大型運(yùn)載火箭環(huán)縫焊接自動(dòng)安裝機(jī)的簡(jiǎn)約可靠設(shè)計(jì)

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(jī)電學(xué)院，西安 7007；.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 00076；.首都航天機(jī)械公司，北京 00076）

大型運(yùn)載火箭環(huán)縫焊接自動(dòng)安裝機(jī)的簡(jiǎn)約可靠設(shè)計(jì)

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(jī)電學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)運(yùn)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(jī)械公司，北京 100076）

針對(duì)新一代大型運(yùn)載火箭環(huán)縫總裝焊接，研究其多功能自動(dòng)安裝機(jī)的簡(jiǎn)約可靠性設(shè)計(jì)方案。該安裝機(jī)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(jiǎn)約設(shè)計(jì)方案，此外，基于建立的整機(jī)的非線性有限元模型進(jìn)行了整機(jī)剛度和強(qiáng)度分析，充分驗(yàn)證了多功能自動(dòng)安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)合理性和運(yùn)行可靠性，從而為大型非標(biāo)裝備的設(shè)計(jì)提供了重要的設(shè)計(jì)思路和參考依據(jù)。

多功能自動(dòng)安裝機(jī)；簡(jiǎn)約；可靠；精確翻轉(zhuǎn)；有限元

0　引言

自動(dòng)安裝設(shè)備是未來(lái)國(guó)家重大裝備發(fā)展的必須裝備，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究與開(kāi)發(fā)，我國(guó)在自動(dòng)安裝設(shè)備方面有了很大的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定差距［1］。隨著自動(dòng)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?dòng)安裝設(shè)備應(yīng)用的廣闊天地［2，3］。隨著計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)多功能自動(dòng)安裝機(jī)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(dòng)安裝機(jī)是新一代大型運(yùn)載火箭環(huán)縫總裝焊接裝備的一個(gè)關(guān)鍵子裝備，是一套機(jī)械化、自動(dòng)化程度高、操作靈活方便且運(yùn)行安全可靠的安裝設(shè)備。在生產(chǎn)過(guò)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(yùn)裝卸，同時(shí)，多功能自動(dòng)安裝機(jī)的采用還是提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的重要措施，據(jù)此，本文針對(duì)該大型裝備的簡(jiǎn)約可靠的設(shè)計(jì)方案和性能分析進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，并成功應(yīng)用在了工程實(shí)際中。

1　多功能自動(dòng)安裝機(jī)總體簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)方案的提出

多功能自動(dòng)安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括行走機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)為沿著主床身運(yùn)動(dòng)的各部件安裝產(chǎn)品及機(jī)床附件等的功能。行走機(jī)構(gòu)下表面通過(guò)直線導(dǎo)軌與輔助床身連接，用于安裝機(jī)沿輔助床身的縱向運(yùn)動(dòng)。調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括底箱和立柱兩部分。底箱下表面通過(guò)直線導(dǎo)軌與行走機(jī)構(gòu)連接，用于夾緊機(jī)構(gòu)的前后調(diào)整，上表面與立柱連接。立柱高4米，由兩個(gè)單體立柱、橫梁、絲杠和配重機(jī)構(gòu)等組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。夾緊機(jī)構(gòu)用于固定要裝卸的產(chǎn)品和機(jī)床附件，根據(jù)不同的被夾持物選裝不同的夾緊機(jī)構(gòu)。多功能自動(dòng)安裝機(jī)的材料性能如表1所示。

1）采用模塊化設(shè)計(jì)。由于需要裝卸產(chǎn)品和機(jī)床附件等，需求較多，設(shè)計(jì)了兩套夾緊機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同的被夾持物選裝不同的夾緊機(jī)構(gòu)，更換靈活方便，適應(yīng)能力強(qiáng)。

2）改變傳統(tǒng)的下端固定、上端游動(dòng)方案。由于絲杠的長(zhǎng)徑比很大，絲杠軸承的支撐方案設(shè)計(jì)為上端固定、下端游動(dòng)，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(jī)構(gòu)有效地減小了升降機(jī)構(gòu)的體積和驅(qū)動(dòng)力矩。

4）升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)而提高其運(yùn)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(dòng)安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2　非線性整機(jī)有限元模型的建立

2.1單元?jiǎng)澐置芏鹊拇_定

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格形狀對(duì)計(jì)算精度和計(jì)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(gè)民族主義者和小說(shuō)家表達(dá)對(duì)本民族命運(yùn)關(guān)切的特有方式，同時(shí)它也是一個(gè)政治諷喻，以魔幻現(xiàn)實(shí)主義的方式呈現(xiàn)了內(nèi)受經(jīng)濟(jì)衰退困擾、外逢強(qiáng)權(quán)政府壓制的蘇格蘭社會(huì)狀況，它更是整個(gè)西方工業(yè)社會(huì)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(qiáng)烈“反烏托邦”色彩的小說(shuō)中，格雷以諷刺的手法表達(dá)了對(duì)個(gè)人命運(yùn)的關(guān)切和對(duì)社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)的不滿，批判了整個(gè)西方的政治意識(shí)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(zhǎng)度載荷。

根據(jù)式（1）計(jì)算出接觸半寬，以接觸半寬的1/5作為升降機(jī)構(gòu)中滾輪與導(dǎo)軌接觸位置局部區(qū)域的單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度，此時(shí)該位置的單元密度較為合理，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，計(jì)算效率較高。

2.2整機(jī)有限元模型的建立

由于行走機(jī)構(gòu)的末端是懸空的，因此當(dāng)?shù)紫溥\(yùn)動(dòng)到其最末端時(shí)，行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的變形最大，當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)移動(dòng)到立柱最高點(diǎn)時(shí)，立柱的受彎變形最大，因此對(duì)底箱運(yùn)動(dòng)到行走機(jī)構(gòu)最末端而夾緊機(jī)構(gòu)移動(dòng)到立柱最高點(diǎn)這一位置狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，整機(jī)的非線性有限元模型如圖2所示。

圖2　多功能自動(dòng)安裝機(jī)的有限元模型

3　整機(jī)的有限元分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1整機(jī)的強(qiáng)度有限元分析

行走機(jī)構(gòu)、底箱、立柱、四組滾輪組、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3（a）中可見(jiàn)，最大值為16.072MPa，發(fā)生在其與右端支撐滑塊相對(duì)應(yīng)的位置。從圖3（b）中可見(jiàn)，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(jiàn)，最大值為18.006MPa，發(fā)生在立柱頂端配重機(jī)構(gòu)的滑輪支座處，是由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)和配重塊的重力造成的。從圖3（d）中可見(jiàn)，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(gè)滾輪桿上的應(yīng)力值也較高。從圖3（e）中可見(jiàn)，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(gè)滾輪桿彎曲變形后接觸到孔壁造成的。從圖3（f）中可見(jiàn)，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(jiàn)，安裝機(jī)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(qiáng)度是滿足要求的，其中，四組滾輪組和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大等效應(yīng)力較大。

圖3　安裝機(jī)的關(guān)鍵零部件的等效應(yīng)力分布

3.2整機(jī)的剛度有限元分析

安裝機(jī)沿垂直方向位移和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)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(jiàn)，由于被夾持物的重力和絲杠對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支持力構(gòu)成的力偶、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)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(jī)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，因此立柱將受彎變形，而且旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的滾輪與導(dǎo)軌的接觸位置將產(chǎn)生彈性變形，所以?shī)A緊機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)隨著立柱彎曲而旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞著滾輪導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)自轉(zhuǎn)，因而沿垂直方向位移主要體現(xiàn)在夾緊機(jī)構(gòu)上，最大位移量為7.445mm，發(fā)生在夾緊機(jī)構(gòu)的末端。從圖4（b）中可見(jiàn)，由于夾緊機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)隨著立柱彎曲而旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞著滾輪導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)自轉(zhuǎn)，因此旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)構(gòu)下方，是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)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(jiàn)，產(chǎn)生了繞右端支撐滑塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，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(jī)構(gòu)最右端，變形量很小，驗(yàn)證了行走機(jī)構(gòu)和底箱的剛性良好。從圖4（d）中可見(jiàn)，由于立柱受到彎矩作用，產(chǎn)生了繞行走機(jī)構(gòu)右端支撐滑塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，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(duì)較小，證明了立柱的剛性良好。綜上可知，多功能自動(dòng)安裝機(jī)安裝下架托架狀態(tài)的剛度良好，滿足設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了多功能自動(dòng)安裝機(jī)的結(jié)構(gòu)性能良好，可安全使用。

圖4　安裝機(jī)的關(guān)鍵零部件的變形分布

3.3整機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

所研發(fā)的多功能自動(dòng)安裝機(jī)如圖5所示，通過(guò)測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)要求，具有良好的強(qiáng)度和剛度。最大變形量滿足工程需要，變形略比計(jì)算結(jié)果稍大，最大誤差小于15%，這是由于在計(jì)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(jì)方案是可行的，該安裝機(jī)的強(qiáng)度、剛度的非線性有限元分析是準(zhǔn)確的。

圖5　多功能自動(dòng)安裝機(jī)

4　結(jié)論

本文針對(duì)新一代大型運(yùn)載火箭環(huán)縫總裝焊接多功能自動(dòng)安裝機(jī)，完成工作如下：

1）提出了該自動(dòng)安裝機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案，該多功能自動(dòng)安裝機(jī)包括行走機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)等，可實(shí)現(xiàn)三向直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)安裝機(jī)的整機(jī)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?jiǎng)澐譁?zhǔn)則，對(duì)整機(jī)進(jìn)行了較為經(jīng)濟(jì)的有限元單元的劃分，有效地提高了計(jì)算精度和計(jì)算效率。

【】【】

3）基于建立的非線性有限元模型，對(duì)該自動(dòng)安裝機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，計(jì)算結(jié)果通過(guò)實(shí)際測(cè)試，有效地驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本研究為靈巧大型裝備的設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275423）

趙婷（1980 -），女，天津人，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠性等。