基于滾動環(huán)的貯箱吊運翻轉(zhuǎn)工藝技術(shù)研究

張 鑫 顧中華 王日杰 張中平 張 帥 張文龍

基于滾動環(huán)的貯箱吊運翻轉(zhuǎn)工藝技術(shù)研究

張 鑫 顧中華 王日杰 張中平 張 帥 張文龍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

研究了采用滾動環(huán)對推進劑貯箱吊運和翻轉(zhuǎn)的工藝技術(shù)方法，獲得了采用滾動環(huán)對推進劑貯箱吊運和翻轉(zhuǎn)的螺紋結(jié)構(gòu)強度校核方法，利用有限元方法分析了吊運和翻轉(zhuǎn)過程較為危險工況下滾動環(huán)以及產(chǎn)品連接部位的結(jié)構(gòu)應力，驗證了某型號產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性，為吊運翻轉(zhuǎn)方案的實施奠定了基礎。

滾動環(huán)；推進劑貯箱；翻轉(zhuǎn)

1 引言

在火箭燃料貯箱焊接完成后，大量作業(yè)需在具備貯箱滾轉(zhuǎn)條件下進行，以滿足人員作業(yè)可達性要求。同時，部分作業(yè)需在貯箱立式狀態(tài)下進行，因此需進行貯箱水平和豎直狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)吊裝。現(xiàn)階段，無論是滾轉(zhuǎn)還是翻轉(zhuǎn)均使用專門工藝裝備完成，貯箱的滾轉(zhuǎn)需要在貯箱兩端安裝滾動環(huán)，貯箱的翻轉(zhuǎn)則需要在兩端安裝專用翻轉(zhuǎn)吊掛。在貯箱生產(chǎn)過程中兩狀態(tài)間的切換均需反復拆裝專用工裝，不僅勞動強度大、耗時長、效率低，還容易損傷貯箱安裝孔及螺紋緊固件，此外專用工裝均需較大的資金投入。為此，本文研究了采用滾動環(huán)直接進行貯箱翻轉(zhuǎn)的工藝可行性，研究該情況下螺紋結(jié)構(gòu)件的強度校核方法，利用有限元方法分析了翻轉(zhuǎn)過程中結(jié)構(gòu)應力，從而為直接翻轉(zhuǎn)提供可靠的工藝參數(shù)。

2 工藝過程分析

圖1 滾動環(huán)吊裝位置示意圖

滾動環(huán)的吊裝方式如圖1所示，利用滾動環(huán)對貯箱翻轉(zhuǎn)的過程如圖2所示（圖中貯箱使用“工”字型簡易表示，上下兩橫代表貯箱前、后端框上安裝的滾動環(huán)）。首先按圖1方式連接滾動環(huán)，再吊起貯箱，移動吊鉤，使前端側(cè)緩慢上升，后端側(cè)緩慢下降，實現(xiàn)貯箱由水平至豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖2 貯箱吊裝翻轉(zhuǎn)過程

該吊裝翻轉(zhuǎn)過程主要考慮三個方面：天車吊鉤與滾動環(huán)吊孔之間的連接可靠性，即滾動環(huán)強度；滾動環(huán)與產(chǎn)品之間螺紋緊固方式的可靠性，即螺栓緊固件強度；產(chǎn)品與緊固件接觸部位的結(jié)構(gòu)安全性。

3 結(jié)構(gòu)強度分析

3.1 受力分析

圖3 貯箱翻轉(zhuǎn)過程受力分析圖

圖2所示后端吊掛在中間的情況可視為后端吊掛在頂端的情況的極限形式，即后端吊掛吊點距離貯箱軸線的距離（通過下文/2 進行表征）為0的情形。因此，對后端吊掛在貯箱頂端的情形進行受力分析。分析簡圖如圖3所示。建立豎直方向力平衡、水平方向力平衡、力矩平衡方程分別如下：

計算得：

其中，——貯箱重量，N；——貯箱前后端框滾動環(huán)之間的距離，m；——滾動環(huán)吊裝孔分度圓直徑，m；——后端貯箱吊掛與豎直方向的夾角；——貯箱軸線與水平面之間的夾角。

前端框與滾動環(huán)之間受力情況：

后端框受力分析：

3.2 螺栓強度校核

則螺栓受到的軸向力為：

當為負值時，

由圖4可知，在貯箱翻轉(zhuǎn)過程中，前端螺栓應力不斷增大，最大應力出現(xiàn)在豎直狀態(tài)下，后端應力則出現(xiàn)先下降后增加的趨勢。當β增大時，后端應力將不斷增大，前端應力將不斷減少。因此，在貯箱翻轉(zhuǎn)過程中，應保持較小的β，在預緊力滿足要求的情況下，應在開始階段使用較小的β，并在翻轉(zhuǎn)過程中不斷增大，但應小于10°。

表1 預緊力擬合系數(shù)1

表2 預緊力擬合系數(shù)2

圖5 所需最小預緊力與/比值的變化圖

本文中彎矩放大因子會因翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的不同而不同。應采用合理的結(jié)構(gòu)避免過大的彎矩放大因子?？梢圆捎每s短螺紋緊固位置與吊點的距離，采用相對于吊點對稱布置緊固位置的方式來有效降低該值。

3.3 滾動環(huán)強度分析

為分析滾動環(huán)的受力情況，按照某型號產(chǎn)品的滾動環(huán)結(jié)構(gòu)，建立了如圖6所示的有限元模型，其中滾動環(huán)厚度為10mm，在兩側(cè)斜邊上施加豎直向下的載荷G，在中心圓下端表面施加約束，限制各自由度，兩結(jié)構(gòu)之間采用bonded接觸方式，以此來對實際情況進行模擬。材料采用多線性模型，如表3所示。

圖6 滾動環(huán)有限元分析模型

表3 有限元材料性能

模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。由于采用了bonded接觸方式，最大應力點出現(xiàn)在bonded接觸點邊緣，結(jié)果較為合理。進一步分析表明，增大滾動環(huán)厚度（由10mm加厚5～15mm）或者增大與吊鉤接觸部分滾動環(huán)的寬度（由圖6中的8mm加寬4～12mm）可以顯著降低受力，計算結(jié)果如圖8所示?？梢?，最高應力均降低了約20%。

圖7 10000N模擬結(jié)果應力云圖

圖8 應力與重力分量GL關(guān)系

由圖8可知，在滿足應力小于400MPa屈服強度的情況下，針對現(xiàn)有型號3350mm貯箱，該結(jié)構(gòu)滾動環(huán)最大可以吊起1500×2=3000kg貯箱，相對于產(chǎn)品1000kg重量，具有較大的安全裕量。而局部進行加強，則可以極大限度地提升該結(jié)構(gòu)的強度。因此，滾動環(huán)結(jié)構(gòu)對于新的吊運翻轉(zhuǎn)工藝的實施影響較小。

3.4 產(chǎn)品連接部位強度分析

圖9 產(chǎn)品連接部位有限元模型

以某型號端框為例，建立模型并施加約束和載荷，如圖9所示。其中加載面上采用上下同時施加載荷的方式，以簡化模擬預緊力的影響，上方施加預緊力大小為17000N（該值為4.8等級M12螺栓的保證載荷的0.65），端框承受的貯箱重力在該結(jié)構(gòu)處的分力G2，因此，下方施加力為17000N+G2。圖中陰影面（B面）施加約束，限制所有自由度。計算結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 產(chǎn)品與螺紋緊固件接觸部位應力云圖

圖11 最大應力與重力分量GL2關(guān)系

4 結(jié)束語

a. 后端貯箱吊掛與豎直方向的夾角增大時，后端螺紋緊固件應力將不斷增大，前端螺紋緊固件應力將不斷減少。在開始階段應使用較小的，并在翻轉(zhuǎn)過程中不斷增大，但應小于10°；

b. 滾動環(huán)結(jié)構(gòu)的安全裕度較大，可以在有限元分析結(jié)果的基礎上，確定結(jié)構(gòu)最大承載力，本文相關(guān)數(shù)據(jù)可作為后續(xù)確定承載力的基礎；

c. 建立了采用滾動環(huán)對推進劑貯箱吊運和翻轉(zhuǎn)的螺紋結(jié)構(gòu)件在極限情況時強度校核方法，可用來計算所需最小螺釘數(shù)目，為該工藝的實施奠定了基礎。當螺紋緊固件結(jié)構(gòu)安全裕度較大時，通常采用的預緊力大于本文計算的預緊力，但整體螺紋結(jié)構(gòu)件強度滿足要求。本文所述方法亦可以用來進行貯箱專用翻轉(zhuǎn)吊掛工裝的設計校核。

d. 利用該方法，已實現(xiàn)了某型號3350mm和2250mm貯箱的翻轉(zhuǎn)吊裝，在保證產(chǎn)品安全的前提下，極大地提高了作業(yè)效率，節(jié)省了生產(chǎn)周期。

1 成大先. 機械設計手冊·第2卷[M]. 北京：化學出版社，2007

2 Zheng Jingyang, Zhang Xin, Xu Ping, et al. Standardized equation for hydrogen gas compressibility factor for fuel consumption applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 141: 6610～6617

Research on Lift and Flip Process of Fuel Tank Based on Rolling Equipment

Zhang Xin Gu Zhonghua Wang Rijie Zhang Zhongping Zhang Shuai Zhang Wenlong

(Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

The lift and flip process of fuel tank based on its rolling equipment is studied in this paper. A feasible intensity checking method of the screw thread fasteners is obtained by theoretical and mathematic methods. And the structure safety of the rolling equipment and the fuel tank at the connection part is studied with the finite element method, and the good performance is testified, which proves the feasibility of the lift and flip process of fuel tank based on its rolling equipment.

rolling equipment；fuel tank；flip

張鑫（1989），碩士，化工過程機械專業(yè)；研究方向：推進劑貯箱檢測技術(shù)。

2019-05-16