王江勇 崔衛(wèi)國(guó) 邱紅亮 劉慧芬 陳 霞 楊愛萍

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多工況可調(diào)節(jié)吊具的設(shè)計(jì)及分析

王江勇 崔衛(wèi)國(guó) 邱紅亮 劉慧芬 陳 霞 楊愛萍

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長(zhǎng)治 046012）

針對(duì)總裝裝配線筒體類產(chǎn)品吊點(diǎn)位置不變、重心變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)吊具，通過調(diào)節(jié)鏈條長(zhǎng)度適應(yīng)不同的起吊工況。通過作圖法計(jì)算鏈條長(zhǎng)度，計(jì)算出鏈條的額定載荷。設(shè)計(jì)箱形吊梁、轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)及有限元分析，仿真結(jié)果滿足使用要求，并通過加載試驗(yàn)驗(yàn)證。該研究結(jié)果可為同類吊具的設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)提供參考。

吊具；有限元；多工況；加載

1 引言

在航天產(chǎn)品總裝裝配線中，筒類產(chǎn)品起吊十分普遍。該類產(chǎn)品往往存在空載、滿載、更換部件等不同工況，導(dǎo)致重心和質(zhì)量變化，而吊點(diǎn)位置一般固定不變，轉(zhuǎn)載時(shí)需要設(shè)計(jì)專門吊具[1，2]。傳統(tǒng)的吊具設(shè)計(jì)一般采用改變吊梁上吊點(diǎn)位置、更換吊帶等方式調(diào)整重心，使用過程中更換麻煩，散件較多，容易出錯(cuò)，具有一定的安全隱患[3]。

本文針對(duì)不同的工況及起吊要求，采用單吊梁起吊方式，設(shè)計(jì)一種箱形吊梁，計(jì)算出鏈條長(zhǎng)度，在起吊過程中，通過縮鏈器調(diào)節(jié)鏈條長(zhǎng)短，即可滿足筒體起吊要求。

2 鏈條計(jì)算

2.1 總體方案

圖1 總體方案圖

方案采用單起吊梁的型式，如圖1所示。吊梁垂直于筒體軸線，吊梁上方通過柔性環(huán)形吊帶與桁車吊鉤連接，吊梁下方左右各一個(gè)吊耳，通過卸扣連接兩根鏈條。針對(duì)產(chǎn)品吊耳特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用轉(zhuǎn)接板，實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品的快速可靠連接。通過鏈條縮鏈器調(diào)節(jié)鏈條長(zhǎng)短，使不同工況下吊梁始終與產(chǎn)品中心在豎直方向重合，保證筒體起吊時(shí)保持水平。

2.2 筒體起吊要求

筒體左右兩側(cè)各安裝有2個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)沿軸向間距為6390mm。筒體使用時(shí)共包含四種工況，不同工況對(duì)應(yīng)不同的重量和質(zhì)心位置，結(jié)果見表1。

表1 不同工況質(zhì)心及質(zhì)量

筒體起吊時(shí)要求不同的工況鏈條與筒體縱軸的夾角需大于一定數(shù)值，防止筒體軸向受壓過大。起吊要求見表2。

表2 起吊角度要求 /(°)

2.3 鏈條長(zhǎng)度選擇

根據(jù)筒體尺寸和表2參數(shù)計(jì)算鏈條長(zhǎng)度，計(jì)算需滿足兩點(diǎn)：

a. 吊梁上吊點(diǎn)中心與筒體中心在豎直方向重合，保證起吊過程中筒體不發(fā)生傾斜；

b. 滿足最小起吊角度要求。

圖2 鏈條長(zhǎng)度計(jì)算

鏈條長(zhǎng)度計(jì)算采用作圖法，如圖2所示。在重心位置作豎直線，根據(jù)角度要求作出前鏈條，得到前鏈條與豎直線的交點(diǎn)，連接交點(diǎn)與后吊點(diǎn)即為后鏈條。測(cè)量得出后鏈條與水平縱軸的夾角均滿足要求。測(cè)量得到各種工況下的鏈條長(zhǎng)度。

測(cè)得四種工況下前鏈條長(zhǎng)度為3945～3957mm，為簡(jiǎn)化調(diào)整過程，前鏈條統(tǒng)一長(zhǎng)度，取3951mm，只對(duì)后鏈條長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)使用工況，按表3數(shù)據(jù)調(diào)整鏈條長(zhǎng)度。鏈條長(zhǎng)度留有一定余量，兩根前鏈條長(zhǎng)度為4200mm，兩根后鏈條長(zhǎng)度為5800mm。

表3 鏈條實(shí)際長(zhǎng)度 mm

2.4 鏈條選型

吊具額定載荷為20t，同側(cè)兩根鏈條的合力為10t。根據(jù)表3、圖2，鏈條受力情況如圖3所示。

圖3 鏈條受力圖

——前吊點(diǎn)鏈條與水平方向夾角，四種工況分別為39°、48°、53°、62°；——后吊點(diǎn)與水平方向夾角，取37°，可得公式：

1——前吊點(diǎn)鏈條載荷；2——后吊點(diǎn)鏈條載荷。

將四種工況下的、值分別代入式（1），求得1=8.0～8.3t，2=4.82～8.1t。由此選型鏈條的額定載荷為10t，鏈環(huán)直徑為16mm。

3 吊梁設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊梁是整套吊具的關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到起吊安全及使用壽命。吊梁設(shè)計(jì)按額定載荷20t設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用典型的箱形結(jié)構(gòu)，由Q345A鋼板拼焊而成，上下吊耳采用雙面角焊縫焊，如圖4所示。吊梁總重211kg，長(zhǎng)1620mm，寬220mm，高450mm。

圖4 吊梁

3.2 有限元分析

由于吊梁為軸對(duì)稱模型，因此取吊梁的一半進(jìn)行有限元分析[4]。對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，上吊耳、下吊耳分別施加軸承力，網(wǎng)格選用四面體網(wǎng)格。應(yīng)力結(jié)果如圖5所示?？傻玫趿旱淖畲蟮刃?yīng)力在上吊耳軸孔處，大小為125MPa，材料選用Q345A，屈服強(qiáng)度為345MPa，安全系數(shù)為2.7，滿足吊具設(shè)計(jì)要求。

圖5 吊梁應(yīng)力云圖

3.3 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

上吊耳采用雙面角焊縫，焊高=8mm，焊縫長(zhǎng)=300mm，額定載荷為20t，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)角焊縫強(qiáng)度計(jì)算公式[5]：

下吊耳采用雙面角焊縫，焊高=8mm，焊縫長(zhǎng)=120mm，額定載荷為10t，則：

焊縫強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筒體上吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。該吊點(diǎn)通過螺栓連接在筒體上，起吊部分為一圓柱形結(jié)構(gòu)，外側(cè)通過六角螺母限位。

圖6 吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)鏈條與筒體的連接，針對(duì)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)，如圖7所示。上方孔用于連接卸扣，下方孔連接產(chǎn)品吊耳。吊點(diǎn)連接處采用上大下小的結(jié)構(gòu)，可以不拆卸產(chǎn)品螺母，通過較大孔套入起吊耳；起吊時(shí)，小孔部分與產(chǎn)品吊耳接觸，螺母實(shí)現(xiàn)限位，連接可靠。

圖7 轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)

4.2 有限元分析

有限元分析轉(zhuǎn)接板，應(yīng)力結(jié)果如圖8所示，最大等效應(yīng)力為269MPa，位于卸扣孔處。該材料選用鍛件30CrMnSiA，熱處理后屈服強(qiáng)度可達(dá)到900MPa，安全系數(shù)為3.3，滿足吊具設(shè)計(jì)要求。

圖8 轉(zhuǎn)接板應(yīng)力云圖

5 加載試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證吊具強(qiáng)度，吊具生產(chǎn)完成后進(jìn)行加載試驗(yàn)[6]。在四種工況下對(duì)吊具整體作加載試驗(yàn)，載荷為對(duì)應(yīng)的筒體狀態(tài)。

a. 靜載試驗(yàn)：將載荷提升至離地約200mm高，持續(xù)15min，卸載檢查，各零部件無永久變形，用十倍放大鏡檢查無裂紋。

b. 動(dòng)載試驗(yàn)：以上升不大于3m/min；下降不大于2m/min的升降速度將載荷提升至離地面約為2.5～3m的高度，然后降至地面。在下降過程中制動(dòng)3次。上述試驗(yàn)過程重復(fù)3次。試驗(yàn)時(shí)在吊具正下方放置木塊保護(hù)。經(jīng)試驗(yàn)，吊具各組成部分無永久變形，用十倍放大鏡檢查，無裂紋產(chǎn)生，滿足使用強(qiáng)度要求。

6 結(jié)束語

通過對(duì)筒體起吊要求分析，確定了整體方案，通過調(diào)整鏈條長(zhǎng)度適應(yīng)工況變化，采用作圖法計(jì)算了鏈條長(zhǎng)度，計(jì)算出鏈條載荷并進(jìn)行選型，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析，并通過加載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的吊具能夠滿足筒體不同工況的起吊要求，為同類吊具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 王小明. 導(dǎo)彈吊具自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2015

2 楊明元. 核電大型筒體特種專用吊具的設(shè)計(jì)研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2017

3 王鶴. 風(fēng)電傳動(dòng)鏈重心自動(dòng)調(diào)整吊具的研制[J]. 金屬制品，2017，43(2)：47～48

4 張珂，龍彥澤，陳建平，等. 導(dǎo)架爬升式升降工作平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)吊具的設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)靜力分析[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(6)：1183～1186

5 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

6 吳士杰. 載荷自平衡式核島安全殼吊具制造與試驗(yàn)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2016

Design and Anylysis of Adjustable Spreader with Multiple Working Conditions

Wang Jiangyong Cui Weiguo Qiu Hongliang Liu Huifen Chen Xia Yang Aiping

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Focused on the characteristics of fixed hanging point and changing position of gravity for the cylinder product in the assembly line, an adjustable spreader is designed, which can adapt to different lifting conditions by adjusting the length of the chains. The chain’s lengths are calculated by mapping method, and the rated load of the chain is calculated. The structure design and finite element analysis of the box girder and the adapter plate are carried out, and the simulation results meet the requirements of the use, which are verified by loading test. The research results can provide reference for the design, simulation and test of similar spreaders.

spreader；finite element；multiple working conditions；loading

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司重大工藝研究項(xiàng)目（ZDGY2016-04）。

王江勇（1987），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：工藝裝備及非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究。

2018-11-02