呂紅瑞，牛永進(jìn)，悅 平，閆佳佳

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

0 引言

在大型裝備制造企業(yè)中，各型號(hào)鎖緊缸體是發(fā)射筒的關(guān)鍵部件，在運(yùn)輸過程中承受彈體的所有沖擊，是重要承力部件，其各項(xiàng)性能指標(biāo)的優(yōu)劣是產(chǎn)品整體研發(fā)成功與否的關(guān)鍵。因此需要設(shè)計(jì)鎖緊缸體試驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵部位強(qiáng)度(如筒體強(qiáng)度、連接法蘭強(qiáng)度、鎖緊機(jī)構(gòu)安裝套強(qiáng)度及焊縫處強(qiáng)度)進(jìn)行校核。

本文梳理匯總鎖緊缸體規(guī)格尺寸，根據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、試驗(yàn)要求和存在的問題，提出試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案，并通過方案優(yōu)選確定了試驗(yàn)裝置方案，最終研制開發(fā)出一套試驗(yàn)工藝裝置，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的柔性化、機(jī)械化，達(dá)到校核鎖緊缸體各性能指標(biāo)的目的，并通過有限元對(duì)試驗(yàn)工藝裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行了計(jì)算，確保試驗(yàn)工藝裝置的安全、可靠。

1 鎖緊缸體

鎖緊缸體由筒體、上下對(duì)接法蘭、鎖緊機(jī)構(gòu)安裝套焊接而成，其中筒體是由20 mm厚鋁板卷制而成，上下對(duì)接法蘭由Φ2 693 mm鋁環(huán)加工而成，要求筒體強(qiáng)度按鋁的屈服強(qiáng)度160 MPa考核，焊縫強(qiáng)度按屈服強(qiáng)度120 MPa考核，其中安全系數(shù)不小于2。鎖緊缸體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，對(duì)鎖緊缸體進(jìn)行加載，測(cè)試貼片位置如圖2所示。鎖緊缸體試驗(yàn)總載荷分為10 t、15 t、22 t、28 t四級(jí)，保壓10 min，試驗(yàn)過程應(yīng)安全可靠、便于觀察。

圖1 鎖緊缸體結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵問題分析

通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤鎖緊缸體加載試驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：試驗(yàn)工藝不合理,造成試驗(yàn)進(jìn)度受到鎖緊機(jī)構(gòu)生產(chǎn)進(jìn)度的制約；試驗(yàn)過程中難觀測(cè)；試驗(yàn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此需要對(duì)鎖緊缸體加載試驗(yàn)工藝裝置進(jìn)行再設(shè)計(jì)，以達(dá)到以下要求：

(1) 試驗(yàn)裝置安裝時(shí)間≤2 h。

(2) 試驗(yàn)過程中如發(fā)生異常能及時(shí)觀測(cè)。

(3) 試驗(yàn)過程無等待。

圖2 鎖緊缸體測(cè)試貼片位置

3 方案選擇

3.1 方案提出

針對(duì)上述問題，本文提出了三種方案，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)工藝方案

3.1.1 直接施力法

該試驗(yàn)方案將鎖緊缸體固定于平臺(tái)上的支座上，其中鎖緊機(jī)構(gòu)、鎖緊缸體及試驗(yàn)工藝裝置的連接形式如圖4所示。

操作步驟為：開始-安裝支座-安裝鎖緊缸體-安裝鎖緊機(jī)構(gòu)-安裝工藝裝置其余部分-貼應(yīng)變片-調(diào)試測(cè)試設(shè)備-開始逐級(jí)加載-記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)-拆卸工藝裝置-結(jié)束。

3.1.2 無支座施力法

該試驗(yàn)方案是將鎖緊缸體直接固定于平臺(tái)上，用工藝銷軸代替鎖緊機(jī)構(gòu)，由于加載油缸的行程限制，利用加載帽對(duì)其施加載荷，其中鎖緊缸體、加載帽及試驗(yàn)工藝裝置的連接形式如圖5所示。

操作步驟為：開始-安裝鎖緊缸體-安裝工藝銷軸-安裝工藝裝置其余部分-貼應(yīng)變片-調(diào)試測(cè)試設(shè)備-開始逐級(jí)加載-記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)-拆卸工藝裝置-結(jié)束。

3.1.3 支座施力法

該試驗(yàn)方案是根據(jù)加載油缸的行程，在鎖緊缸體下面支撐一個(gè)圓環(huán)支座，并將其固定于平臺(tái)上，通過法蘭板對(duì)鎖緊缸體施加載荷，如圖6所示。

1-支耳；2-油缸；3-法蘭板；4-連接桿；5-工藝銷軸；6-支座

操作步驟為：開始-安裝支座-安裝鎖緊缸體-安裝工藝銷軸-安裝工藝裝置其余部分-貼應(yīng)變片-調(diào)試測(cè)試設(shè)備-開始逐級(jí)加載-記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)-拆卸工藝裝置-結(jié)束。

3.2 方案分析及確定

針對(duì)上述三種方案進(jìn)行了分析，如表1所示。

表1 方案分析

針對(duì)每種方案，從零件復(fù)雜性、安裝難度、成本、試驗(yàn)實(shí)施性進(jìn)行了分析，其中鎖緊缸體直接固定于平臺(tái)，易于安裝，所有零件都易于加工，加載帽的加載節(jié)省了安裝支座的時(shí)間，用工藝銷軸代替原來的鎖緊機(jī)構(gòu)避免了等待時(shí)間，易于操作，工作量小，所以確定無支座施力法為最佳方案。

4 工藝裝置的設(shè)計(jì)

4.1 總體方案

本文設(shè)計(jì)的工藝裝置主要包括加載帽、支耳、加載油缸、油缸銷軸、支凳、工藝銷軸和平臺(tái)等零部件，運(yùn)用UG8.5三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模，如圖7所示。

圖7 無支座施力法的工藝裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 加載帽設(shè)計(jì)校核

加載帽主要由槽鋼、加載板、連接柱、連接板等焊接而成，如圖8所示。

圖8 加載帽示意圖

對(duì)加載板下表面施加固定約束，在兩連接柱上表面分別施加140 000 N的載荷，得到加載帽的有限元分析結(jié)果，其應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 加載帽的應(yīng)力云圖

從圖9可以看出：加載帽的最大應(yīng)力分布在加載板上方的筋板處，最大應(yīng)力為220 MPa，采用Q345A材料，材料的屈服極限為345 MPa，加載帽的安全系數(shù)為1.6，加載帽安全可靠。

4.3 工藝銷軸的設(shè)計(jì)校核

工藝銷軸是為了節(jié)約等待時(shí)間替代鎖緊機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)，由安裝板和銷軸焊接而成，如圖10所示，其強(qiáng)度是影響加載試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。

將安裝板上10個(gè)連接孔及銷軸圓柱面施加固定約束，銷軸上平面施加向下載荷，載荷為140 000 N，經(jīng)過計(jì)算得到工藝銷軸的有限元分析結(jié)果，其應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖10 工藝銷軸示意圖 圖11 工藝銷軸的應(yīng)力云圖

從圖11可以看出：工藝銷軸最大應(yīng)力位于鎖緊缸安裝套與銷軸接觸的位置，最大應(yīng)力為323 MPa，工藝銷軸的材料為30CrMnSiA，材料的屈服極限為885 MPa，安全系數(shù)為2.74，故工藝銷軸強(qiáng)度滿足加載試驗(yàn)要求。

4.4 無支座施力方案安裝步驟及試驗(yàn)方法

(1) 按照?qǐng)D7要求安裝鎖緊缸體及加載試驗(yàn)工藝裝置。

(2) 確認(rèn)工藝銷軸平面朝向鎖緊缸體上部并確保與加載面夾角為0°。

(3) 調(diào)整加載帽，確保工藝銷軸上平面與加載帽中加載板下平面貼合緊密。

(4) 按照?qǐng)D2位置粘貼應(yīng)變片。

(5) 調(diào)試測(cè)試設(shè)備，確認(rèn)參試設(shè)備和工藝裝置狀態(tài)正常、所有連接牢固可靠。

(6) 按前述四級(jí)荷載對(duì)鎖緊缸體逐級(jí)加載，逐級(jí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，卸載。

(7) 重復(fù)上述加載過程一次，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若兩次的等效應(yīng)力測(cè)試最大值出現(xiàn)在相同測(cè)點(diǎn)且偏差不大于20%，則試驗(yàn)結(jié)束，否則需進(jìn)行第三次試驗(yàn)。

5 結(jié)束語

針對(duì)鎖緊缸體加載流程存在的問題，通過提出方案、方案優(yōu)選、確定方案、試驗(yàn)工藝裝置設(shè)計(jì)等開展了鎖緊缸體加載試驗(yàn)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一套滿足要求的試驗(yàn)工藝裝置，并根據(jù)強(qiáng)度校核理論對(duì)其關(guān)鍵部件加載帽和工藝銷軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。分析結(jié)果表明：此加載試驗(yàn)工藝裝置強(qiáng)度滿足要求，安全可靠，該工藝裝置安裝時(shí)間短，試驗(yàn)過程無等待且能及時(shí)觀測(cè)異常情況，大大提高了試驗(yàn)的效率和可操作性。