随着运输业的发展，重大件货物运输在公路运输中占有重要地位。采用数学分析的方法，对两种常用的捆扎方式进行了力学分析，比较了捆扎在实际运行过程中的有效性、稳定性，为大件运输提供参考。
本文主要讨论钢丝绳撬棍紧固法、钩环式拉紧器法这两种最为常见的货物捆扎加固方法，并分别进行力学分析，对比加固的有效性，然后评价加固的其他方面的影响，如安全性和拉力有效值稳定性等。
1用钩环式拉紧器收紧法
钩环式拉紧器根据所需拉力值的大小分为很多种，本文采用实际加固中最常见的5t钩环式拉紧器进行分析。
5t钩环式拉紧器参数如下：螺栓螺距3.604mm，外径21.8mm，内径17.76mm。转动把手全长35cm，铁链额定拉力4.5t，破断拉力10t。一般情况下，考虑到手的尺寸，人手的上紧作用力半径R=30cm，收紧力F1=100N，则根据力矩等效原理：F1R=FR
式中，r为螺栓螺纹的平均半径，取平均值 19.78mm;F为实际作用到螺纹的收紧力。 将实际数值代入上式得：F=1016N。 设螺纹与螺栓截面成角为 ，则易得：
钢与钢之间滑动摩擦系数设为μ，查相关摩擦系数表可得，在有润滑条件下一般取0.1。
图1为螺栓紧固受力图，三条平行曲线表示螺纹，矩形表示与螺纹咬合的另一组螺纹，由于整个相互咬合范围内倾斜角度保持一致，故另一组螺纹只用一段来描述整段相互咬合的受力状态。
紧固过程受力分析：螺栓在紧固过程中，螺栓的轴向拉力不断增大，螺纹之间相互咬合，增大了轴向拉力，在垂直于螺栓的方向，紧固力最终在与螺纹垂直方向上的分量和摩擦力之和相等后，紧固结束。
根据平行于螺纹斜面方向的受力平衡条件有：
Fcosa+Tsina=Tcosaμ
式中，F为最终的螺栓紧固力;T为钩环式拉紧器张拉力;由tana=0.058得，sina=0.0579，cosa=0.998。将各数值代入上式可得：
1016N+0.0579T=T×0.998×0.1
计算得T=36193N=3693kgf(kgf为千克力)。
2钢丝绳撬棍紧固法
这种方法最常用于普通及一些重大件的紧固中，但其加固时有一定的随机性，因人而异，以下实际使用数据为根据大量实际测量数据取均值所得。设钢丝绳长度为L，从初始拉力为零开始收紧，使用的撬棍作用半径为R1，作用力为F2，从最开始到收紧，总旋转角度为β，收紧后，钢丝绳拉力为T1，最终多根钢丝绳轴向拉力为T2(根据实际使用中的大量测量，撬棍收紧力一般情况下约为100N，钢丝绳收紧后平均绕距为20cm)，各根钢丝绳绕轴线的旋转半径为ri，各根钢丝绳与钢丝绳截面所成的角度为βi。
由于4根钢丝绳组成的绳股最常出现的裁面如图3所示，故按照最常出现的情况来考虑绕紧后的钢丝绳形成的截面来分析和计算钢丝绳股的有效轴向拉力。
r1=r
r2=√3r
r为钢丝绳半径，通常采用4股6×19，公称直径9.3mm钢丝绳进行紧固，根据钢丝绳使用选择原则，使用此类钢丝绳做紧固捆扎较为合理。
根据扭矩平衡条件，整个外力对钢丝绳造成的扭矩等于钢丝绳产生的抵抗扭矩，在整个钢丝绳范围内保持恒定。正因为如此，虽然在撬棍处钢丝绳张开后半径有所增大，但由于整个长度范围内扭矩保持恒定，所以仍可以以其他正常钢丝绳截面来进行分析计算。
为分析直观简便，将绕紧后的钢丝绳展开到一个平面进行分析，但这种展开并不影响力学计算模型。根据数学模型，该分析结果与实际情况保持一致。由力矩平衡条件：
式中， L为钢丝绳初始长度(单回);ε1为靠内侧钢丝绳最终产生的应变; ε2为靠外侧钢丝绳最终产生的应变;α为最终张拉紧固后，钢丝绳绕轴线的旋转角;A为多根钢丝绳轴向拉力总和;E为钢丝绳材料的弹性模量; T0为钢丝绳初始拉力。
由式(1)和式(2)可得：
由于开始紧固时，钢丝绳初始拉力与紧固后相比拉力很小，可以忽略，所以在此为简便计算，设T0=0，故以上两式可简化为：
式中，r、E、F、R均为已知，L可根据实际情况测量。因此，根据式(3)，可以计算出α，然后代入式(4)，即可计算出A，即钢丝绳轴向拉力。
查表得，钢丝绳中用的钢丝弹性模量为 E=2.05×105MPa。根据实际使用情况，L长度考虑为3m，r=4.65mm，F=100N，R=80cm，将数据代入式(3)，
得：α=2.21rad，A=2895N=295.4kgf
3结果分析
(1)用钩环式拉紧器进行收紧时，力学模型非常简单，计算结果简单明确，整个收紧器相当于一个组合式省力杠杆，第一道杠杆在于收紧臂和摩擦力作用半径的比值;第二道省力杠杆的放大效率在于螺纹的坡度，即螺纹一周长度和螺距的比值。因此，两道省力杠杆的放大作用下，收紧力和铁链最终实际拉力有了非常大的差距。
(2)用撬棍进行紧固时，力学模型相对复杂，而且多股钢丝绳形成的截面不是很稳定，在实际使用过程中确实出现各种不同的截面，因而紧固的效果有一定的不稳定性。从紧固的机理进行分析，这种紧固法也相当于省力杠杆，但这种杠杆的效率远不及钩环式拉紧器的效率高。第一道杠杆与钩环式拉紧器相同，省力效率体现在作用力臂和阻力臂的比值上，但由于钢丝绳在撬棍与之接触的地方作用力半径有所增大，因而效率有所降低;第二道省力杠杆在于当把其中一股钢丝绳考虑为一根绳时，其一圈的周长和缠距的比值，及钢丝绳在整股钢丝绳中的坡度，这一点原理与钩环式拉紧器中的第二道省力杠杆相同，但其比值有很大差别。尤其是当钢丝绳逐渐收紧时，一根钢丝绳的“坡度”持续减小。如果把整个钢丝绳展开到平面进行分析就会发现，一股钢丝绳的实际径向拉力刚好为整股钢丝绳最终的有效拉力和钢丝绳横向拉力(来自于紧固力)的合力(参见图3)，因此此杠杆的效率非常低，因此省力效率也很低，正因如此，最终这种紧固法的紧固效率才与第一种方法有了巨大差别。另外，这种加固方法存在一定风险，钢丝绳中有一定势能积累，如果撬棍固定不好，会导致钢丝绳中弹性势能释放而造成伤害。
4结论
钩环式拉紧器为专业紧固设备，紧固效果可靠稳定，安全，没有势能积累，是一种安全有效的紧固工具。用撬棍式紧固方法紧固效果不理想，同时紧固过程中有弹性势能积累，可能造成伤害，是一种紧固效果差的方法，应该舍弃。
