筒體翻轉(zhuǎn)用工裝卡勾的分析設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

崔秀君 陸征 朱文濤 王友龍

摘要：對(duì)筒體翻轉(zhuǎn)進(jìn)行了研究，為減少翻轉(zhuǎn)時(shí)已加工坡口對(duì)鋼絲繩的損傷，保證起吊工安全，設(shè)計(jì)了用于筒體翻轉(zhuǎn)的工裝卡勾。采用ANSYS軟件對(duì)卡勾進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷優(yōu)化卡勾結(jié)構(gòu)，確保翻轉(zhuǎn)的安全性，并對(duì)卡勾進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了筒體的順利翻轉(zhuǎn)，積累成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)卡勾;受力分析;有限元;驗(yàn)證試驗(yàn)

0引言

在壓力容器的制造過(guò)程中，受機(jī)床結(jié)構(gòu)的限制，在對(duì)筒體的兩端坡口進(jìn)行加工時(shí)，不能一次性完成加工，在加工完一端坡口后，中間需進(jìn)行一次筒體翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行另一端坡口的加工。

通常采用起吊天車上的吊鉤，利用鋼絲繩栓接筒體進(jìn)行筒體的翻轉(zhuǎn)，根據(jù)筒體的重量及標(biāo)準(zhǔn)GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》[1]選擇鋼絲繩的型號(hào)。由于完成坡口加工的筒體端面比較鋒利，容易損壞鋼絲繩，因此鋼絲繩實(shí)際的起吊載荷無(wú)法確定，且沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)于大型筒體的翻轉(zhuǎn)，須進(jìn)行量身設(shè)計(jì)，保證翻轉(zhuǎn)的安全性。

1工況分析

某筒體，直徑為2m，高度為2.5m，材質(zhì)為12Cr2Mo1R，壁厚為120mm，筒體重量約為15T。由于鋼絲繩晃動(dòng)，起吊方位，筒體重量等多重因素的限制，假設(shè)在筒體的兩端各加一個(gè)工裝卡勾進(jìn)行筒節(jié)翻轉(zhuǎn)，在卡勾上裝配卸扣，鋼絲繩一端通過(guò)卸扣與筒體相連，另一端與天車相連，通過(guò)調(diào)整鋼絲繩的角度，實(shí)現(xiàn)筒體的翻轉(zhuǎn)。

2工裝卡勾設(shè)計(jì)

2.1受力分析

對(duì)設(shè)想的工裝卡勾根據(jù)材料力學(xué)[2]進(jìn)行受力分析，以筒體垂直起吊且懸空，并處于靜止時(shí)的狀態(tài)作為工裝卡勾受力的極限狀態(tài)。以此極限狀態(tài)來(lái)對(duì)卡勾進(jìn)行受力分析，從而確定卡勾的受力方向，大小，和作用點(diǎn)。

根據(jù)筒體的受力情況，列出筒體受力平衡與力矩平衡公式。并求解：

（1）筒體在豎直方向與水平方向上的受力平衡。

（F1+F4）cos51°+（F2-F3）sin51°=G

（F1+F4）sin51°—（F2-F3）cos51°=0

（2）筒體所受力矩平衡

（F1—F4）X3/2—（F2-F3）X2=0

（3）對(duì)以上等式進(jìn)行求解，得：

F1=0.63G ? F2=0.78G ? F3=0 ? F4=0

2.2建模

初步確定卡勾的形狀，采用SolidWorks軟件[3]建模，并對(duì)模型進(jìn)行初步的力學(xué)分析，不斷優(yōu)化力學(xué)模型，如下圖所示。卡勾開(kāi)槽寬度為120mm，可翻轉(zhuǎn)筒體壁厚為90～120mm，且重量小于15T的筒體。

此次設(shè)計(jì)的卡勾翻轉(zhuǎn)筒體的能力約為15T，根據(jù)起吊能力，選擇與卡勾裝配的卸扣的型號(hào)[4]（S-BX25-1 3/4），卸扣材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼，起吊能力約為15t，安全系數(shù)為5，待翻轉(zhuǎn)筒體重量在卸扣的起吊能力范圍內(nèi)，滿足使用要求。

2.3 ANSYS[6]有限元分析

以15T的筒節(jié)為例，采用上、下兩個(gè)工裝卡勾進(jìn)行筒體的翻轉(zhuǎn)，將起吊重量帶入到之前的公式中計(jì)算出卡勾的受力情況：

上卡勾載荷為F1=94.5KN，下卡勾載荷為 F2=117KN，工裝卡勾的厚度為60mm，工裝卡勾選用的材質(zhì)為12Cr2Mo1R，根據(jù)GB150.4-2011[5]此材質(zhì)的其屈服強(qiáng)度為310Mpa，抗拉強(qiáng)度為520Mpa，彈性模量E=210 Mpa，泊松比μ=0.3，材料定義為理想彈塑性。

2.3.1 ANSYS[6]軟件進(jìn)行分析

（1）定義參數(shù)：定義單元類型為Plane82;定義單元實(shí)常數(shù)：根據(jù)選擇的單元類型，定義厚度為：0.06m;定義材料參數(shù)：材料特性為線性、各向同性、不隨溫度變化，輸入彈性模型值及泊松比。

（2）創(chuàng)建幾何模型：由于模型比較復(fù)雜，在SolidWorks軟件[3]中創(chuàng)建模型，之后導(dǎo)入ANSYS[6]軟件中。

（3）劃分網(wǎng)格：采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的模式，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（4）加載數(shù)據(jù)：添加約束條件及載荷，卡勾的開(kāi)孔處定義為全約束，約束全部位移自由度;卡勾的下表面施加載荷，輸入上、下卡勾的載荷值。

（5）求解：在求解模塊中進(jìn)行求解，計(jì)算完成后，出現(xiàn)提示信息。

2.3.2 結(jié)果分析

完成計(jì)算后，通過(guò)ANSYS[6]軟件的后處理模塊查看計(jì)算結(jié)果，通常查看應(yīng)力分布圖及位移變形圖。

（1）上卡勾的有限元分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果顯示：上卡勾的最大受力點(diǎn)位于兩處圓弧部位，與實(shí)際情況相符。上卡勾所受最大應(yīng)力約為209.864Mpa，根據(jù)卡勾的受力情況和其材料的屈服強(qiáng)度可計(jì)算其安全系數(shù)約為2.5;上卡勾的最大位移值為：6.33e-10m，上卡勾基本可以忽略變形。

（2）下卡勾的有限元分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果顯示：最大的受力點(diǎn)位于卡勾的起吊處，符合實(shí)際情況。下卡勾所受最大應(yīng)力約為253.848Mpa。由卡勾的受力情況和其材料的屈服強(qiáng)度可計(jì)算其安全系數(shù)約為2;根據(jù)分析結(jié)果顯示：下卡勾的最大位移值為：8.52e-10m，下卡勾基本可以忽略變形。

（3）根據(jù)分析結(jié)果，上、下卡勾的最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，且變形基本忽略不急，因此上、下卡勾均滿足要求。

2.3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮實(shí)際翻轉(zhuǎn)筒體時(shí)，為方便調(diào)整起吊方位，在工裝卡勾的側(cè)面、底部均鉆螺紋孔，并配有吊環(huán)，協(xié)助角度調(diào)整。

3工裝卡勾制備及驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1工裝卡勾制備

為了節(jié)約制造成本，可以采用庫(kù)房邊角料進(jìn)行工裝卡勾的制作，工裝卡勾的厚度根據(jù)待翻轉(zhuǎn)筒體的重量確定，由于庫(kù)存邊角料的厚度不確定，且工裝卡勾的下料尺寸小等原因存在如下等制造難點(diǎn)：

（1） 邊角料形狀不規(guī)則：無(wú)法直接上立車裝卡，需設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝卡具。

（2） 下料面積?。簩?dǎo)致在數(shù)控氣割[7]的過(guò)程中，板料受熱膨脹，產(chǎn)生串動(dòng)，

使氣割形狀不規(guī)則。

3.1.1車床裝卡工裝

為解決不規(guī)則板料無(wú)法車床加工的裝卡問(wèn)題，采取了將板料點(diǎn)焊在圓形板材上的方案，順利地將板料由83mm加工到60mm，由此滿足了卡勾設(shè)計(jì)壁厚的要求。之后，氣割去除裝卡工裝，氣割后打磨去除清理熔渣。

3.1.2氣割變形問(wèn)題

（1）為保證加工精度，制作卡勾之前，設(shè)計(jì)卡勾的形狀尺寸制備樣板，根據(jù)樣板進(jìn)行板料劃線;

（2）為防止板料在數(shù)控氣割過(guò)程中受熱竄動(dòng)，使氣割之后的板料形狀規(guī)則，將板料與下料池點(diǎn)焊固定。

（3）為防止氣割過(guò)程出現(xiàn)裂紋等缺陷，在氣割前需充分預(yù)熱，并在氣割過(guò)程中適當(dāng)降低氣割速度（≤180mm/min）。順利地解決了以上難題。

3.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證工裝卡勾能否順利實(shí)現(xiàn)筒體翻轉(zhuǎn)，在各部門的配合下，進(jìn)行筒體翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)卡勾，對(duì)筒體進(jìn)行裝卡，試驗(yàn)?zāi)康氖菍⑴P式放置的筒體翻轉(zhuǎn)為豎直放置。

天車起吊鋼絲繩，配合筒體的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時(shí)若出現(xiàn)鋼絲繩的拉力與筒體的重力平衡時(shí)的角度，需調(diào)整翻轉(zhuǎn)角度?？刹捎锰燔囌{(diào)整鋼絲繩角度，若受天車軌道影響，可將下卡勾卸下，進(jìn)行角度的調(diào)整。調(diào)整角度后，可以順利實(shí)現(xiàn)筒體的翻轉(zhuǎn)。

3.3結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：卡勾在筒體內(nèi)側(cè)卡緊時(shí)，鋼絲繩與完成坡口加工的筒體一端接觸，容易造成鋼絲繩的劃傷。

為了避免從內(nèi)側(cè)穿入筒體時(shí)，造成鋼絲繩的劃傷，對(duì)工裝卡勾的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在卡勾的兩個(gè)圓弧處各焊接一圈鋼管，代替筒體實(shí)現(xiàn)與鋼絲繩的接觸，有效的防止了鋼絲繩的劃傷。

4結(jié)語(yǔ)

借助ANSYS[6]有限元分析軟件，對(duì)工裝卡勾進(jìn)行理論分析計(jì)算滿足使用要求，之后進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，順利實(shí)現(xiàn)筒體的翻轉(zhuǎn)，為不同規(guī)格的筒體翻轉(zhuǎn)工裝積累了經(jīng)驗(yàn)。工裝卡勾的使用，極大降低了在壓力容器制造過(guò)程中對(duì)鋼絲繩的損傷，保證筒體翻轉(zhuǎn)的安全性，同時(shí)省時(shí)省力，提高工作效率，為類似筒體的翻轉(zhuǎn)積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉鴻問(wèn).材料力學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]Solidworks軟件.北京：億達(dá)四方公司.

[4]GB/T25854-2010一般起重用D形和弓形鍛造卸扣.

[5]GB/T 150.1-150.4-2011，壓力容器[S].

[6]余偉煒，高炳軍. ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[7]段俊儒.淺談數(shù)控火焰切割零件的工藝及質(zhì)量控制[J].山西焦煤科技，2009.SI.