隨著運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，重大件貨物運(yùn)輸在公路運(yùn)輸中占有重要地位。本文結(jié)合明通集團(tuán)長期的運(yùn)輸實(shí)踐，采用數(shù)學(xué)分析的方法，對兩種常用的捆扎方式進(jìn)行了力學(xué)分析，比較了捆扎在實(shí)際運(yùn)行過程中的有效性、穩(wěn)定性，為大件運(yùn)輸提供參考。

　　本文主要討論鋼絲繩撬棍緊固法、鉤環(huán)式拉緊器法這兩種最為常見的貨物捆扎加固方法，并分別進(jìn)行力學(xué)分析，對比加固的有效性，然后評價(jià)加固的其他方面的影響，如安全性和拉力有效值穩(wěn)定性等。

　　1用鉤環(huán)式拉緊器收緊法

　　鉤環(huán)式拉緊器根據(jù)所需拉力值的大小分為很多種，本文采用實(shí)際加固中最常見的5t鉤環(huán)式拉緊器進(jìn)行分析。

　　5t鉤環(huán)式拉緊器參數(shù)如下：螺栓螺距3.604mm，外徑21.8mm，內(nèi)徑17.76mm。轉(zhuǎn)動把手全長35cm，鐵鏈額定拉力4.5t，破斷拉力10t。一般情況下，考慮到手的尺寸，人手的上緊作用力半徑R=30cm，收緊力F1=100N，則根據(jù)力矩等效原理：F1R=FR

　　式中，r為螺栓螺紋的平均半徑，取平均值 19.78mm;F為實(shí)際作用到螺紋的收緊力。 將實(shí)際數(shù)值代入上式得：F=1016N。 設(shè)螺紋與螺栓截面成角為 ，則易得：

　　鋼與鋼之間滑動摩擦系數(shù)設(shè)為μ，查相關(guān)摩擦系數(shù)表可得，在有潤滑條件下一般取0.1。

　　圖1為螺栓緊固受力圖，三條平行曲線表示螺紋，矩形表示與螺紋咬合的另一組螺紋，由于整個相互咬合范圍內(nèi)傾斜角度保持一致，故另一組螺紋只用一段來描述整段相互咬合的受力狀態(tài)。

　　緊固過程受力分析：螺栓在緊固過程中，螺栓的軸向拉力不斷增大，螺紋之間相互咬合，增大了軸向拉力，在垂直于螺栓的方向，緊固力最終在與螺紋垂直方向上的分量和摩擦力之和相等后，緊固結(jié)束。

　　根據(jù)平行于螺紋斜面方向的受力平衡條件有：

　　Fcosa+Tsina=Tcosaμ

　　式中，F(xiàn)為最終的螺栓緊固力;T為鉤環(huán)式拉緊器張拉力;由tana=0.058得，sina=0.0579，cosa=0.998。將各數(shù)值代入上式可得：

　　1016N+0.0579T=T×0.998×0.1

　　計(jì)算得T=36193N=3693kgf(kgf為千克力)。

　　2鋼絲繩撬棍緊固法

　　這種方法最常用于普通及一些重大件的緊固中，但其加固時有一定的隨機(jī)性，因人而異，以下實(shí)際使用數(shù)據(jù)為根據(jù)大量實(shí)際測量數(shù)據(jù)取均值所得。設(shè)鋼絲繩長度為L，從初始拉力為零開始收緊，使用的撬棍作用半徑為R1，作用力為F2，從最開始到收緊，總旋轉(zhuǎn)角度為β，收緊后，鋼絲繩拉力為T1，最終多根鋼絲繩軸向拉力為T2(根據(jù)實(shí)際使用中的大量測量，撬棍收緊力一般情況下約為100N，鋼絲繩收緊后平均繞距為20cm)，各根鋼絲繩繞軸線的旋轉(zhuǎn)半徑為ri，各根鋼絲繩與鋼絲繩截面所成的角度為βi。

　　由于4根鋼絲繩組成的繩股最常出現(xiàn)的裁面如圖3所示，故按照最常出現(xiàn)的情況來考慮繞緊后的鋼絲繩形成的截面來分析和計(jì)算鋼絲繩股的有效軸向拉力。

　　r1=r

　　r2=√3r

　　r為鋼絲繩半徑，通常采用4股6×19，公稱直徑9.3mm鋼絲繩進(jìn)行緊固，根據(jù)鋼絲繩使用選擇原則，使用此類鋼絲繩做緊固捆扎較為合理。

　　根據(jù)扭矩平衡條件，整個外力對鋼絲繩造成的扭矩等于鋼絲繩產(chǎn)生的抵抗扭矩，在整個鋼絲繩范圍內(nèi)保持恒定。正因?yàn)槿绱?，雖然在撬棍處鋼絲繩張開后半徑有所增大，但由于整個長度范圍內(nèi)扭矩保持恒定，所以仍可以以其他正常鋼絲繩截面來進(jìn)行分析計(jì)算。

　　為分析直觀簡便，將繞緊后的鋼絲繩展開到一個平面進(jìn)行分析，但這種展開并不影響力學(xué)計(jì)算模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，該分析結(jié)果與實(shí)際情況保持一致。由力矩平衡條件：

　　式中， L為鋼絲繩初始長度(單回);ε1為靠內(nèi)側(cè)鋼絲繩最終產(chǎn)生的應(yīng)變; ε2為靠外側(cè)鋼絲繩最終產(chǎn)生的應(yīng)變;α為最終張拉緊固后，鋼絲繩繞軸線的旋轉(zhuǎn)角;A為多根鋼絲繩軸向拉力總和;E為鋼絲繩材料的彈性模量; T0為鋼絲繩初始拉力。

　　由式(1)和式(2)可得：

　　由于開始緊固時，鋼絲繩初始拉力與緊固后相比拉力很小，可以忽略，所以在此為簡便計(jì)算，設(shè)T0=0，故以上兩式可簡化為：

　　式中，r、E、F、R均為已知，L可根據(jù)實(shí)際情況測量。因此，根據(jù)式(3)，可以計(jì)算出α，然后代入式(4)，即可計(jì)算出A，即鋼絲繩軸向拉力。

　　查表得，鋼絲繩中用的鋼絲彈性模量為 E=2.05×105MPa。根據(jù)實(shí)際使用情況，L長度考慮為3m，r=4.65mm，F(xiàn)=100N，R=80cm，將數(shù)據(jù)代入式(3)，

　　得：α=2.21rad，A=2895N=295.4kgf

　　3結(jié)果分析

　　(1)用鉤環(huán)式拉緊器進(jìn)行收緊時，力學(xué)模型非常簡單，計(jì)算結(jié)果簡單明確，整個收緊器相當(dāng)于一個組合式省力杠桿，第一道杠桿在于收緊臂和摩擦力作用半徑的比值;第二道省力杠桿的放大效率在于螺紋的坡度，即螺紋一周長度和螺距的比值。因此，兩道省力杠桿的放大作用下，收緊力和鐵鏈最終實(shí)際拉力有了非常大的差距。

　　(2)用撬棍進(jìn)行緊固時，力學(xué)模型相對復(fù)雜，而且多股鋼絲繩形成的截面不是很穩(wěn)定，在實(shí)際使用過程中確實(shí)出現(xiàn)各種不同的截面，因而緊固的效果有一定的不穩(wěn)定性。從緊固的機(jī)理進(jìn)行分析，這種緊固法也相當(dāng)于省力杠桿，但這種杠桿的效率遠(yuǎn)不及鉤環(huán)式拉緊器的效率高。第一道杠桿與鉤環(huán)式拉緊器相同，省力效率體現(xiàn)在作用力臂和阻力臂的比值上，但由于鋼絲繩在撬棍與之接觸的地方作用力半徑有所增大，因而效率有所降低;第二道省力杠桿在于當(dāng)把其中一股鋼絲繩考慮為一根繩時，其一圈的周長和纏距的比值，及鋼絲繩在整股鋼絲繩中的坡度，這一點(diǎn)原理與鉤環(huán)式拉緊器中的第二道省力杠桿相同，但其比值有很大差別。尤其是當(dāng)鋼絲繩逐漸收緊時，一根鋼絲繩的“坡度”持續(xù)減小。如果把整個鋼絲繩展開到平面進(jìn)行分析就會發(fā)現(xiàn)，一股鋼絲繩的實(shí)際徑向拉力剛好為整股鋼絲繩最終的有效拉力和鋼絲繩橫向拉力(來自于緊固力)的合力(參見圖3)，因此此杠桿的效率非常低，因此省力效率也很低，正因如此，最終這種緊固法的緊固效率才與第一種方法有了巨大差別。另外，這種加固方法存在一定風(fēng)險(xiǎn)，鋼絲繩中有一定勢能積累，如果撬棍固定不好，會導(dǎo)致鋼絲繩中彈性勢能釋放而造成傷害。

　　4結(jié)論

　　鉤環(huán)式拉緊器為專業(yè)緊固設(shè)備，緊固效果可靠穩(wěn)定，安全，沒有勢能積累，是一種安全有效的緊固工具。用撬棍式緊固方法緊固效果不理想，同時緊固過程中有彈性勢能積累，可能造成傷害，是一種緊固效果差的方法，應(yīng)該舍棄。