷表面所受应力最大值的问题，在这里我们将设计方案进一步的改进，我们提出了一种全新的钳口曲线概念，其弯曲率能够因为接触地方的变化而不断的变动。在夹紧的过程中，各种类别的钢卷和外钳口能够在位于曲率近似的地方相接触，当钢卷的表面出现不易察觉的形态变化的时候，他就能够做出调整，从而确保接触面积不会过小，最终体现出优化接触条件的功效。集合曲率的改变途径我们做出了全新的规划。将钳口的中心设置为整个方案的原点，他的宽度沿着x轴展开来，我们可以将钳口的曲率转换表示为以下形式：
上述公式中k1表示的是设计一中的曲线所有的曲率；x表示的是和钳口中心之间所存在的长度距离；A，B表示的是所吊运的钢卷外部直径的区间值；W表示的是钳口的宽度值；n表示的是幂次。
四、外钳口内廓曲面计算分析
通过数值计算得到外钳口与钢卷间接触压力分布及钢卷表面应力分布。针对直径在1400mm到2200mm之间的钢卷而言，全新的设计可以十分显著的提升接触区域的长度值，对于那些制造量较大的至今在1800mm到2200mm之间的钢卷，当n=2的情况下有效接触区长度更增加一倍以上。
通过仿真模拟可知，n取不同的数值，可以获得具有不同接触状态的钳口曲面。当n=4的时候，直径等于2200mm的接触地方的长度有明显的提升，相对的钢卷表面所受到的M ises应力最大值显著降低，和之前相比，接触区的长度差不多变大了一倍的值，钢卷表面所受到的Mises應力最大值经计算减小差不多三成左右。
五、结论
综上所述，本文我们在外钳口部曲线的弯曲率会因为其与钳口中心之间的距离长度改变而发生改变连续变化这一规律的基础上规划出全新的外钳口曲线曲率。在经过试验之后证实这一曲线曲率值能够符合在吊运各种规格钢卷时所需的标准，同时还有利于钳口和钢卷两者在接触时所存在问题的缓解，有效降低钢卷自身所受到的表面应力的最高值，从而体现出避免钢卷表面受到磨损消耗的功效。可以作为今后这一类别设计工作中的有力参考。
参考文献
[1]曹文君.专用立式吊具机构优化设计与仿真研究[D].华东理工大学，2011.
[2]徐增丙，李友荣，王志刚，陈贤波.立式吊具右曲杆强度的有限元分析[J].起重运输机械，2005，07：32-34.
（作者单位：广西柳州钢铁（集团）公司冷轧板带厂）