星罩組合吊運(yùn)工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

解 超 張洪亮

巨力索具股份有限公司 保定 072550

0 引言

隨著我國(guó)航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近地小衛(wèi)星[1]已商業(yè)化[2]，同時(shí)作為載體的運(yùn)載火箭發(fā)射也已產(chǎn)業(yè)化[3]。發(fā)射近地衛(wèi)星與發(fā)射高軌衛(wèi)星[4]不同，近地衛(wèi)星火箭的特點(diǎn)為直徑小、成本低，多為固體火箭，而大多數(shù)固體火箭整體水平裝配即可完成發(fā)射指標(biāo)，大大提高了火箭的發(fā)射效率。星罩組合體（見(jiàn)圖1）是火箭保護(hù)衛(wèi)星的關(guān)鍵組成部分，星罩組合體整體結(jié)構(gòu)為異形結(jié)構(gòu)，且外表面平滑不允許損傷。星罩組合體各種組合狀態(tài)質(zhì)心位置復(fù)雜不同?；鸺谘b載衛(wèi)星發(fā)射前需要多次安裝、拆卸、轉(zhuǎn)運(yùn)以滿(mǎn)足各種實(shí)驗(yàn)要求。在火箭裝配過(guò)程中，需要水平轉(zhuǎn)運(yùn)星罩組合體的各種組合狀態(tài)。所以，完成星罩組合體的水平吊運(yùn)，同時(shí)盡量減少與星罩組合體的接觸損傷已成為火箭裝配的必須工作。

圖1 星罩組合體

傳統(tǒng)星罩組合體的水平吊運(yùn)方法基本有2種：一種是通過(guò)2腿索具直接與其捆扎連接，這種方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是起吊連接點(diǎn)位置不易控制且起吊點(diǎn)位置不易調(diào)節(jié)，吊運(yùn)空間要求較大，水平吊運(yùn)時(shí)不好控制其水平狀態(tài)，因被吊物結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，整流罩的錐面容易與索具產(chǎn)生夾角或脫落，易對(duì)整流罩[5]表面造成損傷，吊運(yùn)過(guò)程中也不容易對(duì)其水平狀態(tài)進(jìn)行控制。

另一種是利用吊運(yùn)工裝與星罩組合體連接，星罩尾端與剛性連接件連接，星罩前端通過(guò)柔性吊帶索具捆扎連接，找準(zhǔn)吊具與被吊物質(zhì)心位置，吊具與被吊物連接為一個(gè)整體進(jìn)行試吊，調(diào)整起吊連接點(diǎn)位置[6]實(shí)現(xiàn)整體水平吊運(yùn)。這種結(jié)構(gòu)便于調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)索具與星罩的垂直連接，同時(shí)能夠保證星罩的水平吊運(yùn)。實(shí)際操作過(guò)程中更容易接受，應(yīng)用比較廣泛。

本文提出一種吊運(yùn)工裝的設(shè)計(jì)方案，在減少連接接觸的同時(shí)，通過(guò)改變吊運(yùn)工裝不同模塊的連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的吊運(yùn)功能；通過(guò)調(diào)節(jié)平衡梁上吊點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)星罩組合體的水平吊運(yùn)。

1 星罩組合體吊運(yùn)工裝設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)

某箭星罩組合體結(jié)構(gòu)如圖2所示，星罩組合體吊運(yùn)過(guò)程中分為整流罩水平吊運(yùn)、載荷倉(cāng)水平吊運(yùn)、四級(jí)運(yùn)輸體水平吊運(yùn)、星罩組合體水平吊運(yùn)[7]4種狀態(tài)。從通用性、安全性、可靠性、平穩(wěn)性吊運(yùn)的角度出發(fā)，對(duì)吊運(yùn)工裝進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)。吊運(yùn)工裝需能夠滿(mǎn)足完成4種產(chǎn)品工況的水平吊運(yùn)。

圖2 某箭星罩組合體結(jié)構(gòu)

星罩組合體狀態(tài)吊運(yùn)時(shí)，此時(shí)吊運(yùn)工裝為完整結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，調(diào)運(yùn)工裝主要由端面適配器、平衡梁、移動(dòng)吊點(diǎn)、延長(zhǎng)梁、定向升降機(jī)構(gòu)、配重、圓形吊帶等組成。

圖3 吊運(yùn)工裝結(jié)構(gòu)組成

端面適配器為主要?jiǎng)傂赞D(zhuǎn)接受力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要由2平行板與法蘭板焊接而成。法蘭板沿星罩組合體尾部端面圓周方向?qū)?yīng)開(kāi)有多組連接孔，通過(guò)螺栓組與星罩組合體尾端可靠連接。星罩組合體前端通過(guò)圓形吊帶捆扎在錐形整流罩連接面上。平衡梁、延長(zhǎng)梁設(shè)計(jì)為T(mén)形截面結(jié)構(gòu)，平衡梁、延長(zhǎng)梁通過(guò)螺栓組法蘭連接。移動(dòng)吊點(diǎn)、配重對(duì)應(yīng)開(kāi)有T形孔與梁體T形截面配套。移動(dòng)吊點(diǎn)、配重可沿平衡梁長(zhǎng)度方向T形截面滑動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)移動(dòng)吊點(diǎn)調(diào)節(jié)到被吊物的理論質(zhì)心上方時(shí)，調(diào)節(jié)配重位置保證吊運(yùn)工裝空載水平。端面適配器伸出的延長(zhǎng)桿上端與平衡梁體4點(diǎn)螺栓連接。圓形吊帶與安裝在延長(zhǎng)梁上的定向升降機(jī)構(gòu)底部卸扣連接，卸扣可實(shí)現(xiàn)沿連接軸徑向擺動(dòng)，以適應(yīng)圓形吊帶與被吊物的連接位置。

以上結(jié)構(gòu)組成吊運(yùn)工裝的主體結(jié)構(gòu)。定向升降機(jī)構(gòu)與端面適配器沿梁體長(zhǎng)度方向距離固定，移動(dòng)吊點(diǎn)調(diào)整到位后，起吊移動(dòng)吊點(diǎn)進(jìn)行試吊，直到星罩組合體水平吊運(yùn)為止。

為了保證星罩組合體整體水平起吊，吊運(yùn)工裝與其前端連接設(shè)計(jì)為上下高度可調(diào)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。定向升降機(jī)構(gòu)能夠解決星罩組合體起吊的水平狀態(tài)調(diào)整。

定向升降機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)由升降桿、升降螺母、卡板、梁體、定向銷(xiāo)等組成。升降桿貫穿于整體結(jié)構(gòu)，其上端帶有螺紋升降螺母連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)升降螺母帶動(dòng)升降桿，實(shí)現(xiàn)升降桿沿梁體截面上下移動(dòng)調(diào)節(jié)。升降桿下端帶有環(huán)眼，通過(guò)卸扣將圓形吊帶與升降桿連接為一個(gè)整體，升降桿光軸部位帶有直槽口，梁體上設(shè)有定位銷(xiāo)，通過(guò)定位銷(xiāo)限制升降桿旋轉(zhuǎn)方向的自由度，保證升降桿能夠豎直方向定向升降。

圖4 定向升降機(jī)構(gòu)

1.2 不同水平吊運(yùn)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)吊運(yùn)工裝不同模塊的組合實(shí)現(xiàn)不同吊運(yùn)功能。如圖3所示此種狀態(tài)為星罩組合體水平吊運(yùn)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)定向升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)捆扎圓形吊帶調(diào)節(jié)星罩組合體錐端高度，保證星罩組合體軸線(xiàn)處于水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)星罩組合體水平平穩(wěn)吊運(yùn)。

四級(jí)運(yùn)輸體水平吊運(yùn)狀態(tài)如圖5所示，此時(shí)吊運(yùn)工裝主要由2個(gè)端面適配器、平衡梁、移動(dòng)吊點(diǎn)、配重等模塊組成。端面適配器與平衡梁連接處開(kāi)有長(zhǎng)槽孔可實(shí)現(xiàn)沿平衡梁長(zhǎng)度方向的距離微調(diào)，2個(gè)端面適配器的上端通過(guò)螺栓組與平衡梁可靠連接。此時(shí)吊運(yùn)工裝整體為鋼性結(jié)構(gòu)，端面適配器起力的傳遞作用。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算確定移動(dòng)吊點(diǎn)位置并對(duì)吊運(yùn)工裝配平，使移動(dòng)吊點(diǎn)在吊具與被吊物組合質(zhì)心的正上方，從而實(shí)現(xiàn)四級(jí)運(yùn)輸體的水平吊運(yùn)。

圖5 四級(jí)運(yùn)輸體水平吊運(yùn)狀態(tài)

整流罩水平吊運(yùn)狀態(tài)如圖6所示，受整流罩外形結(jié)構(gòu)的限制，整流罩只有一個(gè)連接面且自重較輕，故此狀態(tài)吊運(yùn)工裝結(jié)構(gòu)主要由1個(gè)端面適配器、平衡梁、移動(dòng)吊點(diǎn)、配重等模塊組成。端面適配器將平衡梁與整流罩連接為一個(gè)整體，此時(shí)平衡梁為懸臂梁受力狀態(tài)。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算使移動(dòng)吊點(diǎn)在吊具與被吊物組合質(zhì)心的正上方，從而實(shí)現(xiàn)整流罩的水平吊運(yùn)。

圖6 整流罩水平吊運(yùn)狀態(tài)

1.3 移動(dòng)吊點(diǎn)位置狀態(tài)控制

在實(shí)際制作與操作過(guò)程中會(huì)存在著實(shí)際尺寸與理論質(zhì)心位置的偏差，如吊點(diǎn)位置調(diào)整不好，吊運(yùn)過(guò)程就變?yōu)榱似牡踹\(yùn)，整個(gè)吊運(yùn)過(guò)程將變得難以控制。吊運(yùn)工裝與被吊物連接好后進(jìn)行試吊，移動(dòng)吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，平衡梁體采用T形截面設(shè)計(jì)，移動(dòng)吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)開(kāi)有T形孔與梁體T形截面配套，限制移動(dòng)吊點(diǎn)沿梁體截面方向自由度。實(shí)現(xiàn)了平衡梁體上端移動(dòng)吊點(diǎn)的無(wú)級(jí)可調(diào)，移動(dòng)吊點(diǎn)調(diào)整到位后利用壓緊螺栓與平衡梁之間的摩擦力，限制其沿平衡梁長(zhǎng)度方向的自由度，對(duì)移動(dòng)吊點(diǎn)定位，防止移動(dòng)吊點(diǎn)水平方向竄動(dòng)。通過(guò)連接卸扣將吊環(huán)與移動(dòng)吊點(diǎn)上的連接孔可靠連接，從而實(shí)現(xiàn)吊具工裝吊點(diǎn)沿平衡梁長(zhǎng)度方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

圖7 移動(dòng)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.4 使用效果及經(jīng)濟(jì)效益

此吊運(yùn)工裝的模塊化設(shè)計(jì)，減少了火箭現(xiàn)場(chǎng)裝配吊運(yùn)的吊具數(shù)量，依據(jù)各工況理論數(shù)據(jù)按圖示進(jìn)行吊運(yùn)工裝快速變形組裝。提高了吊具的使用效率同時(shí)提高了火箭的裝配效率，利用移動(dòng)吊點(diǎn)的位置可調(diào)功能，輕松解決了不同工況質(zhì)心位置變化的問(wèn)題，星罩組合體的前端與后端與吊運(yùn)工裝垂直連接，利用定向升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了星罩組合體前端高度調(diào)節(jié)功能，滿(mǎn)足了星罩組合體水平吊運(yùn)的要求，同時(shí)減少了對(duì)被吊物表面的損傷。

火箭裝配過(guò)程中需要多次轉(zhuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模塊化吊運(yùn)工裝設(shè)計(jì)，只需1套吊具即可實(shí)現(xiàn)整流罩水平吊運(yùn)、載荷倉(cāng)水平吊運(yùn)、四級(jí)運(yùn)輸體水平吊運(yùn)、星罩組合體水平吊運(yùn)4種工況。整套產(chǎn)品1套吊具1個(gè)包裝箱即可完成多種工況的吊裝和運(yùn)輸，減少了現(xiàn)場(chǎng)的管理工作，避免了工裝的丟失現(xiàn)象，為地面保障系統(tǒng)提供了有力的支撐。

從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的角度出發(fā)，以往的吊具每種工況都需要配備1套吊具，如滿(mǎn)足上述星罩組合體的裝配至少需要4套吊具，同時(shí)需要更多的人力來(lái)實(shí)現(xiàn)安全吊運(yùn)。采用模塊化吊運(yùn)工裝只需1套吊具即可實(shí)現(xiàn)所需工況吊運(yùn)，即減少了吊運(yùn)成本也減少了人員成本。

2 力學(xué)性能分析

整體結(jié)構(gòu)中端面適配器與移動(dòng)吊點(diǎn)為關(guān)鍵受力件，端面適配器主要結(jié)構(gòu)采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，移動(dòng)吊點(diǎn)采用合金結(jié)構(gòu)鋼熱處理加工。模型采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，簡(jiǎn)化處理并導(dǎo)入Ansys軟件Workbench工作平臺(tái)進(jìn)行仿真[8]分析前處理和運(yùn)算。吊運(yùn)工裝離散化為一個(gè)有限元分析模型。分析模型采用彈性模型，單元類(lèi)型采用實(shí)體四面體單元或六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,單元數(shù)25 228個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)52 321個(gè)。所有結(jié)構(gòu)間接觸類(lèi)型為綁定接觸。

以某星罩組合體產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行吊運(yùn)工裝加載約束，假設(shè)星罩組合體自身強(qiáng)度足夠，且直徑為1 800 mm，自重1 t，星罩組合體尾部端面有多個(gè)法蘭螺栓連接孔，將移動(dòng)吊點(diǎn)調(diào)節(jié)到合理位置，選取吊運(yùn)工裝水平狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)螺栓連接孔和升降桿連接孔進(jìn)行固定支撐約束，添加吊運(yùn)工裝自重，對(duì)移動(dòng)吊點(diǎn)施加向上載荷10 000 N。

分析結(jié)果吊運(yùn)工裝應(yīng)力分布如圖8所示，變形分布圖如圖9所示。由圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在平衡梁與移動(dòng)吊點(diǎn)截面處。從整個(gè)分析結(jié)果可以看出吊運(yùn)工裝關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下，強(qiáng)度和剛度可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)大于3的要求。最大應(yīng)力為91 MPa，最大變形為1.29 mm。通過(guò)對(duì)比確認(rèn)，有限元仿真結(jié)果與實(shí)際工況相近，可以反映吊運(yùn)工裝真實(shí)受力情況。

圖8 星罩組合吊運(yùn)工裝應(yīng)力分布圖

圖9 星罩組合吊運(yùn)工裝變形分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種星罩組合體模塊組裝通用吊運(yùn)工裝，給出了該工裝的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行了展示。其解決了吊運(yùn)過(guò)程中因質(zhì)心變化難以實(shí)現(xiàn)被吊物水平吊運(yùn)的問(wèn)題。通過(guò)有限元分析找到了吊運(yùn)工裝的關(guān)鍵受力點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了后處理解析，驗(yàn)證了吊具的強(qiáng)度和剛度，保證了吊運(yùn)工裝的安全性、平穩(wěn)性和實(shí)用性。通過(guò)吊運(yùn)工裝的不同模塊組合實(shí)現(xiàn)了火箭多種工況的水平起吊，大大降低了工裝成本，同時(shí)減少了吊運(yùn)工裝的種類(lèi)和數(shù)量，提高了現(xiàn)場(chǎng)吊運(yùn)效率。依據(jù)此設(shè)計(jì)原理，可改變工裝連接尺寸，對(duì)同類(lèi)型產(chǎn)品可進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同火箭星罩組合體的裝配需求。