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

　　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，并分別進行力學(xué)分析，對比加固的有效性，然后評價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，本文采用實際加固中最常見的5t鉤環(huán)式拉緊器進行分析。

　　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為實際作用到螺紋的收緊力。 將實際數(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性，因人而異，以下實際使用數(shù)據(jù)為根據(jù)大量實際測量數(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。正因為如此，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行分析計算。

　　為分析直觀簡便，將繞緊后的鋼絲繩展開到一個平面進行分析，但這種展開并不影響力學(xué)計算模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，該分析結(jié)果與實際情況保持一致。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)實際情況測量。因此，根據(jù)式(3)，可以計算出α，然后代入式(4)，即可計算出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)式拉緊器進行收緊時，力學(xué)模型非常簡單，計算結(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際拉力有了非常大的差距。

　　(2)用撬棍進行緊固時，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，在實際使用過程中確實出現(xiàn)各種不同的截面，因而緊固的效果有一定的不穩(wěn)定性。從緊固的機理進行分析，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行分析就會發(fā)現(xiàn)，一股鋼絲繩的實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，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。