一種通用化質(zhì)心可調(diào)式水平吊具設(shè)計(jì)方法

程運(yùn)江 趙鵬飛 趙 日 金 晶 樊 軼

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一種通用化質(zhì)心可調(diào)式水平吊具設(shè)計(jì)方法

程運(yùn)江 趙鵬飛 趙 日 金 晶 樊 軼

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

為解決總裝廠房內(nèi)吊具設(shè)備復(fù)雜、一種吊具起吊一型產(chǎn)品、質(zhì)心難調(diào)節(jié)的問題，根據(jù)地面保障裝備的發(fā)展趨勢提出了一種通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具。采用吊梁模塊化、質(zhì)心無級調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)思路，完成了通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具設(shè)計(jì)方案，并通過Abaqus軟件和理論計(jì)算對其進(jìn)行剛強(qiáng)度校核，實(shí)現(xiàn)了對不同起吊間距、不同重量的產(chǎn)品通用起吊。本文為后續(xù)吊具及相關(guān)地面設(shè)備的產(chǎn)品化研制提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

模塊化；質(zhì)心可調(diào)；通用化吊具

1 引言

吊具是裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)品的專用地面輔助設(shè)備，是廠房進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)輸、轉(zhuǎn)場、裝箱等操作的重要機(jī)具。經(jīng)過國內(nèi)吊具行業(yè)幾十年的發(fā)展，面向各行業(yè)、各領(lǐng)域已配套形成較為完善的吊具貨架產(chǎn)品體系，可為每型吊具提供標(biāo)準(zhǔn)的配件和連接件。然而，受到起吊產(chǎn)品的物品種類繁多、定制需求個(gè)性化的影響，每種起吊產(chǎn)品的專用吊具在設(shè)計(jì)上存在差異較大、方案不統(tǒng)一、互換通用性差的特點(diǎn)，容易造成廠房內(nèi)一種吊具只具備起吊一型產(chǎn)品的能力[1]。為更好控制總裝廠房內(nèi)的總裝工作環(huán)境，需在不耽誤各型產(chǎn)品總裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、起吊工作的情況下，精簡廠內(nèi)各類地面輔助設(shè)備品種和數(shù)量，這就意味著要壓縮專用吊具的規(guī)格，提供一種能夠同時(shí)滿足不同產(chǎn)品起吊的通用化吊具。另外，針對一些軍用航天起吊產(chǎn)品平穩(wěn)水平起吊的高要求，吊具還需要具備質(zhì)心可調(diào)節(jié)的能力，以保證起吊產(chǎn)品質(zhì)心與起吊點(diǎn)處于一條豎直線上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平穩(wěn)水平起吊的功能[2]。為解決上述現(xiàn)有總裝廠房內(nèi)吊具設(shè)備復(fù)雜、一種吊具起吊一型產(chǎn)品、質(zhì)心難調(diào)節(jié)的問題，需要設(shè)計(jì)研制一種通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具[3，4]。

2 發(fā)展趨勢

隨著航天產(chǎn)品市場需求急劇增加，需要提高航天產(chǎn)品及其配套地面保障設(shè)備的生產(chǎn)研制效率，發(fā)展產(chǎn)品化、通用化道路[5，6]，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，以快速交付滿足用戶快速裝備的需求。比較典型的是，美國與俄羅斯先后進(jìn)行了航天武器及其地面設(shè)備的產(chǎn)品化工作，尤其在空軍地面保障設(shè)備方面體現(xiàn)尤為突出，各類架車、掛彈車等地面保障設(shè)備實(shí)施了產(chǎn)品化、通用化設(shè)計(jì)，極大地提高了空軍的地面保障能力[7，8]。

為提高吊裝航天產(chǎn)品的可靠性和安全性，隨著工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外開始研制、生產(chǎn)具備質(zhì)心可調(diào)式功能的吊具，以確保在起吊產(chǎn)品質(zhì)心位置不準(zhǔn)確情況下，吊具能滿足產(chǎn)品水平穩(wěn)定起吊的要求。

3 吊具設(shè)計(jì)方案

3.1 研制思路

在滿足航天產(chǎn)品高可靠性、安全性起吊要求和總裝廠使用需求的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品的起吊方案、產(chǎn)品質(zhì)量、吊點(diǎn)間尺寸、質(zhì)心與前吊點(diǎn)距離等起吊特征參數(shù)進(jìn)行梳理、分析，完成通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具的方案設(shè)計(jì)。

通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具研制思路包括以下兩點(diǎn)：

a. 安全可靠，確保吊具的使用安全性；

b. 貫徹產(chǎn)品化、模塊化和通用化的設(shè)計(jì)思想，確保適應(yīng)不同產(chǎn)品及同一產(chǎn)品不同狀態(tài)的起吊工況。

3.2 吊具方案

選取三型航天起吊產(chǎn)品（假設(shè)三型產(chǎn)品均為圓柱體）作為研究對象開展通用化吊具的方案設(shè)計(jì)，具體起吊產(chǎn)品的起吊特征參數(shù)如表1所示。考慮起吊產(chǎn)品的吊具接口已固化，不在本文中再進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

表1 三型航天產(chǎn)品起吊參數(shù)

采用模塊化思想、組合式方法進(jìn)行基于組合式吊梁的吊具方案設(shè)計(jì)。該通用化吊具采用拆卸拼裝基本模塊和擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)大/小不同起吊間距的起吊，通過吊環(huán)和吊掛在吊梁上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同航天相關(guān)產(chǎn)品通用起吊的能力。通過調(diào)整后，通用化吊具具備A、B、C三種航天產(chǎn)品的起吊能力，具體通用化吊具起吊示意圖如圖1所示。

圖1 通用化吊具起吊示意圖

該通用化吊具主要由基本模塊、擴(kuò)展模塊、吊環(huán)、吊掛及起吊組件等結(jié)構(gòu)組成。

吊梁：承載吊具配件和起吊產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)，主要包括組合式吊梁模塊、連接銷軸、防松片等。其中，組合式吊梁模塊包括基本模塊和擴(kuò)展模塊。

吊環(huán)：作為吊梁與廠房吊鉤的連接件。

吊耳：主要用于連接吊梁與吊帶，且能夠?qū)崿F(xiàn)起吊產(chǎn)品的質(zhì)心可連續(xù)調(diào)節(jié)。

卸扣：主要用于吊帶與吊耳之間的緊固與連接，可選用標(biāo)準(zhǔn)件配套。

吊帶：作為吊梁與起吊產(chǎn)品的連接件，可選用標(biāo)準(zhǔn)件配套。

起吊組件：連接吊具與起吊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)裝置，在起吊過程中減小和改善產(chǎn)品的受力情況，起到保護(hù)產(chǎn)品的作用。該起吊組件已完成生產(chǎn)研制，可直接借用原有各型號的起吊組件。

組合式吊梁模塊選用工字型截面梁，通過連接銷軸固定、防松片扣緊將基本模塊與擴(kuò)展模塊形成一體，避免了起吊產(chǎn)品過程中擴(kuò)展模塊以連接銷軸為中心繞基本模塊轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。在吊具使用過程中，起吊吊點(diǎn)間距跨度大的產(chǎn)品采用安裝擴(kuò)展模塊增長吊梁的方式以匹配產(chǎn)品的吊點(diǎn)，起吊吊點(diǎn)間距跨度小的產(chǎn)品則只采用基本模塊以協(xié)調(diào)短吊梁與產(chǎn)品起吊間距的匹配。組合式吊梁模塊工字型截面梁下端上平面安裝一組滑動(dòng)吊耳，可在工字型截面梁上自行滑動(dòng)吊耳以細(xì)微調(diào)節(jié)起吊間距來適應(yīng)不同狀態(tài)下起吊產(chǎn)品的重心，確保產(chǎn)品起吊點(diǎn)位于起吊產(chǎn)品質(zhì)心的正上方，使起吊狀態(tài)下產(chǎn)品受水平、較小的軸向力，保證產(chǎn)品在吊運(yùn)轉(zhuǎn)載過程中平穩(wěn)、安全。

3.3 強(qiáng)度計(jì)算

采用通用化吊具起吊三型產(chǎn)品過程中，吊梁所承受的各點(diǎn)起吊載荷與起吊點(diǎn)的吊點(diǎn)間距及質(zhì)心有關(guān)。經(jīng)計(jì)算分析，起吊產(chǎn)品A時(shí)吊梁兩端所承受的載荷最大，且其兩端的吊點(diǎn)間距最大。因此，在進(jìn)行吊梁剛強(qiáng)度計(jì)算分析過程中，可僅對吊裝產(chǎn)品A工況進(jìn)行吊梁剛強(qiáng)度校核。

3.3.1 吊梁的剛強(qiáng)度校核

吊梁剛強(qiáng)度校核過程中采用Abaqus軟件進(jìn)行分析，以C3D8I單元網(wǎng)格劃分。在有限元模型中，主梁與側(cè)梁、轉(zhuǎn)軸、吊鉤及輔助支撐之間建立接觸分析對，用于接觸分析。由起吊產(chǎn)品A質(zhì)量、吊點(diǎn)間距及質(zhì)心位置，計(jì)算出兩端吊掛的起吊載荷，并在吊掛下端的起吊孔內(nèi)部上平面施加載荷和位移約束。經(jīng)仿真分析，由圖2和圖3可知，組合式吊梁的最大應(yīng)力為276.3MPa，出現(xiàn)在吊掛起吊孔位置處。組合式吊梁的最大變形為2.5mm，出現(xiàn)在離起吊點(diǎn)較遠(yuǎn)的一側(cè)吊掛起吊孔位置處。吊梁的材料為30CrMnSiA，抗拉強(qiáng)度為1080MPa。由此，組合式吊梁的剩余強(qiáng)度系數(shù)均3.9，符合強(qiáng)度要求；吊梁的最大位移量為2.56mm，最大變形為2.56/3000=1/1200，小于l/1000，滿足吊具的剛度要求。

圖2 組合式吊梁的最大應(yīng)力云圖

圖3 組合式吊梁的最大應(yīng)變云圖

3.3.2 銷軸和連接銷軸的剛強(qiáng)度校核

銷軸主要用于連接吊環(huán)與吊梁，連接銷軸主要用于連接基本模塊與擴(kuò)展模塊，兩者的材料均為30CrMnSiA，抗拉強(qiáng)度為1080MPa，現(xiàn)對銷軸與連接銷軸進(jìn)行剛強(qiáng)度校核。

對銷軸采用計(jì)算載荷以工程算法進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算，得到銷軸的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。其中，為起吊產(chǎn)品A時(shí)施加在銷軸的載荷，銷軸的直徑為31mm，銷軸的半徑為，跨度L為60mm，連接叉的開口長度C為15mm。

經(jīng)計(jì)算，銷軸的彎曲應(yīng)力為：

銷軸的剪應(yīng)力為：

銷軸的合成應(yīng)力為：

將擴(kuò)展模塊取出進(jìn)行受力分析，如圖4所示。其中，1為施加在擴(kuò)展模塊上的載荷，為基本模塊對擴(kuò)展模塊根部的擠壓載荷，為連接銷軸給基本模塊的擠壓載荷，1為擴(kuò)展模塊連接銷軸孔至底端的豎直距離，2為連接銷軸孔至擴(kuò)展模塊1施加載荷點(diǎn)。

圖4 擴(kuò)展模塊的受力分析圖

根據(jù)力的平衡方程，計(jì)算得到連接銷軸受到的擠壓載荷：

通過工程計(jì)算方法對連接銷軸進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算。其中，連接銷軸的直徑為24mm，連接銷軸的半徑為，跨度L為30mm，連接叉的開口長度L為20mm。

經(jīng)計(jì)算，連接銷軸的彎曲應(yīng)力為：

連接銷軸的剪應(yīng)力為：

連接銷軸的合成應(yīng)力為：

綜上計(jì)算可知，銷軸的合成應(yīng)力為272.4MPa，連接銷軸合成應(yīng)力為344.3MPa。銷軸的剩余強(qiáng)度系數(shù)為3.9，連接銷軸的剩余強(qiáng)度系數(shù)為3.1，符合強(qiáng)度要求。

3.4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.4.1 基于模塊化思路的大小吊點(diǎn)間距設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有廠房起吊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分檔化設(shè)計(jì)，合理匹配起吊產(chǎn)品重量與吊點(diǎn)間距的關(guān)系，明確吊具各種組合模塊條件下產(chǎn)品起吊的強(qiáng)度載荷，以此開展吊梁的型面設(shè)計(jì)。在拆卸/擴(kuò)展模塊各種組合條件強(qiáng)度均滿足要求的基礎(chǔ)上，以吊環(huán)豎直下方的起吊孔為中心，左右各間隔100mm為距離打起吊孔，留出安裝起吊附件至起吊孔的空余空間，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的拆卸、起吊孔的變換，完成吊梁與不同產(chǎn)品間吊點(diǎn)間距的匹配性，解決了大跨度吊具起吊大吊點(diǎn)間距產(chǎn)品、小跨度吊具起吊小吊點(diǎn)間距產(chǎn)品的便攜性問題。

3.4.2 質(zhì)心連續(xù)可調(diào)節(jié)吊耳設(shè)計(jì)

吊梁型面采用工字梁結(jié)構(gòu)，以提高吊梁整體結(jié)構(gòu)的撓度?；瑒?dòng)吊耳包括固定銷塊、固定銷、燕尾槽截面體，其中T型燕尾槽截面與吊梁工字梁截面匹配，并通過水平滑動(dòng)可使滑動(dòng)吊耳在吊梁上移動(dòng)，滑動(dòng)吊耳示意圖如圖5所示。固定銷塊在齒形槽內(nèi)的最大調(diào)整間距設(shè)計(jì)為50mm，可確保吊梁起吊孔兩側(cè)均移動(dòng)50mm覆蓋兩起吊孔之間的100mm間距。在調(diào)整吊耳位置過程中，首先滑動(dòng)吊耳至起吊產(chǎn)品的吊點(diǎn)間距大概位置，然后插固定銷固定起吊孔與固定銷塊，最后采用固定銷塊在齒形槽內(nèi)進(jìn)行細(xì)微移動(dòng)以精確調(diào)整起吊產(chǎn)品的吊點(diǎn)間距位置。同樣，可以采用相同操作，通過改變起吊孔、滑動(dòng)吊耳固定銷塊的位置以適應(yīng)不同狀態(tài)下產(chǎn)品的起吊重心，從而實(shí)現(xiàn)起吊產(chǎn)品的質(zhì)心連續(xù)可調(diào)，確保軍用航天產(chǎn)品在吊運(yùn)轉(zhuǎn)載過程中更平穩(wěn)、安全。

4 試驗(yàn)及應(yīng)用情況

通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具生產(chǎn)完成后，對擴(kuò)展模塊和基本模塊進(jìn)行了組裝和拼接，在工字梁上套接了質(zhì)心可調(diào)式吊耳。通用化吊具組裝完成后，擴(kuò)展模塊和基本模塊組裝正常良好，質(zhì)心可調(diào)式吊耳可在工字梁上自由滑動(dòng)，且實(shí)現(xiàn)無極調(diào)距，當(dāng)?shù)醵N軸固定時(shí)可鎖定牢固。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，吊具按1.5倍額定載荷進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，吊具的承載件、主梁及各零部件無出現(xiàn)裂紋及變形；吊具按1.2倍額定載荷進(jìn)行了起吊動(dòng)載試驗(yàn)，吊具的承載件、主梁及各零部件無出現(xiàn)裂紋及變形；通過適裝與各型產(chǎn)品的起吊組件匹配，拆卸/安裝擴(kuò)展模塊，調(diào)節(jié)質(zhì)心可調(diào)式吊耳在工字梁上的位置，可實(shí)現(xiàn)吊具與各型產(chǎn)品的協(xié)調(diào)匹配，實(shí)現(xiàn)各型產(chǎn)品的平穩(wěn)起吊功能。通過上述各項(xiàng)靜載、動(dòng)載及協(xié)調(diào)匹配試驗(yàn)驗(yàn)證，吊具的組合式調(diào)節(jié)、載重、無極式調(diào)節(jié)質(zhì)心位置等功能均達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

在分析起吊產(chǎn)品的起吊方案、產(chǎn)品質(zhì)量、吊點(diǎn)間距、質(zhì)心與前吊點(diǎn)間距等特征基礎(chǔ)上，以安全可靠、通用化、模塊化思想為研制思路，采用基于模塊化思路的大小吊點(diǎn)間距設(shè)計(jì)、質(zhì)心連續(xù)可調(diào)節(jié)吊耳設(shè)計(jì)兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)完成了通用化可調(diào)式吊具的方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了一型吊具可平穩(wěn)起吊三型航天相關(guān)產(chǎn)品的起吊功能。在不耽誤各型產(chǎn)品總裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、起吊工作的情況下，通用化質(zhì)心可調(diào)式吊具能夠精簡總裝廠內(nèi)各類地面輔助設(shè)備品種和數(shù)量，提高總裝廠房的工作效率，減少現(xiàn)有總裝廠房內(nèi)地面設(shè)備的占地面積，對后續(xù)開展吊具的研制及相關(guān)地面設(shè)備的產(chǎn)品化工作具有一定借鑒意義。

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A Methodfor Designing UniversalizationRemovable Centroid Horizontal Sling

Cheng Yunjiang Zhao Pengfei Zhao Ri Jin Jing Fan Yi

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to solve the problem which sling is complex, one sling just lift one product and sling removes centroid hardly in the devices general assembly factory, this paper combines the development tendency of ground guarantee equipment, raises one kind of universalization removable centroid sling. Hanging beam modularity and removing centroid continuously are used in the sling’s design thought. A design scheme of universalization removable centroid horizontal sling is accomplished and the rigidity and intensity of universalization hanging beam are checked by Abaqus software and theoretical calculation. The sling can universally lift different products, which have suspension point distances and different weights. This paper can provide a new design thinking for slings and other ground equipment productization developing.

modularity；remove centroid continuously；universalization sling

2018-10-30

程運(yùn)江（1989），碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)。