某型導(dǎo)彈吊架的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研究

姜廣順 李成龍 馮云/ 軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司 大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司

0 引言

隨裝引進(jìn)的某型吊架與吊車或吊鉤狀態(tài)的裝填車配合工作，用于裝卸帶（或不帶）導(dǎo)彈架的導(dǎo)彈，以及在發(fā)射裝置上進(jìn)行裝（退）彈操作。吊具使用情況顯示，該型吊架的一些關(guān)鍵部位（如吊環(huán)組件、多孔吊梁、前后彎梁、士字座等）隨著使用年限的增長(zhǎng)存在安全隱患，主要表現(xiàn)為：

1）由于長(zhǎng)時(shí)間使用易造成金屬疲勞等因素，吊架大梁、士字座扭轉(zhuǎn)部分、前后彎梁等部位產(chǎn)生變形，導(dǎo)致一些關(guān)鍵尺寸變化超差，影響了正常的裝（退）彈工作。

2）吊環(huán)軸、多孔吊梁的孔位、滑軌、大小彎把插銷、吊架止動(dòng)裝置等部位容易磨損，磨損量達(dá)到一定程度時(shí)，繼續(xù)使用存在安全隱患。

3）前后彎梁、銷軸、聯(lián)結(jié)吊環(huán)、吊鉤等一些應(yīng)力集中的部位或焊道，長(zhǎng)期頻繁使用后產(chǎn)生裂紋，補(bǔ)焊會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部應(yīng)力分布不均，腐蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生焊道脫落，發(fā)生安全事故。

為保證裝備及人員安全，有必要對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化測(cè)仿，研制出滿足部隊(duì)使用要求的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。

1 國(guó)產(chǎn)化吊架的選材及工藝處理

隨裝引進(jìn)的吊架是由工字梁、前后彎梁等焊接而成的金屬架，如圖1 所示。

國(guó)產(chǎn)化吊架沿用原吊架的框架梁形式。為保證國(guó)產(chǎn)化吊架的安全性能要求，在專業(yè)檢測(cè)中心進(jìn)行了原吊架的材質(zhì)檢驗(yàn)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，選擇國(guó)產(chǎn)材料手冊(cè)中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊接性能不低于原吊架的材料作為國(guó)產(chǎn)化吊架的制作材料。同時(shí)，對(duì)選用的主要材料進(jìn)行了材質(zhì)化驗(yàn)，以確保使用的材料符合設(shè)計(jì)要求。主要部件的選材及工藝處理要求如 下。

1）工字梁

工字梁由2根一字梁和方錐臺(tái)組成，形成一個(gè)3440mm×1695mm 的大“工”字，是吊架的主體結(jié)構(gòu)。采用Q345A鋼加工制作，以保證足夠的強(qiáng)度和剛度。一字梁內(nèi)有7 根加強(qiáng)筋預(yù)焊其中，方錐臺(tái)中縱向有6 根加強(qiáng)筋、橫向有3×2 根加強(qiáng)筋（對(duì)稱）預(yù)焊其中。一字梁與方錐臺(tái)相互插配后再焊接，使一字梁形成10 根加強(qiáng)筋。

2）吊環(huán)及吊環(huán)組

吊環(huán)及吊環(huán)組是連接起重設(shè)備和吊架的關(guān)鍵件，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。吊環(huán)組件和門字件選用38CrNi 鋼、軸選用40Cr鋼機(jī)械加工而成，經(jīng)熱處理后，獲得較高強(qiáng)度、硬度，有較好的韌性。

圖1 某型吊架的組成結(jié)構(gòu)

3）多孔吊梁

多孔吊梁共5 根，根據(jù)長(zhǎng)度可分為兩種，根據(jù)孔的數(shù)量可分為三種，且保持對(duì)稱分布。用20 號(hào)鋼進(jìn)行鍛制再機(jī)械加工，合格后縱向焊于方錐臺(tái)中部。5 根吊梁多孔可選，有多種起吊組合方式。

4）爪鉤

爪鉤是吊架工作時(shí)抓起導(dǎo)彈的主要部件，選用40CrNi 鋼，經(jīng)鍛造加工、熱處理、機(jī)械加工而成。

5）折疊臂

選用5mm 低合金高強(qiáng)度Q390E 鋼板，與預(yù)先加工成型的套筒、臂頭等焊接而成。

6）士字座

前后彎梁下方的士字座由5mm 低合金高強(qiáng)度Q390E 鋼板與預(yù)先加工成型的套、把手、梅花套筒等零件焊接而成。裝于前后彎梁的下方，形成“腿”，裝卸導(dǎo)彈時(shí)起定位支撐作用。

7）絲杠、連桿

絲杠、連桿用40Cr 鋼，經(jīng)熱處理、機(jī)械加工而成。

8）軸、連桿

連接爪鉤、滑軌的軸與連桿，選用40Cr 鋼，經(jīng)熱處理、機(jī)械加工而成。

原材料需進(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)無(wú)損探傷，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)原材料的內(nèi)部缺陷；在工藝文件中明確規(guī)定原材料入廠復(fù)驗(yàn)環(huán)節(jié)，粗加工工序后進(jìn)行超聲探傷[1]。鍛件、焊接件、熱處理件及關(guān)重件，應(yīng)按圖樣和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行磁粉探傷檢查；所有結(jié)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理；對(duì)零（部）件金屬鍍覆、梁體噴底漆和面漆進(jìn)行表面防護(hù)。

圖2 爪吊最大應(yīng)力在爪處

圖3 腿吊的最大應(yīng)力和爪吊的次大應(yīng)力在背面的中部

表1 有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)

2 吊架承載能力的有限元分析

吊架在起吊過程中需承受起吊物的重力、自身重力和過載載荷，為確保吊架具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在滿足起吊過程安全有效承載要求的同時(shí)減輕吊具自身重量，需對(duì)吊架開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析。有限元分析法對(duì)解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力問題非常有效[2]。

吊架有兩種起吊方式：一種是爪吊，使用爪鉤抓住重物起吊；一種是腿吊，使用折疊桿通過支架承載重物起吊。爪處固定，在13/3 孔處加力，建立爪吊的有限元計(jì)算模型；腿處固定，在11/3 孔處加力，建立腿吊的有限元計(jì)算模型。由計(jì)算結(jié)果可見，爪吊最大應(yīng)力在爪處，見圖2。腿吊的最大應(yīng)力和爪吊的次大應(yīng)力發(fā)生在背面的中部，見圖3。整理的吊架關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力值見表1。

圖4 測(cè)點(diǎn)的布置圖

根據(jù)位置1 處吊架的材料Q345A，可以用公式S=σs/σ 計(jì)算安全系數(shù)。這里σs為材料Q345A 的屈服點(diǎn)，取值為455MPa，σ 為根據(jù)工作載荷計(jì)算或測(cè)量的危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。按計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算的安全系數(shù)見表2。

由計(jì)算結(jié)果得出，吊架的安全系數(shù)為4.84，符合QJ 2472.1-93《吊具通用技術(shù)條件 梁式吊具》中對(duì)Ⅰ級(jí)吊具（吊具安全系數(shù)不小于3）的要求。

表2 位置1的有限元分析數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的比較

3 技術(shù)難點(diǎn)的解決途徑

1）承載強(qiáng)度的計(jì)算和試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)指標(biāo)和功能要求，首先對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配仿真，分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工藝性；對(duì)三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，建立有限元分析模型，開展靜剛度和靜應(yīng)力分析，并三維顯示隨載荷增加的吊架變形情況和應(yīng)力分布。根據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算安全系數(shù)，分析安全程度。在此基礎(chǔ)上，確定關(guān)鍵部位，并測(cè)試關(guān)鍵部位的應(yīng)力與變形，進(jìn)而核算實(shí)際吊架的安全系數(shù)。

2）合理的加工工藝保證加工精度

吊架外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工設(shè)備受限的情況下，為了保證吊架的加工精度，采取了保單件精度即以局部保整體的加工方法。例如，工字梁兩端的法蘭盤暫不焊在工字梁上，而是在對(duì)接前后彎梁時(shí)焊接。先用螺釘對(duì)接好，固定在彎梁上，將兩彎梁裝在綜合胎模上，待2 個(gè)對(duì)邊尺寸和對(duì)角線尺寸調(diào)整好后再焊上工字梁，這樣既省去了大件尺寸的精細(xì)加工，又保證了精度要求。

3）解決焊接變形問題

吊架主體結(jié)構(gòu)僅工字梁長(zhǎng)度就為3340mm，全部由鋼板焊接而成，如何解決焊接變形成為問題的關(guān)鍵。為此，設(shè)計(jì)了一套對(duì)稱且可翻轉(zhuǎn)的組合夾具。先將大梁零件固定在夾具上，再將夾具平放在支座上，調(diào)整零件的位置尺寸并緊固，從大梁中部向兩端均勻點(diǎn)焊，然后翻轉(zhuǎn)夾具，均勻點(diǎn)焊對(duì)稱部位，使其連成一體，最后焊接成部件。每次焊接后自然冷卻，再進(jìn)行下一輪焊接，待焊接完成后輕輕、反復(fù)錘擊焊縫兩側(cè)，以消除焊接應(yīng)力。

4 加載試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證吊架強(qiáng)度，吊架生產(chǎn)完成后在5 種工況下進(jìn)行加載試驗(yàn)，載荷為對(duì)應(yīng)的加載狀態(tài)。

1）靜載試驗(yàn)：將載荷提升至離地約200mm 高，持續(xù)15min，卸載檢查，各零部件無(wú)永久變形，用十倍放大鏡檢查無(wú)裂紋。

2）動(dòng)載試驗(yàn)：以上升不大于 3m/min、下降不大于2m/min 的升降速度將載荷提升至距地面約2.5 ～3m 高度，然后降至地面。下降過程中制動(dòng)3 次。上述試驗(yàn)過程重復(fù)3 次。試驗(yàn)時(shí)在吊架正下方放置木塊保護(hù)。經(jīng)試驗(yàn)，吊架各組成部分無(wú)永久變形，用十倍放大鏡檢查無(wú)裂紋產(chǎn)生，滿足使用強(qiáng)度要求[3]。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)彈吊架的結(jié)構(gòu)合理性、安全可靠性及操作方便性直接影響產(chǎn)品的起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及安全，是導(dǎo)彈輔助裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一[4]。吊架研制過程中，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，為設(shè)計(jì)及圖紙優(yōu)化提供了理論依據(jù)[5]；對(duì)原材料、部件和吊架開展了無(wú)損探傷，并通過加載試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。結(jié)果表明，研制的吊架能夠滿足對(duì)不同工況的起吊要求，可為同類吊具的設(shè)計(jì)提供參考。