一种通用化质心可调式水平吊具设计方法

程运江 赵鹏飞 赵 日 金 晶 樊 轶



一种通用化质心可调式水平吊具设计方法

程运江 赵鹏飞 赵 日 金 晶 樊 轶

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

为解决总装厂房内吊具设备复杂、一种吊具起吊一型产品、质心难调节的问题，根据地面保障装备的发展趋势提出了一种通用化质心可调式吊具。采用吊梁模块化、质心无级调节的设计思路，完成了通用化质心可调式吊具设计方案，并通过Abaqus软件和理论计算对其进行刚强度校核，实现了对不同起吊间距、不同重量的产品通用起吊。本文为后续吊具及相关地面设备的产品化研制提供一种新的设计思路。

模块化；质心可调；通用化吊具

1 引言

吊具是装卸转运产品的专用地面辅助设备，是厂房进行产品运输、转场、装箱等操作的重要机具。经过国内吊具行业几十年的发展，面向各行业、各领域已配套形成较为完善的吊具货架产品体系，可为每型吊具提供标准的配件和连接件。然而，受到起吊产品的物品种类繁多、定制需求个性化的影响，每种起吊产品的专用吊具在设计上存在差异较大、方案不统一、互换通用性差的特点，容易造成厂房内一种吊具只具备起吊一型产品的能力[1]。为更好控制总装厂房内的总装工作环境，需在不耽误各型产品总装、转运、起吊工作的情况下，精简厂内各类地面辅助设备品种和数量，这就意味着要压缩专用吊具的规格，提供一种能够同时满足不同产品起吊的通用化吊具。另外，针对一些军用航天起吊产品平稳水平起吊的高要求，吊具还需要具备质心可调节的能力，以保证起吊产品质心与起吊点处于一条竖直线上，实现产品平稳水平起吊的功能[2]。为解决上述现有总装厂房内吊具设备复杂、一种吊具起吊一型产品、质心难调节的问题，需要设计研制一种通用化质心可调式吊具[3，4]。

2 发展趋势

随着航天产品市场需求急剧增加，需要提高航天产品及其配套地面保障设备的生产研制效率，发展产品化、通用化道路[5，6]，缩短产品的生产周期，以快速交付满足用户快速装备的需求。比较典型的是，美国与俄罗斯先后进行了航天武器及其地面设备的产品化工作，尤其在空军地面保障设备方面体现尤为突出，各类架车、挂弹车等地面保障设备实施了产品化、通用化设计，极大地提高了空军的地面保障能力[7，8]。

为提高吊装航天产品的可靠性和安全性，随着工程机械行业的发展，国内外开始研制、生产具备质心可调式功能的吊具，以确保在起吊产品质心位置不准确情况下，吊具能满足产品水平稳定起吊的要求。

3 吊具设计方案

3.1 研制思路

在满足航天产品高可靠性、安全性起吊要求和总装厂使用需求的基础上，对产品的起吊方案、产品质量、吊点间尺寸、质心与前吊点距离等起吊特征参数进行梳理、分析，完成通用化质心可调式吊具的方案设计。

通用化质心可调式吊具研制思路包括以下两点：

a. 安全可靠，确保吊具的使用安全性；

b. 贯彻产品化、模块化和通用化的设计思想，确保适应不同产品及同一产品不同状态的起吊工况。

3.2 吊具方案

选取三型航天起吊产品（假设三型产品均为圆柱体）作为研究对象开展通用化吊具的方案设计，具体起吊产品的起吊特征参数如表1所示。考虑起吊产品的吊具接口已固化，不在本文中再进行设计研究。

表1 三型航天产品起吊参数

采用模块化思想、组合式方法进行基于组合式吊梁的吊具方案设计。该通用化吊具采用拆卸拼装基本模块和扩展模块实现大/小不同起吊间距的起吊，通过吊环和吊挂在吊梁上的移动实现不同航天相关产品通用起吊的能力。通过调整后，通用化吊具具备A、B、C三种航天产品的起吊能力，具体通用化吊具起吊示意图如图1所示。

图1 通用化吊具起吊示意图

该通用化吊具主要由基本模块、扩展模块、吊环、吊挂及起吊组件等结构组成。

吊梁：承载吊具配件和起吊产品的主体结构，主要包括组合式吊梁模块、连接销轴、防松片等。其中，组合式吊梁模块包括基本模块和扩展模块。

吊环：作为吊梁与厂房吊钩的连接件。

吊耳：主要用于连接吊梁与吊带，且能够实现起吊产品的质心可连续调节。

卸扣：主要用于吊带与吊耳之间的紧固与连接，可选用标准件配套。

吊带：作为吊梁与起吊产品的连接件，可选用标准件配套。

起吊组件：连接吊具与起吊产品的结构装置，在起吊过程中减小和改善产品的受力情况，起到保护产品的作用。该起吊组件已完成生产研制，可直接借用原有各型号的起吊组件。

组合式吊梁模块选用工字型截面梁，通过连接销轴固定、防松片扣紧将基本模块与扩展模块形成一体，避免了起吊产品过程中扩展模块以连接销轴为中心绕基本模块转动的风险。在吊具使用过程中，起吊吊点间距跨度大的产品采用安装扩展模块增长吊梁的方式以匹配产品的吊点，起吊吊点间距跨度小的产品则只采用基本模块以协调短吊梁与产品起吊间距的匹配。组合式吊梁模块工字型截面梁下端上平面安装一组滑动吊耳，可在工字型截面梁上自行滑动吊耳以细微调节起吊间距来适应不同状态下起吊产品的重心，确保产品起吊点位于起吊产品质心的正上方，使起吊状态下产品受水平、较小的轴向力，保证产品在吊运转载过程中平稳、安全。

3.3 强度计算

采用通用化吊具起吊三型产品过程中，吊梁所承受的各点起吊载荷与起吊点的吊点间距及质心有关。经计算分析，起吊产品A时吊梁两端所承受的载荷最大，且其两端的吊点间距最大。因此，在进行吊梁刚强度计算分析过程中，可仅对吊装产品A工况进行吊梁刚强度校核。

3.3.1 吊梁的刚强度校核

吊梁刚强度校核过程中采用Abaqus软件进行分析，以C3D8I单元网格划分。在有限元模型中，主梁与侧梁、转轴、吊钩及辅助支撑之间建立接触分析对，用于接触分析。由起吊产品A质量、吊点间距及质心位置，计算出两端吊挂的起吊载荷，并在吊挂下端的起吊孔内部上平面施加载荷和位移约束。经仿真分析，由图2和图3可知，组合式吊梁的最大应力为276.3MPa，出现在吊挂起吊孔位置处。组合式吊梁的最大变形为2.5mm，出现在离起吊点较远的一侧吊挂起吊孔位置处。吊梁的材料为30CrMnSiA，抗拉强度为1080MPa。由此，组合式吊梁的剩余强度系数均3.9，符合强度要求；吊梁的最大位移量为2.56mm，最大变形为2.56/3000=1/1200，小于l/1000，满足吊具的刚度要求。

图2 组合式吊梁的最大应力云图

图3 组合式吊梁的最大应变云图

3.3.2 销轴和连接销轴的刚强度校核

销轴主要用于连接吊环与吊梁，连接销轴主要用于连接基本模块与扩展模块，两者的材料均为30CrMnSiA，抗拉强度为1080MPa，现对销轴与连接销轴进行刚强度校核。

对销轴采用计算载荷以工程算法进行刚强度计算，得到销轴的弯曲应力和剪应力。其中，为起吊产品A时施加在销轴的载荷，销轴的直径为31mm，销轴的半径为，跨度L为60mm，连接叉的开口长度C为15mm。

经计算，销轴的弯曲应力为：

销轴的剪应力为：

销轴的合成应力为：

将扩展模块取出进行受力分析，如图4所示。其中，1为施加在扩展模块上的载荷，为基本模块对扩展模块根部的挤压载荷，为连接销轴给基本模块的挤压载荷，1为扩展模块连接销轴孔至底端的竖直距离，2为连接销轴孔至扩展模块1施加载荷点。

图4 扩展模块的受力分析图

根据力的平衡方程，计算得到连接销轴受到的挤压载荷：

通过工程计算方法对连接销轴进行强度分析计算。其中，连接销轴的直径为24mm，连接销轴的半径为，跨度L为30mm，连接叉的开口长度L为20mm。

经计算，连接销轴的弯曲应力为：

连接销轴的剪应力为：

连接销轴的合成应力为：

综上计算可知，销轴的合成应力为272.4MPa，连接销轴合成应力为344.3MPa。销轴的剩余强度系数为3.9，连接销轴的剩余强度系数为3.1，符合强度要求。

3.4 技术创新点

3.4.1 基于模块化思路的大小吊点间距设计

根据现有厂房起吊产品的结构特征进行分档化设计，合理匹配起吊产品重量与吊点间距的关系，明确吊具各种组合模块条件下产品起吊的强度载荷，以此开展吊梁的型面设计。在拆卸/扩展模块各种组合条件强度均满足要求的基础上，以吊环竖直下方的起吊孔为中心，左右各间隔100mm为距离打起吊孔，留出安装起吊附件至起吊孔的空余空间，实现扩展模块的拆卸、起吊孔的变换，完成吊梁与不同产品间吊点间距的匹配性，解决了大跨度吊具起吊大吊点间距产品、小跨度吊具起吊小吊点间距产品的便携性问题。

3.4.2 质心连续可调节吊耳设计

吊梁型面采用工字梁结构，以提高吊梁整体结构的挠度。滑动吊耳包括固定销块、固定销、燕尾槽截面体，其中T型燕尾槽截面与吊梁工字梁截面匹配，并通过水平滑动可使滑动吊耳在吊梁上移动，滑动吊耳示意图如图5所示。固定销块在齿形槽内的最大调整间距设计为50mm，可确保吊梁起吊孔两侧均移动50mm覆盖两起吊孔之间的100mm间距。在调整吊耳位置过程中，首先滑动吊耳至起吊产品的吊点间距大概位置，然后插固定销固定起吊孔与固定销块，最后采用固定销块在齿形槽内进行细微移动以精确调整起吊产品的吊点间距位置。同样，可以采用相同操作，通过改变起吊孔、滑动吊耳固定销块的位置以适应不同状态下产品的起吊重心，从而实现起吊产品的质心连续可调，确保军用航天产品在吊运转载过程中更平稳、安全。

4 试验及应用情况

通用化质心可调式吊具生产完成后，对扩展模块和基本模块进行了组装和拼接，在工字梁上套接了质心可调式吊耳。通用化吊具组装完成后，扩展模块和基本模块组装正常良好，质心可调式吊耳可在工字梁上自由滑动，且实现无极调距，当吊耳销轴固定时可锁定牢固。按照设计标准，吊具按1.5倍额定载荷进行了静载试验，吊具的承载件、主梁及各零部件无出现裂纹及变形；吊具按1.2倍额定载荷进行了起吊动载试验，吊具的承载件、主梁及各零部件无出现裂纹及变形；通过适装与各型产品的起吊组件匹配，拆卸/安装扩展模块，调节质心可调式吊耳在工字梁上的位置，可实现吊具与各型产品的协调匹配，实现各型产品的平稳起吊功能。通过上述各项静载、动载及协调匹配试验验证，吊具的组合式调节、载重、无极式调节质心位置等功能均达到了预期效果。

5 结束语

在分析起吊产品的起吊方案、产品质量、吊点间距、质心与前吊点间距等特征基础上，以安全可靠、通用化、模块化思想为研制思路，采用基于模块化思路的大小吊点间距设计、质心连续可调节吊耳设计两项创新技术完成了通用化可调式吊具的方案设计，实现并验证了一型吊具可平稳起吊三型航天相关产品的起吊功能。在不耽误各型产品总装、转运、起吊工作的情况下，通用化质心可调式吊具能够精简总装厂内各类地面辅助设备品种和数量，提高总装厂房的工作效率，减少现有总装厂房内地面设备的占地面积，对后续开展吊具的研制及相关地面设备的产品化工作具有一定借鉴意义。

1 张晨峰，蔡天骁，刘赛，等. 再入飞行器地面设备的产品化通用化研制模式探索与实践[J]. 航天工业管理，2017(8)：97～99

2 邵健帅，马广亮，王南. 质心可调式重型水平吊具[J]. 起重运输机械, 2017(11)：143～146

3 胡旭东，沈超. 850t偏心箱梁无级可调吊具的研究[J]. 工程机械，2017(2)：42～46

4 刘民，袁华亭，马博. 一种弹箭吊具优化设计方法[J]. 导弹与航天运载技术，2010(3)：16～19

5 林玉堔. 国外地空导弹武器系统“三化”发展概述[J]. 航天标准化，2000(6)：38～43

6 吴进煌，朱家移，宋贵宝，等. 导弹保障装备发展探讨[J]. 飞航导弹，2004(9)：38～42

7 胡涛，吕瑞强，王双川. 航空地面保障设备模块化设计[J]. 装甲兵工程学院学报，2016，30(5)：36～39

8 刘宝霞，范斌. 飞机地面保障设备的发展趋势[J]. 沈阳航空工业学院学报，2000，17(2)：84～86

A Methodfor Designing UniversalizationRemovable Centroid Horizontal Sling

Cheng Yunjiang Zhao Pengfei Zhao Ri Jin Jing Fan Yi

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to solve the problem which sling is complex, one sling just lift one product and sling removes centroid hardly in the devices general assembly factory, this paper combines the development tendency of ground guarantee equipment, raises one kind of universalization removable centroid sling. Hanging beam modularity and removing centroid continuously are used in the sling’s design thought. A design scheme of universalization removable centroid horizontal sling is accomplished and the rigidity and intensity of universalization hanging beam are checked by Abaqus software and theoretical calculation. The sling can universally lift different products, which have suspension point distances and different weights. This paper can provide a new design thinking for slings and other ground equipment productization developing.

modularity；remove centroid continuously；universalization sling

2018-10-30

程运江（1989），硕士，机械设计专业；研究方向：飞行器总体设计。