趙 婷,劉 更,倪江濤,張展智,徐振亮ZHAO Ting, LIU Geng, NI Jiang-tao, ZHANG Zhan-zhi, XU Zhen-liang(.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院,西安 7007;.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京 00076;.首都航天機械公司,北京 00076)
大型運載火箭環(huán)縫焊接自動安裝機的簡約可靠設(shè)計
趙婷1,2,劉更1,倪江濤3,張展智2,徐振亮2
ZHAO Ting1,2,LIU Geng1,NI Jiang-tao3,ZHANG Zhan-zhi2,XU Zhen-liang2
(1.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院,西安 710072;2.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京 100076;3.首都航天機械公司,北京 100076)
針對新一代大型運載火箭環(huán)縫總裝焊接,研究其多功能自動安裝機的簡約可靠性設(shè)計方案。該安裝機完成5m貯箱筒段、短殼和球形底、下架托架及部分夾具的精確翻轉(zhuǎn)和安裝工作。提出了該大型裝備的簡約設(shè)計方案,此外,基于建立的整機的非線性有限元模型進行了整機剛度和強度分析,充分驗證了多功能自動安裝機的結(jié)構(gòu)合理性和運行可靠性,從而為大型非標(biāo)裝備的設(shè)計提供了重要的設(shè)計思路和參考依據(jù)。
多功能自動安裝機;簡約;可靠;精確翻轉(zhuǎn);有限元
自動安裝設(shè)備是未來國家重大裝備發(fā)展的必須裝備,經(jīng)過多年來的研究與開發(fā),我國在自動安裝設(shè)備方面有了很大的進步,但與國際先進水平還有一定差距[1]。隨著自動安裝設(shè)備的不斷發(fā)展,航天、航空等領(lǐng)域的地面重載裝配領(lǐng)域?qū)⒊蔀樽詣影惭b設(shè)備應(yīng)用的廣闊天地[2,3]。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)等的快速發(fā)展,以及重大裝備的精確化、輕量化、高可靠性、靈巧性的要求,開發(fā)多功能自動安裝機代替人力去從事航天領(lǐng)域重載裝配工作具有重要意義[4,5]。
多功能自動安裝機是新一代大型運載火箭環(huán)縫總裝焊接裝備的一個關(guān)鍵子裝備,是一套機械化、自動化程度高、操作靈活方便且運行安全可靠的安裝設(shè)備。在生產(chǎn)過程中,要完成5m貯箱筒段、短殼和球形底90°精確翻轉(zhuǎn),不能采用吊運裝卸,同時,多功能自動安裝機的采用還是提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、降低工人勞動強度的重要措施,據(jù)此,本文針對該大型裝備的簡約可靠的設(shè)計方案和性能分析進行了深入、系統(tǒng)的研究,并成功應(yīng)用在了工程實際中。
多功能自動安裝機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,包括行走機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾緊機構(gòu)等,來實現(xiàn)為沿著主床身運動的各部件安裝產(chǎn)品及機床附件等的功能。行走機構(gòu)下表面通過直線導(dǎo)軌與輔助床身連接,用于安裝機沿輔助床身的縱向運動。調(diào)整機構(gòu)主要包括底箱和立柱兩部分。底箱下表面通過直線導(dǎo)軌與行走機構(gòu)連接,用于夾緊機構(gòu)的前后調(diào)整,上表面與立柱連接。立柱高4米,由兩個單體立柱、橫梁、絲杠和配重機構(gòu)等組成。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于實現(xiàn)夾緊機構(gòu)的360°旋轉(zhuǎn)運動。夾緊機構(gòu)用于固定要裝卸的產(chǎn)品和機床附件,根據(jù)不同的被夾持物選裝不同的夾緊機構(gòu)。多功能自動安裝機的材料性能如表1所示。
1)采用模塊化設(shè)計。由于需要裝卸產(chǎn)品和機床附件等,需求較多,設(shè)計了兩套夾緊機構(gòu),可根據(jù)不同的被夾持物選裝不同的夾緊機構(gòu),更換靈活方便,適應(yīng)能力強。
2)改變傳統(tǒng)的下端固定、上端游動方案。由于絲杠的長徑比很大,絲杠軸承的支撐方案設(shè)計為上端固定、下端游動,從而使絲杠受拉,有效地避免了絲杠的彎曲變形。
3)采用定滑輪、配重機構(gòu)有效地減小了升降機構(gòu)的體積和驅(qū)動力矩。
4)升降機構(gòu)設(shè)計為滾輪導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu),不僅便于安裝和調(diào)試,而且能夠避免由于直線導(dǎo)軌及滑塊因受彎變形而卡死,進而提高其運行穩(wěn)定性。
表1 材料的力學(xué)性能和物理性能
圖1 多功能自動安裝機的結(jié)構(gòu)示意圖
2.1單元劃分密度的確定
劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié),所劃分的網(wǎng)格形狀對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響[6,7]。結(jié)合赫茲接觸理論作為劃分網(wǎng)格的依據(jù)。
根據(jù)赫茲接觸理論[8],半接觸寬度為:
其中:
《蘭納克》是一次尋根之旅,是一個民族主義者和小說家表達(dá)對本民族命運關(guān)切的特有方式,同時它也是一個政治諷喻,以魔幻現(xiàn)實主義的方式呈現(xiàn)了內(nèi)受經(jīng)濟衰退困擾、外逢強權(quán)政府壓制的蘇格蘭社會狀況,它更是整個西方工業(yè)社會的寫照,揭示了現(xiàn)代城市生活各種狀況的根源。在這部具有強烈“反烏托邦”色彩的小說中,格雷以諷刺的手法表達(dá)了對個人命運的關(guān)切和對社會政治經(jīng)濟的不滿,批判了整個西方的政治意識形態(tài)。
E1、E2和1υ、2υ 分別為圓柱體與平面的彈性模量和泊松比,R為圓柱體的半徑,P為單位線長度載荷。
根據(jù)式(1)計算出接觸半寬,以接觸半寬的1/5作為升降機構(gòu)中滾輪與導(dǎo)軌接觸位置局部區(qū)域的單元劃分長度,此時該位置的單元密度較為合理,計算結(jié)果較為準(zhǔn)確,計算效率較高。
2.2整機有限元模型的建立
由于行走機構(gòu)的末端是懸空的,因此當(dāng)?shù)紫溥\動到其最末端時,行走機構(gòu)產(chǎn)生的變形最大,當(dāng)夾緊機構(gòu)移動到立柱最高點時,立柱的受彎變形最大,因此對底箱運動到行走機構(gòu)最末端而夾緊機構(gòu)移動到立柱最高點這一位置狀態(tài)進行有限元分析,整機的非線性有限元模型如圖2所示。
圖2 多功能自動安裝機的有限元模型
3.1整機的強度有限元分析
行走機構(gòu)、底箱、立柱、四組滾輪組、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾緊機構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3(a)中可見,最大值為16.072MPa,發(fā)生在其與右端支撐滑塊相對應(yīng)的位置。從圖3(b)中可見,最大值為13.294MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,發(fā)生在立柱墊板的前端,這是由于其上端各結(jié)構(gòu)的重心靠近此位置造成的。從圖3(c)中可見,最大值為18.006MPa,發(fā)生在立柱頂端配重機構(gòu)的滑輪支座處,是由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾緊機構(gòu)和配重塊的重力造成的。從圖3(d)中可見,最大值為265.916MPa,發(fā)生在右上和左下兩組滾輪與導(dǎo)軌的接觸位置,是由與導(dǎo)軌接觸受壓造成的,這四個滾輪桿上的應(yīng)力值也較高。從圖3(e)中可見,最大值為207.177MPa,發(fā)生在右上和左下兩組滾輪的安裝孔側(cè)壁上,是由此四個滾輪桿彎曲變形后接觸到孔壁造成的。從圖3(f)中可見,最大值為81.765MPa,發(fā)生在夾爪根部的變截面處,是應(yīng)力集中造成的。綜上可見,安裝機上所有關(guān)鍵的零部件在最惡劣工況下工作的最大等效應(yīng)力均小于許用應(yīng)力,強度是滿足要求的,其中,四組滾輪組和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的最大等效應(yīng)力較大。
圖3 安裝機的關(guān)鍵零部件的等效應(yīng)力分布
3.2整機的剛度有限元分析
安裝機沿垂直方向位移和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)和底箱、立柱的綜合位移分布如圖4所示。從圖4(a)中可見,由于被夾持物的重力和絲杠對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的支持力構(gòu)成的力偶、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾緊機構(gòu)的重力和鋼絲繩的拉力構(gòu)成的力偶均由滾輪導(dǎo)軌機構(gòu)來承擔(dān),因此立柱將受彎變形,而且旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的滾輪與導(dǎo)軌的接觸位置將產(chǎn)生彈性變形,所以夾緊機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)隨著立柱彎曲而旋轉(zhuǎn)的同時還繞著滾輪導(dǎo)軌機構(gòu)自轉(zhuǎn),因而沿垂直方向位移主要體現(xiàn)在夾緊機構(gòu)上,最大位移量為7.445mm,發(fā)生在夾緊機構(gòu)的末端。從圖4(b)中可見,由于夾緊機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)隨著立柱彎曲而旋轉(zhuǎn)的同時還繞著滾輪導(dǎo)軌機構(gòu)自轉(zhuǎn),因此旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心并不在滾輪組的中間位置,而在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)下方,是兩個旋轉(zhuǎn)趨勢綜合作用的結(jié)果,最大位移量為1.320mm,在其心軸末端。從圖4(c)中可見,產(chǎn)生了繞右端支撐滑塊逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢,這是由于立柱受彎矩作用引起的,最大位移量為0.060mm,在行走機構(gòu)最右端,變形量很小,驗證了行走機構(gòu)和底箱的剛性良好。從圖4(d)中可見,由于立柱受到彎矩作用,產(chǎn)生了繞行走機構(gòu)右端支撐滑塊逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢,最大位移量為0.883mm,發(fā)生在立柱頂部,由于立柱較高,則變形量相對較小,證明了立柱的剛性良好。綜上可知,多功能自動安裝機安裝下架托架狀態(tài)的剛度良好,滿足設(shè)計要求,從而驗證了多功能自動安裝機的結(jié)構(gòu)性能良好,可安全使用。
圖4 安裝機的關(guān)鍵零部件的變形分布
3.3整機的實驗測試
所研發(fā)的多功能自動安裝機如圖5所示,通過測試,滿足設(shè)計要求,具有良好的強度和剛度。最大變形量滿足工程需要,變形略比計算結(jié)果稍大,最大誤差小于15%,這是由于在計算中略去了一些細(xì)節(jié)和近似剛性連接造成的。綜上可知,所提出的設(shè)計方案是可行的,該安裝機的強度、剛度的非線性有限元分析是準(zhǔn)確的。
圖5 多功能自動安裝機
本文針對新一代大型運載火箭環(huán)縫總裝焊接多功能自動安裝機,完成工作如下:
1)提出了該自動安裝機的總體結(jié)構(gòu)方案,該多功能自動安裝機包括行走機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾緊機構(gòu)等,可實現(xiàn)三向直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動,完成5m貯箱筒段、短殼和球形底、下架托架及部分夾具的精確翻轉(zhuǎn)和安裝工作。
2)建立了該自動安裝機的整機的非線性有限元分析,考慮了關(guān)鍵零部件中的非線性接觸關(guān)系,并基于赫茲接觸理論給出了單元劃分準(zhǔn)則,對整機進行了較為經(jīng)濟的有限元單元的劃分,有效地提高了計算精度和計算效率。
【】【】
3)基于建立的非線性有限元模型,對該自動安裝機進行了強度和剛度分析,計算結(jié)果通過實際測試,有效地驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
本研究為靈巧大型裝備的設(shè)計提供了重要的實踐依據(jù)。
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Simple and reliable design and performance of the automatic installing machine for the circumferential seam welding of large launch vehicle
TH12
A
1009-0134(2016)06-0040-04
2016-03-27
國家自然科學(xué)基金項目(51275423)
趙婷(1980 -),女,天津人,高級工程師,博士研究生,研究方向為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)可靠性等。