基于四連桿機(jī)構(gòu)的火箭水平吊具設(shè)計(jì)方法

邵健帥 文 明 何冠杰

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076

0 引言

在我國(guó)航天發(fā)射領(lǐng)域，經(jīng)常需要使用水平吊具將固體火箭水平吊裝至發(fā)射車(chē)的指定位置。由于發(fā)射車(chē)上的空間狹小，對(duì)固體火箭在吊裝過(guò)程中的水平度要求非常高。同一型號(hào)、不同批次或技術(shù)狀態(tài)的固體火箭的吊裝接口形式和吊點(diǎn)位置一般相同，但不同技術(shù)狀態(tài)、不同批次的同型號(hào)固體火箭的質(zhì)心位置存在較大差異，故而以往一般會(huì)根據(jù)不同狀態(tài)的固體火箭的準(zhǔn)確質(zhì)心位置專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一款水平吊具[1]，這就導(dǎo)致同一型號(hào)的固體火箭所需配套的吊具種類(lèi)、數(shù)量眾多，不利于使用和后期的維護(hù)管理。與此同時(shí)，由于固體火箭的吊裝要求非常嚴(yán)苛，即使火箭質(zhì)心位置有較大偏差范圍，被吊產(chǎn)品的軸線與水平面的夾角也要控制在較小的角度范圍內(nèi)；為減小吊索對(duì)火箭的軸向拉力，前后吊索對(duì)被吊產(chǎn)品的水平附加力不允許超過(guò)一定范圍；同時(shí)受限于廠房高度，在往發(fā)射車(chē)上吊裝航天產(chǎn)品時(shí)，起吊高度也是一個(gè)重要的限制因素[2]。

綜上所述，根據(jù)航天裝備發(fā)展的需要，在設(shè)計(jì)火箭水平吊具時(shí)，不僅要綜合考慮質(zhì)心位置、火箭水平度、前后吊索與火箭軸線的夾角、吊高限制等因素，還要具備多用途的特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)與組成

根據(jù)國(guó)內(nèi)某固體火箭的吊裝要求，本文設(shè)計(jì)了一款新型多功能火箭水平吊具。該水平吊具可滿足該型號(hào)所有狀態(tài)和批次的固體火箭的水平吊裝，具有全兼容特性。另外，根據(jù)既有廠房條件和發(fā)射車(chē)高度等參數(shù)，在使用該水平吊具吊裝固體火箭時(shí)，還能確保該型號(hào)不同狀態(tài)的固體火箭質(zhì)心位置存在±300 mm的偏差時(shí)，起吊高度（吊鉤至水平地面之間的距離）不超過(guò)6.5 m，前后吊索與火箭軸線的夾角滿足：前夾角不小于60°，后夾角不小于45°；同時(shí)火箭的軸向水平度小于等于1°且具備無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的能力。該水平吊具具有高精度吊裝的特性[3]。

新型多功能火箭水平吊具主要由吊梁、吊耳、連接叉、前吊帶、后吊帶、連接耳、花籃螺栓等組成[4]。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 多功能火箭水平吊具

該水平吊具屬于單梁水平吊具，自重約為700 kg，尺寸為：3 000 mm×1 500 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬×高），其中高度為吊梁的高度。該吊具最大允許吊裝載荷為18 t，具備9種不同質(zhì)心位置的不同狀態(tài)固體火箭的水平吊裝能力。

吊梁采用框架式焊接吊梁，主要由側(cè)梁、橫梁和斜向支撐梁焊接而成，其中側(cè)梁和橫梁均由不同厚度的鋼板焊接組成，斜向支撐梁采用60 mm×40 mm的矩形鋼管機(jī)加得到。在進(jìn)行吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先采用力學(xué)拓?fù)湫问竭M(jìn)行理論力學(xué)計(jì)算，然后搭建三維模型，使用Abaqus等軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，并不斷迭代，去除應(yīng)力較小的非關(guān)鍵承載區(qū)域，使之滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步減輕吊梁的質(zhì)量，吊梁的關(guān)鍵承載區(qū)域使用45號(hào)鋼，非關(guān)鍵承載區(qū)域使用Q345鋼；為確保吊梁吊裝安全，吊梁有2.5倍安全系數(shù)。

在組裝或拆卸吊具時(shí)，吊耳、連接叉、連接耳、花籃螺栓等均需經(jīng)常手動(dòng)搬運(yùn)，其質(zhì)量參數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素。若單件質(zhì)量較大，將影響該吊具使用的便利性。同時(shí)，這4類(lèi)單件也是吊裝過(guò)程中載荷傳遞的關(guān)鍵路徑所在。如果在吊裝過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，將導(dǎo)致固體火箭有跌落的風(fēng)險(xiǎn)。為此，這4類(lèi)零件采用40Cr等高強(qiáng)鋼進(jìn)行鍛造或機(jī)加工而避免焊接。在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留3倍安全系數(shù)；經(jīng)過(guò)多輪迭代優(yōu)化，這4類(lèi)零件的最大質(zhì)量約為7 kg，方便搬運(yùn)。花籃螺栓與后吊帶相連，可實(shí)現(xiàn)后吊帶長(zhǎng)度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，目的是為了適應(yīng)相同狀態(tài)、不同批次固體火箭質(zhì)心位置的輕微偏差，實(shí)現(xiàn)所有固體火箭的高精度水平起吊。該花籃螺栓的調(diào)節(jié)范圍為±330 mm。

前后吊帶均為市場(chǎng)上采購(gòu)的成熟產(chǎn)品，具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、韌性足的特性。為延長(zhǎng)吊帶的使用壽命、避免損壞吊帶，吊帶在不用時(shí)需放置在木箱內(nèi)存貯，且不能暴曬、觸碰酸堿溶液等；在使用時(shí)，不允許拖拽。當(dāng)?shù)鯉П粨p壞或壽命到期時(shí)，需及時(shí)更換吊帶。在該水平吊具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于存在著較高的吊裝精度，吊帶的長(zhǎng)度偏差是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。如果相同位置的2根吊帶（如2根前吊帶）的長(zhǎng)度相差較大，吊裝時(shí)易出現(xiàn)偏載的情況，比較危險(xiǎn)[3，4]。

2 設(shè)計(jì)原理

多功能火箭水平吊具的設(shè)計(jì)方法采用基于CAD軟件的四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理念[5]和粒子群算法[6，7]。首先，梳理所有影響吊裝的設(shè)計(jì)因素參數(shù)，再提取火箭質(zhì)心位置范圍、起吊高度、前吊索夾角、后吊索夾角、前后吊點(diǎn)距離、火箭軸向水平度、吊具水平度、前吊梁尺寸、后吊梁尺寸等9個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，形成尺寸鏈，如圖2所示。

圖2 多功能火箭水平吊具尺寸鏈

因需要吊裝9種不同狀態(tài)（不同質(zhì)心位置）的固體火箭，故需要設(shè)計(jì)9組不同的尺寸鏈。在采用四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行尺寸鏈設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循以下設(shè)計(jì)邊界：1）前吊梁尺寸L1和后吊梁L2的尺寸種類(lèi)要盡量少；2）質(zhì)心位置L6±300 mm共有9組；3）前夾角∠A≥60°；4）后夾角∠B≥45°5）火箭軸向水平角0°≤∠C≤1°；6）起吊高度H≤6.5 m（發(fā)射車(chē)高度為3.2 m）；7）前吊帶L3的種類(lèi)要盡量少；8）后吊帶L4的種類(lèi)要盡量少；9）前后吊點(diǎn)之間的距離L5為固定值，L5= 7 m。

綜上所述，在進(jìn)行多功能火箭水平吊具方案設(shè)計(jì)時(shí)，共有9個(gè)設(shè)計(jì)要素需要綜合考慮，即對(duì)應(yīng)著9個(gè)限制條件，其中4個(gè)為定性限制條件。為此，使用Matlab軟件，使用粒子群算法求最優(yōu)解。這種算法從隨機(jī)解出發(fā)，通過(guò)迭代尋找最優(yōu)解，通過(guò)適應(yīng)度來(lái)評(píng)價(jià)解的品質(zhì)，但相比于遺傳算法規(guī)則更為簡(jiǎn)單，沒(méi)有遺傳算法的交叉和變異操作，通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)。這種算法具有實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)[8]。

經(jīng)過(guò)多輪迭代，最終計(jì)算出多功能火箭水平吊具的設(shè)計(jì)方案，即有：1）最小前夾角∠A=60.5°；2）最小后夾角∠B=49.1°；3）火箭軸向水平角滿足0.214°≤∠C≤0.866°；4）最大吊高H=6.378 m（發(fā)射車(chē)高度為3.2 m）；5）前吊梁尺寸L1有2組；6）后吊梁尺寸L2有2組；7）前吊帶L3為1組；8）后吊帶L4為2組。

由計(jì)算結(jié)果可知，即使面對(duì)著9組質(zhì)心位置L6，且均存在著±300 mm的偏差，前后吊索與軸向的夾角、火箭軸向的水平度、最大吊高也都可以同時(shí)滿足要求；此外，前吊梁尺寸和后吊梁尺寸均只有2組，操作不復(fù)雜；前吊帶只有1組，可知前吊帶始終不需要更換；后吊帶一共有3組，可知在吊裝不同狀態(tài)的火箭時(shí)，需要根據(jù)火箭的種類(lèi)適當(dāng)更換后吊帶。

3 使用流程

以吊裝某狀態(tài)（狀態(tài)一）的固體火箭為例，新研制的多功能火箭水平吊具在吊裝固體火箭時(shí)的示意圖見(jiàn)圖3。此時(shí)前吊梁L1選擇孔1，后吊梁L2選擇孔4；后吊帶選擇吊帶3；花籃螺栓的有效連接長(zhǎng)度為260 mm，并根據(jù)準(zhǔn)確的質(zhì)心偏差數(shù)值進(jìn)行微調(diào)。在吊裝固體火箭時(shí)，需要按照以下流程進(jìn)行操作：

圖3 固體火箭吊裝示意圖

1）根據(jù)不同吊裝產(chǎn)品組裝吊具，根據(jù)吊裝產(chǎn)品的質(zhì)心位置，調(diào)節(jié)花蘭螺栓的長(zhǎng)度；

2）將吊耳掛在吊車(chē)的吊鉤上，并將4根牽拉繩對(duì)應(yīng)拴在2個(gè)前連接板和2個(gè)花蘭螺栓上；

3）通過(guò)將吊具移至產(chǎn)品上方，過(guò)程中讓4人分別通過(guò)牽拉繩牽拉前連接板和花蘭螺栓，以保證吊具不磕碰產(chǎn)品；

4）緩慢下降吊具，使前連接板和花蘭螺栓下落至產(chǎn)品上的吊點(diǎn)附近；

5）讓2個(gè)前連接板和2個(gè)后連接板對(duì)應(yīng)與產(chǎn)品上的4個(gè)吊點(diǎn)連接牢固；

6）通過(guò)提升吊鉤使前吊帶和后吊帶呈拉緊狀態(tài)，并緩慢起吊產(chǎn)品；

7）當(dāng)產(chǎn)品高度超過(guò)支撐設(shè)備約500 mm后，將產(chǎn)品水平移至目標(biāo)位置；

8）緩慢下降吊具，將產(chǎn)品停放穩(wěn)定后解脫吊具與產(chǎn)品；

9）將吊具移開(kāi)，過(guò)程中讓4人分別通過(guò)牽拉繩牽拉前連接板和花蘭螺栓，以保證吊具不磕碰產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

在航天發(fā)射領(lǐng)域，經(jīng)常需要使用吊具將火箭等產(chǎn)品吊裝到支架車(chē)或發(fā)射車(chē)上，以便進(jìn)行運(yùn)輸和后續(xù)作業(yè)。由于吊裝產(chǎn)品的特殊性，對(duì)水平吊具提出了較高要求，產(chǎn)品質(zhì)心位置、起吊高度、產(chǎn)品傾斜度、前后吊索夾角等均需同時(shí)滿足要求；并且為了減少地面設(shè)備的數(shù)量，降低保障難度，水平吊具需要具備全兼容特性，即該型號(hào)所有狀態(tài)及批次的火箭均由一套吊具進(jìn)行起吊。以往的火箭水平吊具存在著功能單一、利用率低、操作復(fù)雜、配套數(shù)量多的問(wèn)題。本文研究的使用Matlab和CAD等軟件進(jìn)行仿真分析后取得的最優(yōu)解的方法可同時(shí)滿足上述要求，具有較高的推廣價(jià)值。