鎖緊缸體加載試驗工藝技術研究

呂紅瑞，牛永進，悅 平，閆佳佳

(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中，各型號鎖緊缸體是發射筒的關鍵部件，在運輸過程中承受彈體的所有沖擊，是重要承力部件，其各項性能指標的優劣是產品整體研發成功與否的關鍵。因此需要設計鎖緊缸體試驗，對關鍵部位強度(如筒體強度、連接法蘭強度、鎖緊機構安裝套強度及焊縫處強度)進行校核。

本文梳理匯總鎖緊缸體規格尺寸，根據各部件的結構特點、試驗要求和存在的問題，提出試驗裝置的設計方案，并通過方案優選確定了試驗裝置方案，最終研制開發出一套試驗工藝裝置，實現了試驗過程的柔性化、機械化，達到校核鎖緊缸體各性能指標的目的，并通過有限元對試驗工藝裝置關鍵部件進行了計算，確保試驗工藝裝置的安全、可靠。

1 鎖緊缸體

鎖緊缸體由筒體、上下對接法蘭、鎖緊機構安裝套焊接而成，其中筒體是由20 mm厚鋁板卷制而成，上下對接法蘭由Φ2 693 mm鋁環加工而成，要求筒體強度按鋁的屈服強度160 MPa考核，焊縫強度按屈服強度120 MPa考核，其中安全系數不小于2。鎖緊缸體結構示意圖如圖1所示，對鎖緊缸體進行加載，測試貼片位置如圖2所示。鎖緊缸體試驗總載荷分為10 t、15 t、22 t、28 t四級，保壓10 min，試驗過程應安全可靠、便于觀察。

圖1 鎖緊缸體結構示意圖

2 關鍵問題分析

通過現場跟蹤鎖緊缸體加載試驗過程，發現存在以下問題：試驗工藝不合理,造成試驗進度受到鎖緊機構生產進度的制約；試驗過程中難觀測；試驗效率低，工人勞動強度大。因此需要對鎖緊缸體加載試驗工藝裝置進行再設計，以達到以下要求：

(1) 試驗裝置安裝時間≤2 h。

(2) 試驗過程中如發生異常能及時觀測。

(3) 試驗過程無等待。

圖2 鎖緊缸體測試貼片位置

3 方案選擇

3.1 方案提出

針對上述問題，本文提出了三種方案，如圖3所示。

圖3 試驗工藝方案

3.1.1 直接施力法

該試驗方案將鎖緊缸體固定于平臺上的支座上，其中鎖緊機構、鎖緊缸體及試驗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-安裝鎖緊機構-安裝工藝裝置其余部分-貼應變片-調試測試設備-開始逐級加載-記錄試驗數據-拆卸工藝裝置-結束。

3.1.2 無支座施力法

該試驗方案是將鎖緊缸體直接固定于平臺上，用工藝銷軸代替鎖緊機構，由于加載油缸的行程限制，利用加載帽對其施加載荷，其中鎖緊缸體、加載帽及試驗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-貼應變片-調試測試設備-開始逐級加載-記錄試驗數據-拆卸工藝裝置-結束。

3.1.3 支座施力法

該試驗方案是根據加載油缸的行程，在鎖緊缸體下面支撐一個圓環支座，并將其固定于平臺上，通過法蘭板對鎖緊缸體施加載荷，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-貼應變片-調試測試設備-開始逐級加載-記錄試驗數據-拆卸工藝裝置-結束。

3.2 方案分析及確定

針對上述三種方案進行了分析，如表1所示。

表1 方案分析

針對每種方案，從零件復雜性、安裝難度、成本、試驗實施性進行了分析，其中鎖緊缸體直接固定于平臺，易于安裝，所有零件都易于加工，加載帽的加載節省了安裝支座的時間，用工藝銷軸代替原來的鎖緊機構避免了等待時間，易于操作，工作量小，所以確定無支座施力法為最佳方案。

4 工藝裝置的設計

4.1 總體方案

本文設計的工藝裝置主要包括加載帽、支耳、加載油缸、油缸銷軸、支凳、工藝銷軸和平臺等零部件，運用UG8.5三維建模軟件對其進行實體建模，如圖7所示。

圖7 無支座施力法的工藝裝置結構示意圖

4.2 加載帽設計校核

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果，其應力云圖如圖9所示。

圖9 加載帽的應力云圖

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

4.3 工藝銷軸的設計校核

工藝銷軸是為了節約等待時間替代鎖緊機構而設計，由安裝板和銷軸焊接而成，如圖10所示，其強度是影響加載試驗成功的關鍵因素。

將安裝板上10個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，經過計算得到工藝銷軸的有限元分析結果，其應力云圖如圖11所示。

圖10 工藝銷軸示意圖 圖11 工藝銷軸的應力云圖

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

4.4 無支座施力方案安裝步驟及試驗方法

(1) 按照圖7要求安裝鎖緊缸體及加載試驗工藝裝置。

(2) 確認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) 按照圖2位置粘貼應變片。

(5) 調試測試設備，確認參試設備和工藝裝置狀態正常、所有連接牢固可靠。

(6) 按前述四級荷載對鎖緊缸體逐級加載，逐級記錄測試數據，卸載。

(7) 重復上述加載過程一次，分析試驗數據，若兩次的等效應力測試最大值出現在相同測點且偏差不大于20%，則試驗結束，否則需進行第三次試驗。

5 結束語

針對鎖緊缸體加載流程存在的問題，通過提出方案、方案優選、確定方案、試驗工藝裝置設計等開展了鎖緊缸體加載試驗技術研究，設計了一套滿足要求的試驗工藝裝置，并根據強度校核理論對其關鍵部件加載帽和工藝銷軸的結構進行了強度校核。分析結果表明：此加載試驗工藝裝置強度滿足要求，安全可靠，該工藝裝置安裝時間短，試驗過程無等待且能及時觀測異常情況，大大提高了試驗的效率和可操作性。