CN204150963U - 一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，包括连接座、芯轴、阻尼结构和缓冲装置；连接座包括内导套和外导套，连接座、内导套分别套接在芯轴的外围，芯轴的外圆柱面与外导套的内圆柱面相配合形成第一移动副；内导套的一端设置有圆柱凸台，芯轴一端形成空腔，圆柱凸台置于芯轴的空腔内部，圆柱凸台的外圆柱面与空腔的内圆柱面相配合构成第二移动副；芯轴两侧的空腔与外导套之间分别套接有缓冲装置，缓冲装置为变刚度的弹性组件；由空腔、内导套、外导套、圆柱凸台所围成的连续贯通的两个封闭空间内填充满粘性阻尼材料构成阻尼结构；不仅能够对冲击载荷进行快速的化解，而且当冲击载荷超过允许极限值时，能够发出报警信号。

Description

一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置

技术领域

本实用新型属于起重机械领域，尤其是一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置。 

背景技术

传统的起重机械在起吊重物时没有缓冲装置，起吊过程中经常会遇到较大的冲击载荷，引起起吊重物低频晃动和上下高频跳动，起吊重物跳动和晃动所储备的动能与吊绳、起重设备弹性变形所储备的弹性势能之间相互转化，并最终被吊绳与起重设备的结构阻尼缓慢衰减掉。在动能与弹性势能相互转化的过程中，吊绳和起重设备会承受交变的周期载荷，引起吊绳和起重设备的疲劳破坏。除此之外，在重物起吊瞬间、半空制动悬停瞬间，冲击载荷为作用时间很短、峰值很高瞬态冲击载荷，对吊绳和起重设备会产生很大冲击，实际应用中因此而引发的安全事故屡见不鲜。为降低交变周期载荷和瞬态冲击载荷的不利影响，通常采用两个方法：1、降低起吊速度，带来的问题就是生产效率降低，影响经济效益；2、加大设备的安全系数，对节能减排不利，不符合绿色设计的现代设计理念。 

为解决上述问题：申请号为201120078027.4的“一种弹性吊具”；申请号为201320368307.8的“弹性吊具”；申请号为201210101325.X的“吊装设备及其吊钩结构”；申请号为201210335304.4的“集装箱吊具缓冲装置、集装箱吊具及集装箱起重机”；申请号为200920233268.4的“起重吊钩缓冲装置”均希望通过一些改进解决起重机械在操作过程中产生的不利影响。 

以上技术方案及结构各有特点，但是其技术原理基本相似，对于降低瞬态冲击载荷的峰值有效，但是存在如下问题：1、缓冲装置只有弹簧，没有阻尼材料，由于没有阻尼材料对起吊重物晃动和上下跳动的动能进行快速衰减，因此会产生较大的晃动或者跳动，甚至引起共振，影响起吊过程的稳定性；2、缓冲弹簧在整个变形范围内的刚度特性均为线性，线性刚度特性不利于对瞬态冲击载荷的缓冲，如果刚度过大则对瞬态冲击载荷峰值的化解作用不大，起不到理想缓冲效果，如果刚度过小则会在起吊载荷较大时表现过“软”，不能对重物起到很好的支撑作用，引起重物过大的晃动和跳动，影响起吊的稳定性； 3、没有现场的紧急过载报警功能，现有技术一般在起重设备操控室设置有过载报警装置，但是由于其与现场操作者之间距离较远，当起吊力达到过载极限时，不能对现场操作人员在第一时间发出警告，实际使用当中仍然存在安全隐患。 

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种用于吊装作业的耗能安全装置，不仅能够对冲击载荷进行快速的化解，而且当冲击载荷超过允许极限值时，能够发出报警信号。 

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案为： 

一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，所述耗能缓冲安全装置包括连接座、芯轴、阻尼结构和缓冲装置；所述连接座包括内导套和外导套，所述内导套位于外导套的内部，所述连接座、内导套分别套接在芯轴的外围，且所述芯轴的外圆柱面与外导套的内圆柱面相配合形成第一移动副；所述内导套的一端设置有圆柱凸台，所述芯轴一端形成空腔，所述圆柱凸台置于芯轴的空腔内部，所述圆柱凸台的外圆柱面与空腔的内圆柱面相配合构成第二移动副；所述芯轴两侧的空腔与外导套之间分别套接有缓冲装置，所述缓冲装置为变刚度的弹性组件，该变刚度弹性组件由刚度渐增的两个以上的蝶形弹簧片串联而成；所述变刚度的弹性组件周向均匀分布有多个第二阻尼孔，并沿内壁均匀分布有多个第三阻尼孔；所述缓冲装置与内导套的外围之间存在第二间隙；由空腔、内导套、外导套、圆柱凸台所围成的连续贯通的两个封闭空间内填充满粘性阻尼材料构成阻尼结构；

所述缓冲装置包括第一弹簧组、第二弹簧组和第三弹簧组，所述第一弹簧组的底端与外导套的下端面的内侧重合，所述第三弹簧组的顶端与空腔的下端面重合；所述第一弹簧组包括两片蝶形弹簧钢片对合组成，所述第二弹簧组由四片蝶形弹簧钢片两两叠合后对合组成，所述第三弹簧组由八片蝶形弹簧钢片四四叠合后对合组成；

所述内导套同轴设置在外导套内部，所述内导套的下部端面与外导套的下部端面刚性连接；所述芯轴包括第一连接杆和空腔，所述第一连接杆与空腔同轴设置，所述第一连接杆的上端面与空腔上端面的内侧刚性连接；所述芯轴通过内导套设置在连接座内部，且芯轴与连接座同轴设置；所述缓冲装置分别设置在芯轴两侧的空腔的下端面与外导套下端面的内侧之间；

所述第一连接杆设置成长杆形，其下端设置有第一圆孔；所述空腔的下端面上设置有若干第一阻尼孔；所述空腔下端面的内圆柱孔与第一连接杆的外圆柱面之间留有第一间隙；

所述连接座的上方同轴设置有第二连接杆，所述第二连接杆的下部端面与外导套的上端面刚性连接；所述第二连接杆的的上方设置有第二圆孔；

所述外导套的上部同轴设置有通孔和沉孔，且所述沉孔位于通孔的上方；所述第一连接杆穿过内导套的内圆柱孔，并与内圆柱孔间留有间隙；

所述缓冲装置的外圆与外导套的内圆柱面相互配合形成滑动副，并留有第二间隙；

所述芯轴上方同轴设置有螺纹孔，还设有止推螺钉，所述止推螺钉依次穿过沉孔、通孔连接在螺纹孔内；所述沉孔内设置有第一导电垫圈，所述止推螺钉上的圆柱凸台的下端面上依次固定有绝缘垫圈和第二导电垫圈；所述第一导电垫圈、第二导电垫圈和绝缘垫圈中心位置均开设小孔，用于穿过止推螺钉； 

所述连接座的上部表面设置有报警装置，所述报警装置通过导线与第二导电垫圈连接。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果： 

1、缓冲弹簧具有非线性变刚度特性，在变形初始阶段刚度特性表现得很“软”，可以快速化解瞬态冲击载荷的峰值，在变形的末段刚度特性表现出较好的“韧”性，能够对重物起到很好的支撑作用，确保起吊过程的稳定性；

2、巧妙地设计了具有非线性特性的大阻尼的粘性阻尼结构，能够将重物晃动和跳动所储备的动能快速衰减掉，对于减小吊绳、起吊设备的交变周期载荷，提高疲劳周期，延长使用寿命，提高起吊过程的稳定性均大有裨益；

3、阻尼大小可以调整，调整弹簧组一、二、三间的相对角度，即可对阻尼的大小进行调整，一方面可以更好地对“晃动”和“振动”的能力进行衰减，另外一方面，不同阻尼特性还能够适应不同的应用场合，拓展了适用的领域；

4、设计了过载报警装置，该装置与现场操作人员距离很近，能够在起吊力达到过载极限的第一时间向操作人员发出安全警报，大大提高了现场操作的安全性。

本实用新型结构简单，成本低廉，与现有起重设备兼容性好（直接串联安装在吊钩的上方），不仅可以降低现场安全事故发生概率，提高吊绳和起重设备的使用寿命，同时还能大幅提高起吊作业的生产效率，具有很好的社会效益和经济效益，具有较好的产业化推广价值。 

附图说明

图1-a为整体结构，图1-b为止推螺钉的安装结构示意图，图1-c为缓冲装置的结构示意图； 

图2-a为第一连接杆的剖面图，图2-b为第一连接杆的结构示意图；

图3所示为本实用新型的连接座的结构示意图；

图4-a为蝶形弹簧钢片整体构成，图4-b为第一弹簧组、第二弹簧组、第三弹簧组构成；

图5-a为原理图，图5-b为现有技术的刚度特性曲线；

图6所示为本实用新型的技术原理图；

图7所示为本实用新型的刚度特性曲线；

图8所示为本实用新型与现有技术的效果对比图；

图9-a为第一弹簧组被压缩至极限时的状态，图9-b为第二弹簧组被压缩至极限时的状态，图9-c为第三弹簧组被压缩至极限时的状态；

图10所示为本实用新型第一弹簧组、第二弹簧组和第三弹簧组之间的相对角度调整阻尼大小的示意图； 

其中：1为芯轴，2为连接座，3为缓冲装置，4为粘性阻尼材料，5为止推螺钉，6为绝缘垫圈，7为第一导电垫圈，8为第二导电垫圈，9为报警装置，101为第一连接杆，102为空腔，103为第一阻尼孔，104为螺纹孔，201为第二连接杆，202为外导套，203为内导套，204为圆柱凸台，205为通孔，206为沉孔，300为蝶形弹簧钢片，301为第一弹簧组，302为第二弹簧组，303为第三弹簧组，3001为第二阻尼孔，3002为第三阻尼孔。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。 

如图所示，所述耗能缓冲安全装置包括连接座2、芯轴1和缓冲装置3；图2-a所示，所述芯轴1包括第一连接杆101和空腔102，且第一连接杆101呈长杆形，其下端设置第一圆孔，用于与重物相连；第一连接杆101和空腔102同轴线设置；第一连接杆101的上端面与空腔102内部上面刚性连接，在空腔102下端面上设置有若干细小第一阻尼孔103，图2-b所示。空腔102下端面内圆柱孔与第一连接杆101的外圆柱面之间留有第一间隙。 

所述连接座2包括第二连接杆201、外导套202、内导套203、圆柱凸台204、通孔205和沉孔206，第二连接杆201的上部设置有第二圆孔，用于与吊绳连接，下部端面与外导套202上端面刚性连接。外导套202的上部设置有通孔205和沉孔206，通孔205与沉孔206同轴线且沉孔206位于通孔205的上方。内导套203位于外导套202的内部，同轴线设置，内导套203的下部端面与外导套202下部端面刚性连接。圆柱凸台204同轴线设置在内导套203的上部。 

芯轴1设置于连接座2的内部，二者同轴线，芯轴1的空腔102的外圆柱面与连接座2的外导套202的内圆柱面相配合构成移动副；第一连接杆101穿过内导套203的内圆柱孔，并与内圆柱孔间留有间隙；连接座2的圆柱凸台204位于芯轴1的空腔102的内部，圆柱凸台204的外圆柱面与空腔102的内圆柱面相配合构成移动副； 

所述芯轴1上方同轴设置有螺纹孔104，所述止推螺钉5依次穿过沉孔206、通孔205连接在螺纹孔104内；所述沉孔206内设置有第一导电垫圈7，所述止推螺钉5上的圆柱凸台204的下端面上依次固定有绝缘垫圈6和第二导电垫圈8；所述第一导电垫圈7、第二导电垫圈8和绝缘垫圈6中心位置均开设小孔，用于穿过止推螺钉5；

所述阻尼结构包括在空腔102、内导套203、圆柱凸台204、外导套202所围成的连续的上、下两个封闭空间，且两个封闭空间内充满粘性阻尼材料4；当连接座2相对芯轴1运动时，弹簧缓冲装置3被压缩，上部空间变大，下部空间变小，粘性阻尼材料4会从下部空间压缩到上部空间。在粘性阻尼材料4流动过程中，粘性阻尼材料4流经细小的第一阻尼孔103、第二阻尼孔3001、第三阻尼孔3002和空腔102下端面的内圆柱孔与第一连接杆101的外圆柱面之间留有的第一间隙、缓冲装置3两侧的第二间隙时会产生粘性阻尼力。

图4-a和图4-b所示，所述芯轴1两侧的空腔102的下端面与外导套202下端面的内侧之间分别设有缓冲装置3；所述缓冲装置3包括第一弹簧组301、第二弹簧组302和第三弹簧组303，自然高度分别为L10、L20和L30，弹簧组件总高度为L00。所述第一弹簧组301的底端与外导套202的下端面的内侧重合，所述第三弹簧组303的顶端与空腔102的下端面重合；所述第一弹簧组301包括两片蝶形弹簧钢片300对合组成，其刚度相当于0.5K（即单片蝶形弹簧钢片300的刚度）；所述第二弹簧组302由四片蝶形弹簧钢片300两两叠合后对合组成，其刚度为K；所述第三弹簧组303由八片蝶形弹簧钢片300四四叠合后对合组成，其刚度相当于2K；所述蝶形弹簧钢片300上均匀设置四个第二阻尼孔3001，所述蝶形弹簧钢片300的中心孔内侧均匀设置有四个第三阻尼孔3002。 

蝶形弹簧钢片300材料采用65Mn，激光切割后冲压冲压成型，最后经过淬火处理。 

在起吊载荷的作用下，缓冲装置3产生压缩变形，下部充满粘性阻尼材料4的密闭空间减小，上部充满粘性阻尼材料4的密闭空间增大，粘性阻尼材料4经过缓冲装置3内外两侧的第二间隙，第二阻尼孔3001、第三阻尼孔3002，通过第一阻尼孔103和第一间隙由下部封闭空间被挤压到上部封闭空间，粘性阻尼材料4在间隙和小孔之间的流动产生阻尼力，用于快速将冲击能消耗衰减掉；阻尼力的大小与缓冲装置3的压缩量、压缩变形的速率存在复杂的非线性关系，压缩量越大、变形速率越快阻尼力越大，这种非线性特性对冲击能量的损耗极为有利。 

所述连接座2的上部表面设置有报警装置9，所述报警装置9通过导线与第二导电垫圈8连接。 

图5-a为原理图，图5-b为刚度特性曲线，K1现有技术缓冲刚度、G起吊重量、F起吊力、X0缓冲装置3压缩极限。现有技术要么刚度过大过于生硬，缓冲作用不明显，要么刚度太小，太软，导致起吊重物上下跳动左右晃动过大，严重影响起吊过程的稳定性。由于无阻尼，无耗能作用，仅依靠吊绳也起吊设备自身阻尼进行衰减，构成周期疲劳载荷。 

图6所示为本实用新型的原理图，图7为本实用新型的刚度特性曲线，K为单个蝶形弹簧钢片300的刚度，C为阻尼，第一弹簧组301的刚度为1/2K，第二弹簧组302的刚度为K，第三弹簧组303的刚度为2K。由此可见，本实用新型具有分段刚度特性，具体如下： 

当弹簧组一、二、三均未被压缩至极限时的刚度为： 

当弹簧组一被压缩至极限，弹簧组二、三未被压缩至极限： 

当弹簧组一、二被压缩至极限、弹簧组三未被压缩至极限： 

图8所示为本实用新型与现有技术的效果对比图，A为现有技术在冲击载荷作用下起吊力动态衰减曲线，B为本实用新型在冲击载荷作用下起吊力动态衰减曲线。由图可知，在起吊相同重物G、外部相同冲击载荷的作用下，本实用新型具有明显的优势，一方面起吊动态载荷的幅值明显小于现有技术；另一方面其衰减速度明显快于现有技术。

图9-a至图9-c所示为本实用新型的工作原理示意图，其中，图9-a中，L1为第一弹簧组301被压缩至极限的高度，L21为第一弹簧组301被压缩至极限时第二弹簧组302的高度，L31为第一弹簧组301被压缩至极限时第三弹簧组303的高度；图9-b中，L2为第二弹簧组302被压缩至极限时的高度，L32为第二弹簧组302被压缩至极限时第三弹簧组303的高度；图9-c中，L3为第三弹簧组303被压缩至极限时的高度。 

基于本实用新型的变刚度特性，在缓冲装置3压缩变形的初始阶段，其主导作用的是第一弹簧组301，刚度很低为2/7K，刚度特性表现得很“软”对瞬间冲击载荷的峰值的缓冲作用极其有利，在初始变形阶段由于粘性阻尼的作用，对冲击载荷具有明显的耗能衰减作用（低刚度、大阻尼），主要影响曲线A的幅值；直至第一弹簧组301被压缩至极限（高度为L1），如图9-a所示。 

随着缓冲装置3压缩变形的继续，第一弹簧组301被压缩至极限，此时主要作用是第二弹簧组302，此时弹簧组件的刚度为2/3K，对冲击载荷仍然具有显著的缓冲作用，另外还可以避免由于刚度过低而使起吊的重物G产生过大的晃动或跳动幅度，在缓冲冲击载荷的同时保证起吊稳定性，此过程中，粘性阻尼材料4仍然具有较好的耗能衰减作用，对A的衰减速度和幅值具有影响；直至第一弹簧组301、第二弹簧组302同时被压缩至极限，如图9-b所示。 

当冲击载荷很大时，缓冲装置3经过上述两个缓冲耗能过程后，冲击能力得以有效衰减，缓冲装置3被进一步压缩，此时第一弹簧组301、第二弹簧组302均到达压缩极限，此时缓冲装置3工作在图7所示的第三个阶段，此时刚度较大为2K，因为经过前两个阶段的缓冲和耗能衰减作用，其冲击力幅值得以大幅减小，此时的大刚度、大阻尼特性特供更好的支撑作用，主要是避免起吊重物产生过大的晃动和跳动，同时对冲击载荷具有有效的耗能衰减以及缓冲作用。 

在整个工作过程中，缓冲装置3的压缩量越大、变形速率越快阻尼力越大，这种非线性特性对冲击能量的损耗极为有利。 

当冲击载荷超出极限时，第一弹簧组301件、第二弹簧组302件和第三弹簧组303件同时被压缩到极限，此时第一导电圈、第二导电圈接触“导通”，产生一个开关量信号，并通过导线传递给报警装置9，发出报警避免安全事故的发生。 

阻尼大小可以调整如图10所示，调整第一弹簧组301、第二弹簧组302、第三弹簧组303间的相对角度，阻尼材料流经阻尼孔所产生的阻力就会不同，即可实现阻尼的大小进行调整，一方面可以更好地对“晃动”和“振动”的能力进行衰减，另外一方面，不同阻尼特性还能够适应不同的应用场合，拓展了适用的领域；综上所述，本实用新型在初始阶段表现很“软”，缓冲作用优越，中段刚度和阻尼适中，能够有效减小振幅同时提高衰减速度（振动高速衰减区），而在末端表现处很高的（韧性），起到很好的支撑作用，保证起吊过程的稳定性。整个装置能够对冲击载荷进行快速的化解掉，为应用于不同场合时，还可以对阻尼力的大小进行调节，当冲击载荷超过允许极限值时，能够发出报警信号。对减速冲击载荷、提高起吊的稳定性具有重要意义。 

Claims (9)

1.一种用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述耗能缓冲安全装置包括连接座、芯轴、阻尼结构和缓冲装置；所述连接座包括内导套和外导套，所述内导套位于外导套的内部，所述连接座、内导套分别套接在芯轴的外围，且所述芯轴的外圆柱面与外导套的内圆柱面相配合形成第一移动副；所述内导套的一端设置有圆柱凸台，所述芯轴一端形成空腔，所述圆柱凸台置于芯轴的空腔内部，所述圆柱凸台的外圆柱面与空腔的内圆柱面相配合构成第二移动副；所述芯轴的空腔与外导套之间分别套接有缓冲装置，所述缓冲装置为变刚度的弹性组件，该变刚度弹性组件由刚度渐增的两个以上的蝶形弹簧片串联而成；所述变刚度的弹性组件周向均匀分布有多个第二阻尼孔，并沿内壁均匀分布有多个第三阻尼孔；所述缓冲装置与内导套的外围之间存在第二间隙；由空腔、内导套、外导套、圆柱凸台所围成的连续贯通的两个封闭空间内填充满粘性阻尼材料构成阻尼结构。

2.根据权利要求1所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述缓冲装置包括第一弹簧组、第二弹簧组和第三弹簧组，所述第一弹簧组的底端与外导套的下端面的内侧重合，所述第三弹簧组的顶端与空腔的下端面重合；所述第一弹簧组包括两片蝶形弹簧钢片对合组成，所述第二弹簧组由四片蝶形弹簧钢片两两叠合后对合组成，所述第三弹簧组由八片蝶形弹簧钢片四四叠合后对合组成。

3.根据权利要求2所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述内导套同轴设置在外导套内部，所述内导套的下部端面与外导套的下部端面刚性连接；所述芯轴包括第一连接杆和空腔，所述第一连接杆与空腔同轴设置，所述第一连接杆的上端面与空腔上端面的内侧刚性连接；所述芯轴通过内导套设置在连接座内部，且芯轴与连接座同轴设置；所述缓冲装置分别设置在芯轴两侧的空腔的下端面与外导套下端面的内侧之间。

4.根据权利要求3所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述第一连接杆设置成长杆形，其下端设置有第一圆孔；所述空腔的下端面上设置有若干第一阻尼孔；所述空腔下端面的内圆柱孔与第一连接杆的外圆柱面之间留有第一间隙。

5.根据权利要求4所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述连接座的上方同轴设置有第二连接杆，所述第二连接杆的下部端面与外导套的上端面刚性连接；所述第二连接杆的的上方设置有第二圆孔。

6.根据权利要求5所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述外导套的上部同轴设置有通孔和沉孔，且所述沉孔位于通孔的上方；所述第一连接杆穿过内导套的内圆柱孔，并与内圆柱孔间留有间隙。

7.根据权利要求6所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述缓冲装置的外圆与外导套的内圆柱面相互配合形成滑动副，并留有第二间隙。

8.根据权利要求7所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述芯轴上方同轴设置有螺纹孔，还设有止推螺钉，所述止推螺钉依次穿过沉孔、通孔连接在螺纹孔内；所述沉孔内设置有第一导电垫圈，所述止推螺钉上的圆柱凸台的下端面上依次固定有绝缘垫圈和第二导电垫圈；所述第一导电垫圈、第二导电垫圈和绝缘垫圈中心位置均开设小孔，用于穿过止推螺钉。

9.根据权利要求8所述的用于吊装作业的耗能缓冲安全装置，其特征在于：所述连接座的上部表面设置有报警装置，所述报警装置通过导线与第二导电垫圈连接。