球扁钢全方位吊装专用夹具的设计

孙冰妍, 于功志, 王 泽

(1.大连海洋大学，辽宁 大连 116023；2.渤海造船厂集团有限公司，辽宁 葫芦岛 125001)

球扁钢有着特殊外形结构，由形状不规则的球状球头和扁平的腹板构成，属于不对称型钢，是船用型钢家族中用量最大一种，因其具有很高的强度，船体结构设计时主要用于壳体的结构加劲肋，是船体结构的重要组成材料。目前市场上的吊装夹具种类很多趋于多样化，但是由于球扁钢球头形状不规则的特点，现有吊装夹具均无法实现球扁钢全位置安装。

1 现有吊装夹具存在的问题

球扁钢的吊运目前还是传统的吊装方法，使用现有夹具，夹住球扁钢的腹板下端，吊起后球扁钢球头朝下，吊运到生产现场位置放平，球扁钢组立定位时使用现场自制的工装进行安装定位。自制工装常用的有两种：第一种工装十分简易，用一根圆铁管，在铁管的一端焊接圆形卡板，卡板上切割凹形开孔槽用来卡住球扁钢球头，使用时将开口槽套住球扁钢的球头，施工人员对圆管另一端向下施压，利用杠杆原理依靠人力使球扁钢翻转90°立起来后定位在板架上；此简易工装费时费力，现场生产的工人劳动强度大，且生产效率不高。第二种工装也比较常见，使用钢板按球扁钢形状切割开口槽的仿形吊装夹具，使用方法需要先从球扁钢两端穿进去，拉到合适位置后再起吊；最大的缺点是球扁钢摆放等原因，仿形夹具从球扁钢两端穿进去不方便，其次是起吊后仿形卡板易发生滑动，钢索夹角变小，导致球扁钢滑落，存在安全隐患。

2 设计思路

基于传统吊装夹具存在的问题，现迫切需要设计一种多功能的新型球扁钢吊装夹具，以满足船舶建造中球扁钢在现场施工正置水平、反置水平、反置垂直等安装方向的要求。

吊运就是使用夹持吊装夹具快速、有效、牢固的夹持目标物体，使用起重机将物体安全平稳的运送到指定地点，所以吊装夹具设计前应分析球扁钢的结构和安装方向要求。球扁钢的结构[1]见图1，左面部分为球状的球头，右面部分为扁平的腹板，典型的不对称型钢，而且因船体结构强度设计要求，按我国船舶设计惯例全船需安装的球扁钢数量较多。生产过程中，球扁钢安装设计均是腹板与结构进行焊接，要保证球扁钢的直接定位安装，传统的夹持腹板吊装夹具方案不可行，需要深入研究设计一种新型夹持吊装夹具。新型夹具需要满足如下需求：一是夹持吊装夹具的夹头与球扁钢球头相匹配；二是吊装夹具可以直接夹持在球头起吊点上，避免吊装夹具从球扁钢两端穿的问题；三是吊装夹具需满足球扁钢正反垂直和水平安装方向要求。

3 吊装夹具结构设计

根据球扁钢特殊的结构和吊装夹具设计要求，结合实际生产过程中球扁钢安装球头远离安装面的

图1 球扁钢结构

情况，考虑将球扁钢球头作为吊装夹具的夹持和起吊面。多功能吊装夹具的结构如图2所示，主要由本体、旋转轴、圆柱销、螺栓、吊环组成[2]。

图2 吊装夹具结构

(1)吊装夹具本体使用Q235钢板加工而成，为确保夹持吊装夹具本体夹头与球扁钢球头更好的匹配，吊装夹具本体夹头外形设计为球头形状。

(2)为保证吊装夹具快速准确的在起吊点位置夹持球扁钢球头，吊装夹具本体夹头设计为A、B两部分，通过旋转轴实现夹头的开合，而且吊装夹具本体夹头的A、B两部分上设计圆柱销和销孔，吊装夹具夹持球头后，圆柱销插进销孔，限制夹头的打开，这样可以杜绝吊运过程中吊装夹具松脱等危险问题的发生。

(3)为实现球扁钢的垂直、水平多种吊装安装要求，吊装夹具本体A、B两部分各设计有螺孔。A部分的螺孔中安装一根不可拆卸的夹紧螺栓，夹紧螺栓一端设计圆板用于和吊装夹具本体另一部分共同夹紧球扁钢球头，夹紧螺栓另一端设计连接头，可以安装附加吊环，以此附加吊环为吊点，可以实现球扁钢的水平吊装；随着球扁钢高度不同，夹紧螺栓和吊环之间可以增加连接螺栓，保证吊装夹具吊点与球扁钢水平状态下重心的平衡，起吊后球扁钢能够水平。吊装夹具本体B部分的螺孔同样用于安装连接螺栓和吊环，实现球扁钢的反置水平吊装。

(4)吊装球扁钢时吊车钢索与垂直、水平位置上对应的吊环配合，可以实现球扁钢吊装夹具的全位置多功能。

4 吊装夹具工作原理介绍

根据球扁钢不同的安装方向要求，吊装夹具具体使用方法不同。

4.1 球扁钢垂直方向正置吊装

首先将吊运卸扣安装在吊装夹具本体A部分吊孔，2个吊装夹具分别移到球扁钢合适位置的起吊点，吊装夹具本体B部分旋转，当与球扁钢球头匹配，吊装夹具本体A、B两部分销孔重合时，安装圆柱销，调整吊装夹具本体A部分的夹紧螺栓，夹紧螺栓与吊装夹具本体B部分相配合夹紧球扁钢球头，起重机钩头起升，吊运到指定位置直接进行定位安装，实现球扁钢的垂直方向正置吊装，适用于地面水平结构球扁钢的定位安装[2]，如图3所示。

4.2 球扁钢水平方向吊装

因大规格球扁钢高度大，为保证球扁钢水平吊运时的重心平衡，吊装夹具A部分的夹紧螺栓和吊装夹具本体B部分夹紧球扁钢球头，安装圆柱销后，在夹紧螺栓的连接头端或吊装夹具B部分的螺孔提前安装附加加长吊环(小规格球扁钢安装附加普通吊环)，吊运卸扣安装在附加加长吊环上，起重机钩头起升，吊运到指定位置直接进行定位安装，实现球扁钢的水平方向正置或反置吊装，适用于垂直结构球扁钢的安装[3]，如图4所示。

图3 垂直正置吊装 图4 水平正置吊装

4.3 球扁钢垂直方向反置吊装

吊装夹具本体B部分螺孔和吊装夹具本体A部分夹紧螺栓的连接头提前安装附加普通吊环，每个附加吊环各安装一个吊运卸扣，吊装夹具本体B部分旋转，当与球扁钢球头匹配，吊装夹具本体A、B两部分销孔重合时，安装圆柱销，调整吊装夹具本体A部分的夹紧螺栓，夹紧螺栓与吊装夹具本体B部分相配合夹紧球扁钢球头，起重机钩头起升，最终实现球扁钢的垂直方向反置吊装，适用于舱室顶棚水平结构的球扁钢安装。

5 吊装夹具强度校核

此吊装夹具的整体结构功能设计在理论上满足球扁钢全方位吊装夹具设计要求。当夹具夹持球扁钢吊运过程中，夹具可看作吊耳，在外力作用下需要抵抗永久变形和断裂的能力，下面对夹具主要受力部位进行强度计算校核。

5.1 吊环吊装能力

水平吊运球扁钢时需要使用附加吊环，如图4所示为双环起吊。设计吊环型号M30x3.5-6g,螺纹长度50 mm,工作拉力：50 kN。

根据(GB/9945-2001)标准，船用国标球扁钢理论质量最大为38.77 kg/m，按球扁钢长度25 m计算，球扁钢重量为9.7 kN。

根据(GB/T825-1988)标准，M30吊环双环起吊最大重量为12.5 kN，吊环满足吊装要求。

5.2 夹具A部分眼孔强度

5.3 圆柱销

经上述夹具主要受力部位强度计算和校核验证，证明此吊装夹具尺寸参数设计满足使用要求。

6 结束语

船舶制造具有大型、多品种、小批量的特点，球扁钢多功能吊装夹具是针对船舶制造中实现球扁钢多种安装方向而设计的，多功能吊装夹具可以满足船企生产现场急需的全位置吊装要求，值得在船体装配和其他制造业内广泛推广。

(1)与现有技术相比，较市场上类似的吊装夹具有较大改进，解决了球扁钢垂直方向和水平方向的正置和反置吊装等多工况吊装要求下吊装难题。

(2)仅此一种吊装夹具即可满足不同规格的球扁钢吊装要求。

(3)保证了现场生产吊装安全、减轻了劳动负荷，减低人力成本，提高生产效率。

(4)吊装夹具结构简单，维护保养操作方便。