皮囊翻轉(zhuǎn)吊具的設(shè)計(jì)

熊昕

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽(yáng)621000)

目前由于導(dǎo)彈、魚雷等零件隱身、減阻設(shè)計(jì)的需要和新型材料的應(yīng)用，外殼表面光潔，但缺少吊點(diǎn)，不方便吊裝，以及單點(diǎn)受力導(dǎo)致應(yīng)力集中的缺點(diǎn)也暴露出來，加重了吊裝人員的負(fù)擔(dān)，并拖延了吊裝時(shí)間。為了提高運(yùn)輸和環(huán)境試驗(yàn)中吊裝翻轉(zhuǎn)零件的效率，開發(fā)了一種通用性較強(qiáng)的專門針對(duì)圓柱狀零件的皮囊翻轉(zhuǎn)吊具［1］，其設(shè)計(jì)原理是基于皮囊可以將單點(diǎn)受力轉(zhuǎn)為殼體整體受力，而且可以根據(jù)零件直徑的大小調(diào)節(jié)氣壓來使皮囊的表面緊貼零件表面，利用摩擦力夾持零件，并實(shí)現(xiàn)零件任意位置狀態(tài)之間的翻轉(zhuǎn)［2—3］?？紤]到皮囊材料的特殊性，本文計(jì)算了夾持所需的氣壓載荷與接觸面積［4—5］，以及吊具可能存在的變形［6—7］，還通過有限元建模分析了皮囊對(duì)吊具的變形和應(yīng)力分布［8—9］，證明了該吊具可將單點(diǎn)受力轉(zhuǎn)變?yōu)闅んw整體受力。

1 皮囊翻轉(zhuǎn)吊具工作原理和基本結(jié)構(gòu)

新型皮囊翻轉(zhuǎn)吊具主要由皮囊支撐環(huán)、皮囊、轉(zhuǎn)軸等3部分組成。皮囊支撐環(huán)分為上下兩個(gè)半環(huán)，用于合抱零件。皮囊支撐環(huán)內(nèi)表面有凹槽，用于粘貼和固定皮囊。每件皮囊支撐環(huán)外表面中心點(diǎn)都焊接了1根轉(zhuǎn)軸，用于吊鉤吊裝與翻轉(zhuǎn)［10］。在皮囊支撐環(huán)外表面中心線45°和135°位置上設(shè)計(jì)了2個(gè)通孔，皮囊的氣嘴通過該通孔與氣源連通。皮囊翻轉(zhuǎn)吊具的結(jié)構(gòu)和實(shí)物分別如圖1和圖2所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)吊具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of the clamp

圖2 皮囊翻轉(zhuǎn)吊具實(shí)物Fig.2 The photograph of the clamp

工作時(shí)，先將2件皮囊支撐環(huán)分別從零件的兩側(cè)包裹住零件，并通過螺栓聯(lián)接將2件皮囊支撐環(huán)固定，通過氣源對(duì)皮囊充氣，使得其內(nèi)部壓力增大，直到皮囊與零件之間能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力并達(dá)到起吊要求。然后用吊鉤勾住兩件皮囊支撐環(huán)的轉(zhuǎn)軸，并通過吊車或吊葫蘆緩緩吊起，當(dāng)零件被吊離地面一定高度，就可以將零件繞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)完成后，再將零件降回地面，然后將皮囊的壓力卸至0，最后將翻轉(zhuǎn)吊具取下，完成整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程。

2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況

2.1 計(jì)算皮囊(橡膠)與其他金屬摩擦系數(shù)

摩擦力是由于兩個(gè)相互接觸的物體在切向力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì))時(shí)，在接觸面間產(chǎn)生阻止切向運(yùn)動(dòng)的阻力，依據(jù)庫(kù)侖定律，其計(jì)算方式為:

式中:Fμ為摩擦力;μ為靜摩擦系數(shù);FN為法向外載荷。

由于使用充氣壓力，法向外載荷FN為:

式中:A為皮囊與零件接觸面積;q為充氣壓力(初步計(jì)算中使用)。

設(shè)計(jì)中方程(1)，(2)的初步控制條件為:

由于零件通常為金屬，但零件的材料是可以變化的，因此選取橡膠與金屬的較低摩擦系數(shù)進(jìn)行考慮［11—12］。摩擦學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)于常用材料的摩擦因素描述中，橡膠與鑄鐵靜摩擦系數(shù)為0.8，硬橡膠與黃銅的靜摩擦系數(shù)為0.25，硬橡膠與青銅的靜摩擦系數(shù)為0.36［13］，因此在靜摩擦系數(shù)的選取中取靜摩擦系數(shù)μ為0.25。通過簡(jiǎn)單計(jì)算可知FN必須大于20 kN。

2.2 皮囊尺寸和充氣壓力的確定

以最小φ300 mm考慮吊質(zhì)量半徑，皮囊夾持零件后上部壓力q1=q，下部壓力為q2，夾持半徑為d，皮囊長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有如下關(guān)系:

能夠得到關(guān)系式:q2×L≥49，顯然壓力與皮囊長(zhǎng)度成反比。通過求解，皮囊長(zhǎng)度L應(yīng)大于122.5 mm，若考慮皮囊與吊質(zhì)量的間隙及夾持半徑不足300 mm的情況，同時(shí)考慮皮囊加工可能需要和安全系數(shù)，可以初步選取L≥150 mm進(jìn)行驗(yàn)證估計(jì)。

2.3 皮囊設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

通過以上方程可知:

1)當(dāng)L=150 mm時(shí)，500 kg吊質(zhì)量產(chǎn)生的壓力為0.1089 MPa，通過方程(6)可知，充氣壓力q＞0.2178 MPa，此時(shí)充氣壓力q2＞0.3267 MPa，盡管滿足要求，但q2壓力不小。

2)當(dāng)L=200mm時(shí)，500 kg吊質(zhì)量產(chǎn)生的壓力為0.0817 MPa，通過方程(6)可知，充氣壓力q＞0.1633 MPa，此時(shí)充氣壓力q2＞0.245 MPa，則壓力可以減小很多。

3)當(dāng)L=300 mm時(shí)，500 kg吊質(zhì)量產(chǎn)生的壓力為0.0544 MPa，通過方程(6)可知，充氣壓力q＞0.1089 MPa，此時(shí)充氣壓力q2＞0.1633 MPa。此時(shí)在未考慮接觸面積減小的情況下，安全系數(shù)能達(dá)到3倍以上。

如果考慮接觸面積不足的情況，涉及到兩方面，一是長(zhǎng)度方向減少，二是周向減少。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮，如果都減少1/5的接觸面積來演算皮囊長(zhǎng)度為200，300 mm的情況。通過(5)，(6)兩式驗(yàn)算，200 mm時(shí)，充氣壓力為0.2552 MPa，下皮囊壓力為0.3189 MPa，安全系數(shù)僅為0.5;300 mm時(shí)充氣壓力為0.1702 MPa，下皮囊壓力為0.2127 MPa，此時(shí)安全系數(shù)為2.35。若充氣壓力為0.2 MPa，下部皮囊壓力為0.25 MPa，安全系數(shù)也能達(dá)到2，因此可以考慮皮囊長(zhǎng)度為300 mm。

2.4 計(jì)算變形和應(yīng)力分布

吊具結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸建模，為可見吊具結(jié)構(gòu)全貌，建立整體模型而非對(duì)稱模型［14—15］。本計(jì)算僅針對(duì)一種工況，即下部吊具承受皮囊壓力和吊質(zhì)量的聯(lián)合壓力0.25 MPa，固定位置為連接板螺釘孔邊緣。變形結(jié)果如圖3所示，最大變形出現(xiàn)在兩連接板之間，僅為0.0273 mm。應(yīng)力結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力為91.133 MPa，出現(xiàn)在連接板螺釘孔邊緣部分。

圖3 皮囊吊具結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure deformation of the clamp

圖4 皮囊吊具有限元建模Fig.4 The stress analysis of the clamp

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)

組裝吊具和皮囊，并將吊具安裝到零件上。該零件是一根φ280 mm×1080 mm，質(zhì)量為552.5 kg的鑄鐵。充氮?dú)庵翚鈮簽?.2 MPa，安裝橫梁和吊環(huán)，用吊車吊起吊具和零件，并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，如圖5所示。當(dāng)零件從水平位置轉(zhuǎn)動(dòng)90°，到達(dá)垂直位置，保持10 min后，稍有下滑，但很緩慢不明顯，此時(shí)將氣壓增大到0.3 MPa，再保持10 min，零件無下滑現(xiàn)象。然后保持垂直狀態(tài)，平穩(wěn)落地，即完成了從水平位置翻轉(zhuǎn)到垂直位置的工作，如圖6所示。

圖5 水平起吊以及翻轉(zhuǎn)Fig.5 The horizontal lifting and turning

圖6 保持垂直狀態(tài)10 minFig.6 Keeping vertical lifting state for 10 min

3.2 從垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)

安裝吊具，充氣，然后用吊車吊起，充氣至氣壓為0.3 MPa，然后旋轉(zhuǎn)90°到水平狀態(tài)，過程與3.1類似，如圖7所示。在翻轉(zhuǎn)過程中，由于皮囊承受零件重量，重力擠壓會(huì)導(dǎo)致皮囊壓力增大，皮囊最大壓力約為0.32 MPa，說明該過程中通過皮囊將零件的單點(diǎn)受力已轉(zhuǎn)化為皮囊和殼體的均勻受力，避免了局部應(yīng)力集中對(duì)零件的影響。保持水平狀態(tài)10 min，然后平穩(wěn)落于支撐平臺(tái)上，如圖8所示。

圖7 垂直起吊以及翻轉(zhuǎn)Fig.7 The vertical lifting and turning

圖8 保持水平狀態(tài)10 minFig.8 Keeping horizontal lifting state for 10 min

試驗(yàn)結(jié)果表明，該吊具能夠成功吊起552.5 kg，φ280 mm×1080 mm的零件，并且實(shí)現(xiàn)從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，以及從垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)兩種工況。該吊具還具有相當(dāng)好的通用性，一定直徑范圍內(nèi)(φ280～φ340 mm)的圓柱狀零件都可以采用該吊具，實(shí)現(xiàn)了“多種零件，一套吊具”的設(shè)計(jì)初衷，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

從設(shè)計(jì)、安全系數(shù)計(jì)算、變形和應(yīng)力分布等方面對(duì)翻轉(zhuǎn)夾具進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。該夾具的創(chuàng)新點(diǎn)和意義在于摒棄了傳統(tǒng)的起吊剛性聯(lián)結(jié)方式，采用氣壓夾持的方法固定零件，在翻轉(zhuǎn)過程中將零件的單點(diǎn)受力轉(zhuǎn)化為殼體均勻受力，避免了局部應(yīng)力集中對(duì)零件的影響。本文設(shè)計(jì)的夾具已經(jīng)運(yùn)用于一些特殊零件的吊裝和翻轉(zhuǎn)，安全可靠，并且具有一定的工程應(yīng)用前景。

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