多工况可调节吊具的设计及分析

王江勇 崔卫国 邱红亮 刘慧芬 陈 霞 杨爱萍



多工况可调节吊具的设计及分析

王江勇 崔卫国 邱红亮 刘慧芬 陈 霞 杨爱萍

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

针对总装装配线筒体类产品吊点位置不变、重心变化的特点，设计一种可调节吊具，通过调节链条长度适应不同的起吊工况。通过作图法计算链条长度，计算出链条的额定载荷。设计箱形吊梁、转接板结构及有限元分析，仿真结果满足使用要求，并通过加载试验验证。该研究结果可为同类吊具的设计、仿真、试验提供参考。

吊具；有限元；多工况；加载

1 引言

在航天产品总装装配线中，筒类产品起吊十分普遍。该类产品往往存在空载、满载、更换部件等不同工况，导致重心和质量变化，而吊点位置一般固定不变，转载时需要设计专门吊具[1，2]。传统的吊具设计一般采用改变吊梁上吊点位置、更换吊带等方式调整重心，使用过程中更换麻烦，散件较多，容易出错，具有一定的安全隐患[3]。

本文针对不同的工况及起吊要求，采用单吊梁起吊方式，设计一种箱形吊梁，计算出链条长度，在起吊过程中，通过缩链器调节链条长短，即可满足筒体起吊要求。

2 链条计算

2.1 总体方案

图1 总体方案图

方案采用单起吊梁的型式，如图1所示。吊梁垂直于筒体轴线，吊梁上方通过柔性环形吊带与桁车吊钩连接，吊梁下方左右各一个吊耳，通过卸扣连接两根链条。针对产品吊耳特点，设计专用转接板，实现与产品的快速可靠连接。通过链条缩链器调节链条长短，使不同工况下吊梁始终与产品中心在竖直方向重合，保证筒体起吊时保持水平。

2.2 筒体起吊要求

筒体左右两侧各安装有2个吊点，吊点沿轴向间距为6390mm。筒体使用时共包含四种工况，不同工况对应不同的重量和质心位置，结果见表1。

表1 不同工况质心及质量

筒体起吊时要求不同的工况链条与筒体纵轴的夹角需大于一定数值，防止筒体轴向受压过大。起吊要求见表2。

表2 起吊角度要求 /(°)

2.3 链条长度选择

根据筒体尺寸和表2参数计算链条长度，计算需满足两点：

a. 吊梁上吊点中心与筒体中心在竖直方向重合，保证起吊过程中筒体不发生倾斜；

b. 满足最小起吊角度要求。

图2 链条长度计算

链条长度计算采用作图法，如图2所示。在重心位置作竖直线，根据角度要求作出前链条，得到前链条与竖直线的交点，连接交点与后吊点即为后链条。测量得出后链条与水平纵轴的夹角均满足要求。测量得到各种工况下的链条长度。

测得四种工况下前链条长度为3945～3957mm，为简化调整过程，前链条统一长度，取3951mm，只对后链条长度进行调节。根据使用工况，按表3数据调整链条长度。链条长度留有一定余量，两根前链条长度为4200mm，两根后链条长度为5800mm。

表3 链条实际长度 mm

2.4 链条选型

吊具额定载荷为20t，同侧两根链条的合力为10t。根据表3、图2，链条受力情况如图3所示。

图3 链条受力图

——前吊点链条与水平方向夹角，四种工况分别为39°、48°、53°、62°；——后吊点与水平方向夹角，取37°，可得公式：

1——前吊点链条载荷；2——后吊点链条载荷。

将四种工况下的、值分别代入式（1），求得1=8.0～8.3t，2=4.82～8.1t。由此选型链条的额定载荷为10t，链环直径为16mm。

3 吊梁设计

3.1 结构设计

吊梁是整套吊具的关键部件之一，直接关系到起吊安全及使用寿命。吊梁设计按额定载荷20t设计，结构采用典型的箱形结构，由Q345A钢板拼焊而成，上下吊耳采用双面角焊缝焊，如图4所示。吊梁总重211kg，长1620mm，宽220mm，高450mm。

图4 吊梁

3.2 有限元分析

由于吊梁为轴对称模型，因此取吊梁的一半进行有限元分析[4]。对称面施加对称约束，上吊耳、下吊耳分别施加轴承力，网格选用四面体网格。应力结果如图5所示。可得吊梁的最大等效应力在上吊耳轴孔处，大小为125MPa，材料选用Q345A，屈服强度为345MPa，安全系数为2.7，满足吊具设计要求。

图5 吊梁应力云图

3.3 焊缝强度计算

上吊耳采用双面角焊缝，焊高=8mm，焊缝长=300mm，额定载荷为20t，根据机械设计手册角焊缝强度计算公式[5]：

下吊耳采用双面角焊缝，焊高=8mm，焊缝长=120mm，额定载荷为10t，则：

焊缝强度均满足设计要求。

4 转接板设计

4.1 结构设计

筒体上吊点结构如图6所示。该吊点通过螺栓连接在筒体上，起吊部分为一圆柱形结构，外侧通过六角螺母限位。

图6 吊点结构

为实现链条与筒体的连接，针对吊点结构特点，设计一转接板结构，如图7所示。上方孔用于连接卸扣，下方孔连接产品吊耳。吊点连接处采用上大下小的结构，可以不拆卸产品螺母，通过较大孔套入起吊耳；起吊时，小孔部分与产品吊耳接触，螺母实现限位，连接可靠。

图7 转接板结构

4.2 有限元分析

有限元分析转接板，应力结果如图8所示，最大等效应力为269MPa，位于卸扣孔处。该材料选用锻件30CrMnSiA，热处理后屈服强度可达到900MPa，安全系数为3.3，满足吊具设计要求。

图8 转接板应力云图

5 加载试验

为进一步验证吊具强度，吊具生产完成后进行加载试验[6]。在四种工况下对吊具整体作加载试验，载荷为对应的筒体状态。

a. 静载试验：将载荷提升至离地约200mm高，持续15min，卸载检查，各零部件无永久变形，用十倍放大镜检查无裂纹。

b. 动载试验：以上升不大于3m/min；下降不大于2m/min的升降速度将载荷提升至离地面约为2.5～3m的高度，然后降至地面。在下降过程中制动3次。上述试验过程重复3次。试验时在吊具正下方放置木块保护。经试验，吊具各组成部分无永久变形，用十倍放大镜检查，无裂纹产生，满足使用强度要求。

6 结束语

通过对筒体起吊要求分析，确定了整体方案，通过调整链条长度适应工况变化，采用作图法计算了链条长度，计算出链条载荷并进行选型，对关键零部件进行了有限元分析，并通过加载试验进行验证。结果表明，设计的吊具能够满足筒体不同工况的起吊要求，为同类吊具的设计提供参考。

1 王小明. 导弹吊具自动化设计系统的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2015

2 杨明元. 核电大型筒体特种专用吊具的设计研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2017

3 王鹤. 风电传动链重心自动调整吊具的研制[J]. 金属制品，2017，43(2)：47～48

4 张珂，龙彦泽，陈建平，等. 导架爬升式升降工作平台标准节吊具的设计及其结构静力分析[J]. 沈阳建筑大学学报，2011，27(6)：1183～1186

5 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2002

6 吴士杰. 载荷自平衡式核岛安全壳吊具制造与试验研究[D]. 大连：大连理工大学，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

中国航天科技集团公司重大工艺研究项目（ZDGY2016-04）。

王江勇（1987），工程师，机械电子工程专业；研究方向：工艺装备及非标设备的设计与研究。

2018-11-02