陳 霞

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012)

0 引言

在大型裝備制造企業(yè)中，封頭作為大型壓力容器的重要組成部分，需要大批量地進行加工。對封頭的復(fù)雜外球面進行加工時，在各個加工工序間轉(zhuǎn)運都會用到封頭的起吊翻轉(zhuǎn)。封頭的起吊翻轉(zhuǎn)技術(shù)直接影響到封頭的加工效率和車間操作工人的生命安全。當前，封頭的起吊翻轉(zhuǎn)主要通過天車和鋼絲繩索具將待加工件吊至機加工位，此方法簡單粗放，未充分考慮封頭的重量，難以保障車間工人的生命安全，且生產(chǎn)效率低，不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。

本文充分考慮封頭的典型結(jié)構(gòu)特征，簡化三維模型，基于有限元分析軟件，對封頭的起吊翻轉(zhuǎn)技術(shù)進行了研究，并設(shè)計了一套封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。

1 封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總體方案設(shè)計

使用三維建模軟件UG實現(xiàn)封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的總體方案設(shè)計，封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)總體方案示意圖如圖1所示。

封頭起吊機構(gòu)主要由兩個夾緊裝置5、限位裝置6、左右旋螺桿4、吊梁2、起吊耳1和手輪3等組成。兩個夾緊裝置結(jié)構(gòu)相同，左右對稱布置，通過夾緊裝置上夾緊塊7將封頭外球面夾緊固定，兩個夾緊裝置通過吊梁、左右旋螺桿連接；限位裝置與夾緊裝置固定連接；吊梁為圓形鋼管結(jié)構(gòu)，吊梁兩端與夾緊裝置連接，吊梁中部一側(cè)與起吊耳連接，一側(cè)與左右旋螺桿通過限位塊緊固連接，吊梁與左右旋螺桿平行設(shè)置；左右旋螺桿兩側(cè)均為梯形螺紋，旋向相反，旋合長度相等；手輪軸向固定在左右旋螺桿的一端。

封頭翻轉(zhuǎn)機構(gòu)與起吊機構(gòu)零部件組成結(jié)構(gòu)相同，當封頭起吊機構(gòu)吊至所需加工工位時，將限位裝置6中的限位銷從夾緊塊7的銷孔中拔出，使封頭與夾緊塊處于自由狀態(tài)，手動撥動封頭，使封頭繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)封頭45°旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

1-起吊耳；2-吊梁；3-手輪；4-左右旋螺桿；5-夾緊裝置；6-限位裝置；7-夾緊塊；8-旋轉(zhuǎn)軸

圖2 封頭45°翻轉(zhuǎn)示意圖

2 封頭起吊翻轉(zhuǎn)試驗

2.1 起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理

封頭從毛坯的存放區(qū)到加工工位，封頭起吊翻轉(zhuǎn)試驗需要完成對封頭的夾緊、限位、起吊、旋轉(zhuǎn)四個過程。

(1) 通過搖動左右旋螺桿一端的手輪，使兩個夾緊裝置同時在螺桿上向中間移動，通過夾緊裝置上的夾緊塊同時夾緊封頭的兩端，然后繼續(xù)搖動手輪，使夾緊裝置繼續(xù)向中間移動，最后將整個封頭夾緊固定。

(2) 封頭夾緊后，通過將兩個限位裝置的限位銷先后插入夾緊塊的限位孔中，使夾緊塊不能旋轉(zhuǎn)，從而限制封頭的軸向旋轉(zhuǎn)。封頭在待加工區(qū)時，大端朝上、小端朝下放置；在機加工位時，小端朝上、大端朝下放置。

(3) 使用天車與起吊耳相連，通過起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將封頭垂直吊離地面距離約1 m后，使起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在空中靜置3 min，然后使用天車起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)至加工工位。

(4) 將封頭吊具吊至加工工位后，將限位裝置的限位銷從夾緊塊孔中抽離，并將限位銷旋轉(zhuǎn)固定，使限位銷不能與夾緊塊發(fā)生干涉，利用封頭的自重對封頭進行旋轉(zhuǎn)到所需角度，對封頭所需加工面進行加工。

2.2 起吊翻轉(zhuǎn)試驗

為了驗證起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計方案的安全可靠性，對起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)做了靜載和動載試驗。

2.2.1 起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)靜載試驗

將起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)夾緊封頭后，垂直提升至離地面約200 mm高的位置，持續(xù)15 min，然后把封頭平穩(wěn)地放置于存放區(qū)，將起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)拆卸后進行檢查，使用焊縫探傷工具檢查焊縫是否有裂紋和受力關(guān)鍵部位的變形情況。試驗結(jié)果表明：起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)未出現(xiàn)裂紋、永久變形，連接處未出現(xiàn)異常松動或損壞，靜載試驗合格。

2.2.2 起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)動載試驗

做動載試驗時，把加速度、減速度和速度控制在正常的工作范圍內(nèi)，利用起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)以上升不大于3 m/min、下降不大于2 m/min的升降速度將封頭提升至離地面約為2.5 m～3 m的高度，然后降至地面，在下降過程中制動3次。上述試驗過程重復(fù)3次，然后卸載對起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的焊縫、結(jié)構(gòu)變形和連接松動情況進行檢查。試驗結(jié)果表明：起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)無松動和損壞，各項參數(shù)達到預(yù)期要求，動載試驗合格。

3 關(guān)鍵件的方案設(shè)計

3.1 關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)需實現(xiàn)起吊時封頭的限位，并通過吊具的翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)封頭多方位多角度的加工。針對起吊限位和翻轉(zhuǎn)的技術(shù)難點，對起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中的關(guān)鍵件——限位裝置和夾緊塊結(jié)構(gòu)進行了方案設(shè)計。

限位裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。限位裝置由限位套筒2、限位銷4、彈簧5和堵板3組成，對限位裝置進行裝配時，先將限位套筒固定連接后，再將限位銷插入限位套筒內(nèi)，彈簧與限位銷固定連接，最后用堵板與限位套筒固定連接，彈簧的伸縮量與限位銷插入夾緊塊孔內(nèi)所移動的距離一致，堵板為十字鍵槽結(jié)構(gòu)，當限位銷插入夾緊塊孔內(nèi)后，再將限位銷上的轉(zhuǎn)動手柄插入十字鍵槽內(nèi)，實現(xiàn)封頭的旋轉(zhuǎn)限位，翻轉(zhuǎn)時，將限位銷從夾緊塊孔中拔出，可實現(xiàn)夾緊塊的多角度旋轉(zhuǎn)功能。

圖4為夾緊塊結(jié)構(gòu)示意圖。夾緊塊內(nèi)側(cè)為凹形球面結(jié)構(gòu)，與封頭裝配連接，起吊時封頭要與夾緊塊同時轉(zhuǎn)動，須保證夾緊塊與封頭的質(zhì)心重合。

3.2 關(guān)鍵件的有限元分析

為了驗證起吊翻轉(zhuǎn)試驗的安全可靠性，簡化起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)模型，使用Workbench有限元分析軟件對起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的關(guān)鍵件吊梁和起吊耳進行了有限元分析。

1-夾緊塊；2-限位套筒；3-堵板；4-限位銷；5-彈簧；6-旋轉(zhuǎn)軸

圖3 限位裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 夾緊塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 吊梁和起吊耳的網(wǎng)格劃分

吊梁和起吊耳屬于焊接結(jié)構(gòu)件，而在有限元分析軟件中是對體網(wǎng)格的劃分，因此需簡化計算模型，將吊梁和起吊耳間焊縫進行填充，對吊梁和起吊耳采用四面體網(wǎng)格劃分，并對吊梁兩端和中間的結(jié)合部位進行局部網(wǎng)格加密處理。吊梁和起吊耳網(wǎng)格劃分示意圖如圖5所示。

3.2.2 吊梁和起吊耳的有限元分析

吊梁和起吊耳承受豎直向上的拉力3 000 N，選用Q345A的材料。分析得到的吊梁應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 吊梁和起吊耳網(wǎng)格劃分 圖6 吊梁應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，吊梁的最大應(yīng)力位于起吊耳與吊梁相交位置的兩端，最大應(yīng)力為32 MPa,Q345A材料的屈服應(yīng)力為345 MPa,強度安全系數(shù)為10.1，滿足封頭起吊翻轉(zhuǎn)要求。

4 結(jié)束語

通過對封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的難點進行分析和研究，提出最優(yōu)化起吊翻轉(zhuǎn)方案，設(shè)計了合理的起吊翻轉(zhuǎn)工藝裝備。封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)同時實現(xiàn)了夾緊、起吊、限位和旋轉(zhuǎn)等多種功能，使得封頭的加工轉(zhuǎn)運能順利進行。

對起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了多次靜載和動載試驗，試驗結(jié)果符合預(yù)期要求。起吊翻轉(zhuǎn)試驗證明，該封頭起吊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，功能呈現(xiàn)多樣性，能較好地保證封頭的加工和轉(zhuǎn)運，可縮短起吊翻轉(zhuǎn)周期1/2，提高了生產(chǎn)效率。