星罩組合吊運工裝的設計與應用

解 超 張洪亮

巨力索具股份有限公司 保定 072550

0 引言

隨著我國航天產業的快速發展，近地小衛星[1]已商業化[2]，同時作為載體的運載火箭發射也已產業化[3]。發射近地衛星與發射高軌衛星[4]不同，近地衛星火箭的特點為直徑小、成本低，多為固體火箭，而大多數固體火箭整體水平裝配即可完成發射指標，大大提高了火箭的發射效率。星罩組合體（見圖1）是火箭保護衛星的關鍵組成部分，星罩組合體整體結構為異形結構，且外表面平滑不允許損傷。星罩組合體各種組合狀態質心位置復雜不同。火箭在裝載衛星發射前需要多次安裝、拆卸、轉運以滿足各種實驗要求。在火箭裝配過程中，需要水平轉運星罩組合體的各種組合狀態。所以，完成星罩組合體的水平吊運，同時盡量減少與星罩組合體的接觸損傷已成為火箭裝配的必須工作。

圖1 星罩組合體

傳統星罩組合體的水平吊運方法基本有2種：一種是通過2腿索具直接與其捆扎連接，這種方式雖然結構簡單，但是起吊連接點位置不易控制且起吊點位置不易調節，吊運空間要求較大，水平吊運時不好控制其水平狀態，因被吊物結構的不規則性，整流罩的錐面容易與索具產生夾角或脫落，易對整流罩[5]表面造成損傷，吊運過程中也不容易對其水平狀態進行控制。

另一種是利用吊運工裝與星罩組合體連接，星罩尾端與剛性連接件連接，星罩前端通過柔性吊帶索具捆扎連接，找準吊具與被吊物質心位置，吊具與被吊物連接為一個整體進行試吊，調整起吊連接點位置[6]實現整體水平吊運。這種結構便于調節，能夠實現索具與星罩的垂直連接，同時能夠保證星罩的水平吊運。實際操作過程中更容易接受，應用比較廣泛。

本文提出一種吊運工裝的設計方案，在減少連接接觸的同時，通過改變吊運工裝不同模塊的連接結構實現不同的吊運功能；通過調節平衡梁上吊點的位置實現星罩組合體的水平吊運。

1 星罩組合體吊運工裝設計

1.1 結構

某箭星罩組合體結構如圖2所示，星罩組合體吊運過程中分為整流罩水平吊運、載荷倉水平吊運、四級運輸體水平吊運、星罩組合體水平吊運[7]4種狀態。從通用性、安全性、可靠性、平穩性吊運的角度出發，對吊運工裝進行整體方案設計。吊運工裝需能夠滿足完成4種產品工況的水平吊運。

圖2 某箭星罩組合體結構

星罩組合體狀態吊運時，此時吊運工裝為完整結構，結構如圖3所示，調運工裝主要由端面適配器、平衡梁、移動吊點、延長梁、定向升降機構、配重、圓形吊帶等組成。

圖3 吊運工裝結構組成

端面適配器為主要剛性轉接受力結構，其結構主要由2平行板與法蘭板焊接而成。法蘭板沿星罩組合體尾部端面圓周方向對應開有多組連接孔，通過螺栓組與星罩組合體尾端可靠連接。星罩組合體前端通過圓形吊帶捆扎在錐形整流罩連接面上。平衡梁、延長梁設計為T形截面結構，平衡梁、延長梁通過螺栓組法蘭連接。移動吊點、配重對應開有T形孔與梁體T形截面配套。移動吊點、配重可沿平衡梁長度方向T形截面滑動調節，當移動吊點調節到被吊物的理論質心上方時，調節配重位置保證吊運工裝空載水平。端面適配器伸出的延長桿上端與平衡梁體4點螺栓連接。圓形吊帶與安裝在延長梁上的定向升降機構底部卸扣連接，卸扣可實現沿連接軸徑向擺動，以適應圓形吊帶與被吊物的連接位置。

以上結構組成吊運工裝的主體結構。定向升降機構與端面適配器沿梁體長度方向距離固定，移動吊點調整到位后，起吊移動吊點進行試吊，直到星罩組合體水平吊運為止。

為了保證星罩組合體整體水平起吊，吊運工裝與其前端連接設計為上下高度可調結構，如圖3所示。定向升降機構能夠解決星罩組合體起吊的水平狀態調整。

定向升降機構內部結構如圖4所示，其結構由升降桿、升降螺母、卡板、梁體、定向銷等組成。升降桿貫穿于整體結構，其上端帶有螺紋升降螺母連接，通過旋轉升降螺母帶動升降桿，實現升降桿沿梁體截面上下移動調節。升降桿下端帶有環眼，通過卸扣將圓形吊帶與升降桿連接為一個整體，升降桿光軸部位帶有直槽口，梁體上設有定位銷，通過定位銷限制升降桿旋轉方向的自由度，保證升降桿能夠豎直方向定向升降。

圖4 定向升降機構

1.2 不同水平吊運狀態的實現

通過吊運工裝不同模塊的組合實現不同吊運功能。如圖3所示此種狀態為星罩組合體水平吊運狀態，通過調節定向升降機構帶動捆扎圓形吊帶調節星罩組合體錐端高度，保證星罩組合體軸線處于水平狀態，實現星罩組合體水平平穩吊運。

四級運輸體水平吊運狀態如圖5所示，此時吊運工裝主要由2個端面適配器、平衡梁、移動吊點、配重等模塊組成。端面適配器與平衡梁連接處開有長槽孔可實現沿平衡梁長度方向的距離微調，2個端面適配器的上端通過螺栓組與平衡梁可靠連接。此時吊運工裝整體為鋼性結構，端面適配器起力的傳遞作用。經過仿真計算確定移動吊點位置并對吊運工裝配平，使移動吊點在吊具與被吊物組合質心的正上方，從而實現四級運輸體的水平吊運。

圖5 四級運輸體水平吊運狀態

整流罩水平吊運狀態如圖6所示，受整流罩外形結構的限制，整流罩只有一個連接面且自重較輕，故此狀態吊運工裝結構主要由1個端面適配器、平衡梁、移動吊點、配重等模塊組成。端面適配器將平衡梁與整流罩連接為一個整體，此時平衡梁為懸臂梁受力狀態。經過仿真計算使移動吊點在吊具與被吊物組合質心的正上方，從而實現整流罩的水平吊運。

圖6 整流罩水平吊運狀態

1.3 移動吊點位置狀態控制

在實際制作與操作過程中會存在著實際尺寸與理論質心位置的偏差，如吊點位置調整不好，吊運過程就變為了偏心吊運，整個吊運過程將變得難以控制。吊運工裝與被吊物連接好后進行試吊，移動吊點的結構設計如圖7所示，平衡梁體采用T形截面設計，移動吊點對應開有T形孔與梁體T形截面配套，限制移動吊點沿梁體截面方向自由度。實現了平衡梁體上端移動吊點的無級可調，移動吊點調整到位后利用壓緊螺栓與平衡梁之間的摩擦力，限制其沿平衡梁長度方向的自由度，對移動吊點定位，防止移動吊點水平方向竄動。通過連接卸扣將吊環與移動吊點上的連接孔可靠連接，從而實現吊具工裝吊點沿平衡梁長度方向的移動調節功能。

圖7 移動吊點結構

1.4 使用效果及經濟效益

此吊運工裝的模塊化設計，減少了火箭現場裝配吊運的吊具數量，依據各工況理論數據按圖示進行吊運工裝快速變形組裝。提高了吊具的使用效率同時提高了火箭的裝配效率，利用移動吊點的位置可調功能，輕松解決了不同工況質心位置變化的問題，星罩組合體的前端與后端與吊運工裝垂直連接，利用定向升降機構實現了星罩組合體前端高度調節功能，滿足了星罩組合體水平吊運的要求，同時減少了對被吊物表面的損傷。

火箭裝配過程中需要多次轉場實驗，通過模塊化吊運工裝設計，只需1套吊具即可實現整流罩水平吊運、載荷倉水平吊運、四級運輸體水平吊運、星罩組合體水平吊運4種工況。整套產品1套吊具1個包裝箱即可完成多種工況的吊裝和運輸，減少了現場的管理工作，避免了工裝的丟失現象，為地面保障系統提供了有力的支撐。

從經濟指標的角度出發，以往的吊具每種工況都需要配備1套吊具，如滿足上述星罩組合體的裝配至少需要4套吊具，同時需要更多的人力來實現安全吊運。采用模塊化吊運工裝只需1套吊具即可實現所需工況吊運，即減少了吊運成本也減少了人員成本。

2 力學性能分析

整體結構中端面適配器與移動吊點為關鍵受力件，端面適配器主要結構采用低合金高強度結構鋼焊接而成，移動吊點采用合金結構鋼熱處理加工。模型采用SolidWorks軟件進行建模，簡化處理并導入Ansys軟件Workbench工作平臺進行仿真[8]分析前處理和運算。吊運工裝離散化為一個有限元分析模型。分析模型采用彈性模型，單元類型采用實體四面體單元或六面體單元劃分網格,單元數25 228個，節點數52 321個。所有結構間接觸類型為綁定接觸。

以某星罩組合體產品參數進行吊運工裝加載約束，假設星罩組合體自身強度足夠，且直徑為1 800 mm，自重1 t，星罩組合體尾部端面有多個法蘭螺栓連接孔，將移動吊點調節到合理位置，選取吊運工裝水平狀態進行分析，對螺栓連接孔和升降桿連接孔進行固定支撐約束，添加吊運工裝自重，對移動吊點施加向上載荷10 000 N。

分析結果吊運工裝應力分布如圖8所示，變形分布圖如圖9所示。由圖可以看出，最大應力出現在平衡梁與移動吊點截面處。從整個分析結果可以看出吊運工裝關鍵受力結構在負載狀態下，強度和剛度可以滿足設計標準安全系數大于3的要求。最大應力為91 MPa，最大變形為1.29 mm。通過對比確認，有限元仿真結果與實際工況相近，可以反映吊運工裝真實受力情況。

圖8 星罩組合吊運工裝應力分布圖

圖9 星罩組合吊運工裝變形分布圖

3 結語

本文設計了一種星罩組合體模塊組裝通用吊運工裝，給出了該工裝的設計原理及結構形式，并對工作狀態進行了展示。其解決了吊運過程中因質心變化難以實現被吊物水平吊運的問題。通過有限元分析找到了吊運工裝的關鍵受力點，并對其進行了后處理解析，驗證了吊具的強度和剛度，保證了吊運工裝的安全性、平穩性和實用性。通過吊運工裝的不同模塊組合實現了火箭多種工況的水平起吊，大大降低了工裝成本，同時減少了吊運工裝的種類和數量，提高了現場吊運效率。依據此設計原理，可改變工裝連接尺寸，對同類型產品可進行系列化設計，適應不同火箭星罩組合體的裝配需求。