大型模塊制造用可移動(dòng)機(jī)械翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

姜洪旗， 王廣超， 孫文， 王偉， 康文安， 吳偉

（1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東海陽 265118；2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東海陽 265118）

0 引言

近幾年面對(duì)環(huán)境污染和能源短缺，國家對(duì)核電能源的開發(fā)越來越重視[1]。模塊設(shè)計(jì)理念引入到核電設(shè)計(jì)中[2]，我們的產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)模塊種類多、形狀不規(guī)則、質(zhì)量大，不易進(jìn)行運(yùn)輸與翻轉(zhuǎn)[3]，本文即是以結(jié)構(gòu)模塊為翻轉(zhuǎn)工件來設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)裝置。

對(duì)于超長、超重件，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)方式是采用多臺(tái)行車協(xié)同通過專用吊梁的鋼絲繩吊鉤與模塊上焊接的臨時(shí)吊耳配合翻轉(zhuǎn)的方法[4]。但該方法存在諸多問題：翻轉(zhuǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長，需要設(shè)置特定吊梁、臨時(shí)吊耳、防變形工裝、護(hù)角工裝以及附件的焊接拆除工作；翻轉(zhuǎn)費(fèi)力、效率低，吊點(diǎn)設(shè)置困難，吊車需協(xié)調(diào)作業(yè)，同步操作難度大，工件慣性大、可控性差；翻轉(zhuǎn)效果差，工件易變形，易擦傷表面；易滑落掉件，存在較大安全隱患，這些缺點(diǎn)極大地限制了產(chǎn)能的提高[5]。

為了解決當(dāng)前結(jié)構(gòu)模塊工件吊裝翻轉(zhuǎn)的各種問題，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的機(jī)械化，保證翻轉(zhuǎn)過程中模塊不變形，達(dá)到翻轉(zhuǎn)過程省力、安全、高效的目標(biāo)，特設(shè)計(jì)本翻轉(zhuǎn)機(jī)。

圖2 一字型模塊

1 翻轉(zhuǎn)原理

1.1 工件

L型模塊（較大模塊）形狀如圖1所示，長26.8 m，寬3.6 m，高4.6 m，重85.4 t。一字型模塊（較大模塊）形狀如圖2所示，長25.8 m，寬4.1 m，高0.8 m，重40 t。

1.2 翻轉(zhuǎn)要求

由于焊接、開孔等制造工藝的要求，結(jié)構(gòu)模塊等工件需要多次翻轉(zhuǎn)。對(duì)于L型工件，需要繞兩直角邊相交線旋轉(zhuǎn)90°；對(duì)于一字型工件需要從一個(gè)平面翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)平面，即翻轉(zhuǎn)180°。

1.3 翻轉(zhuǎn)工藝

對(duì)于不同長度的工件選用不同組數(shù)的翻轉(zhuǎn)機(jī)組合，對(duì)于翻轉(zhuǎn)90°的工件只需固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)，對(duì)于翻轉(zhuǎn)180°的工件還需要移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)與固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)協(xié)同作業(yè)。

1.3.1 L型工件90°翻轉(zhuǎn)

L型工件90°翻轉(zhuǎn)只需要固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)就可以了，翻轉(zhuǎn)過程如圖3所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)在工位1吊入工件，翻轉(zhuǎn)機(jī)在鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到工位2，將工件吊離。

圖3 L型工件90°翻轉(zhuǎn)工藝

1.3.2 一字型工件180°翻轉(zhuǎn)

其翻轉(zhuǎn)工藝為：1）將模塊吊裝至固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)上，見圖4（a）；2）幾臺(tái)固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)同時(shí)動(dòng)作，翻轉(zhuǎn)模塊90°,見圖4（b）；3）移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)沿著軌道駛近固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)，見圖4（c）；4）舉升裝置下降，移動(dòng)到模塊下面，然后上升，頂起模塊離開固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)工作臺(tái),見圖4（d）；5）移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)平移離開固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)，見圖4（e）；6）移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)90°,見圖4（f）。從而實(shí)現(xiàn)模塊的180°翻轉(zhuǎn)。

圖4 一字型工件180°翻轉(zhuǎn)工藝

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)主要可分為以下幾個(gè)部分：CL型工作臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)、減速器、鏈條）。

2.2 制動(dòng)器設(shè)計(jì)

制動(dòng)器是對(duì)設(shè)備的斷電保護(hù)裝置，當(dāng)斷電時(shí)使翻轉(zhuǎn)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。主電動(dòng)機(jī)帶有斷電抱閘制動(dòng)功能，電動(dòng)機(jī)斷電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T斷電=300 N·m。

作用到工作臺(tái)上的轉(zhuǎn)矩為

式中：i1為減速機(jī)的傳動(dòng)比；i2為鏈條的傳動(dòng)比[7]；η1為減速機(jī)的傳動(dòng)效率；η2為鏈條的傳動(dòng)效率。

所以電動(dòng)機(jī)的斷電制動(dòng)足夠保證翻轉(zhuǎn)機(jī)斷電后停止，為了提高安全系數(shù)，在翻轉(zhuǎn)機(jī)工作臺(tái)上添加兩臺(tái)制動(dòng)器。

制動(dòng)器產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩最少為72 492 N·m，則制動(dòng)器需要的壓力為

式中：查表得石棉橡膠與鋼的摩擦因數(shù)f為0.4～0.43[7]，取0.4；R為制動(dòng)器離旋轉(zhuǎn)中心半徑，m；M為摩擦力矩，N·m。

由式（2）得需要彈簧力為

式中：L5為摩擦片距支點(diǎn)距離，mm;F4為制動(dòng)器需要的壓力，N；L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離，mm。

由于碟形彈簧具有剛度大、緩沖吸振能力強(qiáng)、小變形產(chǎn)生大載荷、可以變剛度、有多種組合方式等優(yōu)點(diǎn)，所以選用碟形彈簧。

碟形彈簧選用的是慕貝爾180056，5組對(duì)合組合，每組對(duì)合組合由2組疊合組合構(gòu)成。

查樣本得當(dāng)S=0.75h0時(shí)，碟形彈簧的載荷P為8978 N,

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）第3卷表11－6－5[7]知，碟形彈簧載荷為

式中：E為彈性模量，MPa；μ為泊松比；t為疊簧厚度，mm；K1為計(jì)算系數(shù)；D為碟形彈簧外徑，mm；K4為計(jì)算系數(shù)；f為單片碟形彈簧的變形量，mm；h0為碟形彈簧壓平時(shí)的變形量的計(jì)算值，mm。

計(jì)算得當(dāng)?shù)尚谐蘏=1.1 mm時(shí)，載荷F=7986 N,彈簧組產(chǎn)生的支撐力為

式中，F(xiàn)為單個(gè)碟形彈簧的支撐力，N。

制動(dòng)器夾緊時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩為

式中：μ為石棉與鋼的摩擦因數(shù)；R為制動(dòng)器到旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；F3為彈簧組支撐力，N；L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離，mm；L5為摩擦片距支點(diǎn)距離，mm。

制動(dòng)器壓緊時(shí)的彈簧行程為5.5 mm，制動(dòng)器張開時(shí)的彈簧行程為6.375 mm，由得液力推桿產(chǎn)生的力為

式中：P為S=0.75h0時(shí)的單個(gè)碟形彈簧的載荷，N;L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離，mm；L3為推桿到支點(diǎn)距離，mm；L2為液力推桿到轉(zhuǎn)軸距離，mm；L1為推桿到轉(zhuǎn)軸距離，mm。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]，選用Ed201/6的液力推桿，產(chǎn)生的推力為2000 N。制動(dòng)器張開時(shí)摩擦片到制動(dòng)面的距離為0.18 mm。經(jīng)計(jì)算一字型模塊對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為

式中：m為模塊質(zhì)量，kg；a為模塊寬度，m；b為模塊厚度，m；L為模塊質(zhì)心到回轉(zhuǎn)中心的距離，m。

圖5 制動(dòng)器圖

2.3 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于翻轉(zhuǎn)180°的模塊需要將工件由固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)上移動(dòng)到移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)上，所以需要舉升裝置。舉升裝置是由變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)舉升機(jī)從而實(shí)現(xiàn)工件的升降。需要翻轉(zhuǎn)180°的最重工件是一字型模塊，由三臺(tái)移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)同時(shí)翻轉(zhuǎn)。每臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)上有兩臺(tái)舉升機(jī)。則舉升機(jī)的選型為JWB 150US H300JIC-1。

總載荷為

式中：H1為重力到支點(diǎn)距離，mm；F為總支撐力，N；m為工件質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N/kg；H2為舉升機(jī)到支點(diǎn)距離，mm。

計(jì)算總機(jī)當(dāng)量載荷為

式中：Wmax為總支撐力，N；f1為被驅(qū)動(dòng)設(shè)備系數(shù)。

計(jì)算得單臺(tái)當(dāng)量載荷W=71 718 N。

輸入功率校核和所需輸入功率計(jì)算：

輸入轉(zhuǎn)速為

式中：v為升降速度，m/min；L1為螺紋導(dǎo)距，m/r；i為減速比。輸入轉(zhuǎn)矩為

式中：W為單臺(tái)當(dāng)量載荷，N；L1為螺紋導(dǎo)距，m/r；i為減速比；η為綜合效率。

式中：T1為輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；n1為輸入轉(zhuǎn)速，r/min。

參照基本參數(shù)表，Pmax=4 kW>P1，所以型號(hào)滿足要求。

圖6 舉升機(jī)受力圖

與輸入端相連的減速機(jī)為直連變頻減速機(jī)XWDV4.0-8115-8。該減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為253N·m，大于所需輸入轉(zhuǎn)矩29.8 N·m，小于升降機(jī)的容許輸入軸最大轉(zhuǎn)矩292 N·m；輸出轉(zhuǎn)速為136 r/min，比預(yù)定轉(zhuǎn)速慢一些，所以減速機(jī)滿足要求。

3 零部件ABAQUS分析

3.1 ABAQUS分析介紹

ABAQUS軟件是計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）中的重要軟件，大型通用有限元分析（FEA）軟件，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場的分析，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，分為幾何建模、劃分網(wǎng)格、施加載荷、求解、后處理等幾個(gè)主要步驟進(jìn)行[8]。對(duì)于翻轉(zhuǎn)機(jī)重要零部件需要ABAQUS應(yīng)力分析校核。

3.2 舉升機(jī)構(gòu)有限元分析

因?yàn)榕e升機(jī)大部分時(shí)間是在勻速緩慢運(yùn)動(dòng)，所以按靜力學(xué)分析舉升機(jī)受力。經(jīng)理論分析，最大應(yīng)力是在銷軸與支板連接處，最大變形是在支腿中間位置。

所有部件的彈性模量設(shè)為209 GPa，泊松比為0.3，部件都是均質(zhì)實(shí)體。

由于舉升機(jī)構(gòu)支架剛度大，不用做應(yīng)力分析，對(duì)支腿進(jìn)行應(yīng)力分析，支腿的轉(zhuǎn)軸上表面承受壓力，計(jì)算得表面載荷為

式中：m為工件質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N/kg；S為支腿轉(zhuǎn)軸上表面面積，mm2；n為支腿數(shù)量。

圖7 支腿載荷圖

圖8 支腿網(wǎng)格化分圖

圖9 支腿位移圖

圖10 支腿應(yīng)力圖

銷孔、連接板是按全部位移、轉(zhuǎn)角固定，如圖7所示。網(wǎng)格劃分選用的是修正的適合分析接觸問題的二次四面體單元C3D10M，在接觸處細(xì)化網(wǎng)格[9]，如圖8所示。所有軸與孔的配合都是法向受力硬配合，切向摩擦因數(shù)為0.15的罰摩擦的面對(duì)面配合[10]。如圖9所示，支腿最大位移是1.8 mm，變形很小。如圖10所示，支腿最大應(yīng)力位于銷軸與支板接觸處，為426 MPa，Q420鋼滿足要求[11]。

最大應(yīng)力位置與最大變形位置與預(yù)想的相同。在滿足安裝空間的前提下，在銷軸與支板連接處焊接凸臺(tái)來增加強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)致力于解決國內(nèi)超長超重工件吊裝翻轉(zhuǎn)的各種缺點(diǎn)，如效率低、安全性差，結(jié)合國內(nèi)外翻轉(zhuǎn)大型工件的經(jīng)驗(yàn)，提出一種90°/180°翻轉(zhuǎn)機(jī)[12]。該翻轉(zhuǎn)機(jī)適應(yīng)性廣，可一機(jī)多用、多臺(tái)組合，能極大地提高生產(chǎn)效率。

在設(shè)計(jì)過程中，廣泛借鑒前人研究[13]，從眾多翻轉(zhuǎn)方案中確定了該翻轉(zhuǎn)方式[14]，并對(duì)其翻轉(zhuǎn)L型工件90°和一字型工件180°的工藝過程進(jìn)行描述[15]。著重對(duì)制動(dòng)器、舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)重要零部件進(jìn)行了abaqus應(yīng)力分析校核，最后固化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制工程圖樣。