多工況可調節吊具的設計及分析

王江勇 崔衛國 邱紅亮 劉慧芬 陳 霞 楊愛萍

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多工況可調節吊具的設計及分析

王江勇 崔衛國 邱紅亮 劉慧芬 陳 霞 楊愛萍

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

針對總裝裝配線筒體類產品吊點位置不變、重心變化的特點，設計一種可調節吊具，通過調節鏈條長度適應不同的起吊工況。通過作圖法計算鏈條長度，計算出鏈條的額定載荷。設計箱形吊梁、轉接板結構及有限元分析，仿真結果滿足使用要求，并通過加載試驗驗證。該研究結果可為同類吊具的設計、仿真、試驗提供參考。

吊具；有限元；多工況；加載

1 引言

在航天產品總裝裝配線中，筒類產品起吊十分普遍。該類產品往往存在空載、滿載、更換部件等不同工況，導致重心和質量變化，而吊點位置一般固定不變，轉載時需要設計專門吊具[1，2]。傳統的吊具設計一般采用改變吊梁上吊點位置、更換吊帶等方式調整重心，使用過程中更換麻煩，散件較多，容易出錯，具有一定的安全隱患[3]。

本文針對不同的工況及起吊要求，采用單吊梁起吊方式，設計一種箱形吊梁，計算出鏈條長度，在起吊過程中，通過縮鏈器調節鏈條長短，即可滿足筒體起吊要求。

2 鏈條計算

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形吊帶與桁車吊鉤連接，吊梁下方左右各一個吊耳，通過卸扣連接兩根鏈條。針對產品吊耳特點，設計專用轉接板，實現與產品的快速可靠連接。通過鏈條縮鏈器調節鏈條長短，使不同工況下吊梁始終與產品中心在豎直方向重合，保證筒體起吊時保持水平。

2.2 筒體起吊要求

筒體左右兩側各安裝有2個吊點，吊點沿軸向間距為6390mm。筒體使用時共包含四種工況，不同工況對應不同的重量和質心位置，結果見表1。

表1 不同工況質心及質量

筒體起吊時要求不同的工況鏈條與筒體縱軸的夾角需大于一定數值，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 鏈條長度選擇

根據筒體尺寸和表2參數計算鏈條長度，計算需滿足兩點：

a. 吊梁上吊點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生傾斜；

b. 滿足最小起吊角度要求。

圖2 鏈條長度計算

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

測得四種工況下前鏈條長度為3945～3957mm，為簡化調整過程，前鏈條統一長度，取3951mm，只對后鏈條長度進行調節。根據使用工況，按表3數據調整鏈條長度。鏈條長度留有一定余量，兩根前鏈條長度為4200mm，兩根后鏈條長度為5800mm。

表3 鏈條實際長度 mm

2.4 鏈條選型

吊具額定載荷為20t，同側兩根鏈條的合力為10t。根據表3、圖2，鏈條受力情況如圖3所示。

圖3 鏈條受力圖

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

1——前吊點鏈條載荷；2——后吊點鏈條載荷。

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，鏈環直徑為16mm。

3 吊梁設計

3.1 結構設計

吊梁是整套吊具的關鍵部件之一，直接關系到起吊安全及使用壽命。吊梁設計按額定載荷20t設計，結構采用典型的箱形結構，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1620mm，寬220mm，高450mm。

圖4 吊梁

3.2 有限元分析

由于吊梁為軸對稱模型，因此取吊梁的一半進行有限元分析[4]。對稱面施加對稱約束，上吊耳、下吊耳分別施加軸承力，網格選用四面體網格。應力結果如圖5所示。可得吊梁的最大等效應力在上吊耳軸孔處，大小為125MPa，材料選用Q345A，屈服強度為345MPa，安全系數為2.7，滿足吊具設計要求。

圖5 吊梁應力云圖

3.3 焊縫強度計算

上吊耳采用雙面角焊縫，焊高=8mm，焊縫長=300mm，額定載荷為20t，根據機械設計手冊角焊縫強度計算公式[5]：

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

焊縫強度均滿足設計要求。

4 轉接板設計

4.1 結構設計

筒體上吊點結構如圖6所示。該吊點通過螺栓連接在筒體上，起吊部分為一圓柱形結構，外側通過六角螺母限位。

圖6 吊點結構

為實現鏈條與筒體的連接，針對吊點結構特點，設計一轉接板結構，如圖7所示。上方孔用于連接卸扣，下方孔連接產品吊耳。吊點連接處采用上大下小的結構，可以不拆卸產品螺母，通過較大孔套入起吊耳；起吊時，小孔部分與產品吊耳接觸，螺母實現限位，連接可靠。

圖7 轉接板結構

4.2 有限元分析

有限元分析轉接板，應力結果如圖8所示，最大等效應力為269MPa，位于卸扣孔處。該材料選用鍛件30CrMnSiA，熱處理后屈服強度可達到900MPa，安全系數為3.3，滿足吊具設計要求。

圖8 轉接板應力云圖

5 加載試驗

為進一步驗證吊具強度，吊具生產完成后進行加載試驗[6]。在四種工況下對吊具整體作加載試驗，載荷為對應的筒體狀態。

a. 靜載試驗：將載荷提升至離地約200mm高，持續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. 動載試驗：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3次。上述試驗過程重復3次。試驗時在吊具正下方放置木塊保護。經試驗，吊具各組成部分無永久變形，用十倍放大鏡檢查，無裂紋產生，滿足使用強度要求。

6 結束語

通過對筒體起吊要求分析，確定了整體方案，通過調整鏈條長度適應工況變化，采用作圖法計算了鏈條長度，計算出鏈條載荷并進行選型，對關鍵零部件進行了有限元分析，并通過加載試驗進行驗證。結果表明，設計的吊具能夠滿足筒體不同工況的起吊要求，為同類吊具的設計提供參考。

1 王小明. 導彈吊具自動化設計系統的研究[D]. 武漢：華中科技大學，2015

2 楊明元. 核電大型筒體特種專用吊具的設計研究[D]. 秦皇島：燕山大學，2017

3 王鶴. 風電傳動鏈重心自動調整吊具的研制[J]. 金屬制品，2017，43(2)：47～48

4 張珂，龍彥澤，陳建平，等. 導架爬升式升降工作平臺標準節吊具的設計及其結構靜力分析[J]. 沈陽建筑大學學報，2011，27(6)：1183～1186

5 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2002

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

中國航天科技集團公司重大工藝研究項目（ZDGY2016-04）。

王江勇（1987），工程師，機械電子工程專業；研究方向：工藝裝備及非標設備的設計與研究。

2018-11-02