一種通用化質心可調式水平吊具設計方法

程運江 趙鵬飛 趙 日 金 晶 樊 軼

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一種通用化質心可調式水平吊具設計方法

程運江 趙鵬飛 趙 日 金 晶 樊 軼

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

為解決總裝廠房內吊具設備復雜、一種吊具起吊一型產品、質心難調節的問題，根據地面保障裝備的發展趨勢提出了一種通用化質心可調式吊具。采用吊梁模塊化、質心無級調節的設計思路，完成了通用化質心可調式吊具設計方案，并通過Abaqus軟件和理論計算對其進行剛強度校核，實現了對不同起吊間距、不同重量的產品通用起吊。本文為后續吊具及相關地面設備的產品化研制提供一種新的設計思路。

模塊化；質心可調；通用化吊具

1 引言

吊具是裝卸轉運產品的專用地面輔助設備，是廠房進行產品運輸、轉場、裝箱等操作的重要機具。經過國內吊具行業幾十年的發展，面向各行業、各領域已配套形成較為完善的吊具貨架產品體系，可為每型吊具提供標準的配件和連接件。然而，受到起吊產品的物品種類繁多、定制需求個性化的影響，每種起吊產品的專用吊具在設計上存在差異較大、方案不統一、互換通用性差的特點，容易造成廠房內一種吊具只具備起吊一型產品的能力[1]。為更好控制總裝廠房內的總裝工作環境，需在不耽誤各型產品總裝、轉運、起吊工作的情況下，精簡廠內各類地面輔助設備品種和數量，這就意味著要壓縮專用吊具的規格，提供一種能夠同時滿足不同產品起吊的通用化吊具。另外，針對一些軍用航天起吊產品平穩水平起吊的高要求，吊具還需要具備質心可調節的能力，以保證起吊產品質心與起吊點處于一條豎直線上，實現產品平穩水平起吊的功能[2]。為解決上述現有總裝廠房內吊具設備復雜、一種吊具起吊一型產品、質心難調節的問題，需要設計研制一種通用化質心可調式吊具[3，4]。

2 發展趨勢

隨著航天產品市場需求急劇增加，需要提高航天產品及其配套地面保障設備的生產研制效率，發展產品化、通用化道路[5，6]，縮短產品的生產周期，以快速交付滿足用戶快速裝備的需求。比較典型的是，美國與俄羅斯先后進行了航天武器及其地面設備的產品化工作，尤其在空軍地面保障設備方面體現尤為突出，各類架車、掛彈車等地面保障設備實施了產品化、通用化設計，極大地提高了空軍的地面保障能力[7，8]。

為提高吊裝航天產品的可靠性和安全性，隨著工程機械行業的發展，國內外開始研制、生產具備質心可調式功能的吊具，以確保在起吊產品質心位置不準確情況下，吊具能滿足產品水平穩定起吊的要求。

3 吊具設計方案

3.1 研制思路

在滿足航天產品高可靠性、安全性起吊要求和總裝廠使用需求的基礎上，對產品的起吊方案、產品質量、吊點間尺寸、質心與前吊點距離等起吊特征參數進行梳理、分析，完成通用化質心可調式吊具的方案設計。

通用化質心可調式吊具研制思路包括以下兩點：

a. 安全可靠，確保吊具的使用安全性；

b. 貫徹產品化、模塊化和通用化的設計思想，確保適應不同產品及同一產品不同狀態的起吊工況。

3.2 吊具方案

選取三型航天起吊產品（假設三型產品均為圓柱體）作為研究對象開展通用化吊具的方案設計，具體起吊產品的起吊特征參數如表1所示?？紤]起吊產品的吊具接口已固化，不在本文中再進行設計研究。

表1 三型航天產品起吊參數

采用模塊化思想、組合式方法進行基于組合式吊梁的吊具方案設計。該通用化吊具采用拆卸拼裝基本模塊和擴展模塊實現大/小不同起吊間距的起吊，通過吊環和吊掛在吊梁上的移動實現不同航天相關產品通用起吊的能力。通過調整后，通用化吊具具備A、B、C三種航天產品的起吊能力，具體通用化吊具起吊示意圖如圖1所示。

圖1 通用化吊具起吊示意圖

該通用化吊具主要由基本模塊、擴展模塊、吊環、吊掛及起吊組件等結構組成。

吊梁：承載吊具配件和起吊產品的主體結構，主要包括組合式吊梁模塊、連接銷軸、防松片等。其中，組合式吊梁模塊包括基本模塊和擴展模塊。

吊環：作為吊梁與廠房吊鉤的連接件。

吊耳：主要用于連接吊梁與吊帶，且能夠實現起吊產品的質心可連續調節。

卸扣：主要用于吊帶與吊耳之間的緊固與連接，可選用標準件配套。

吊帶：作為吊梁與起吊產品的連接件，可選用標準件配套。

起吊組件：連接吊具與起吊產品的結構裝置，在起吊過程中減小和改善產品的受力情況，起到保護產品的作用。該起吊組件已完成生產研制，可直接借用原有各型號的起吊組件。

組合式吊梁模塊選用工字型截面梁，通過連接銷軸固定、防松片扣緊將基本模塊與擴展模塊形成一體，避免了起吊產品過程中擴展模塊以連接銷軸為中心繞基本模塊轉動的風險。在吊具使用過程中，起吊吊點間距跨度大的產品采用安裝擴展模塊增長吊梁的方式以匹配產品的吊點，起吊吊點間距跨度小的產品則只采用基本模塊以協調短吊梁與產品起吊間距的匹配。組合式吊梁模塊工字型截面梁下端上平面安裝一組滑動吊耳，可在工字型截面梁上自行滑動吊耳以細微調節起吊間距來適應不同狀態下起吊產品的重心，確保產品起吊點位于起吊產品質心的正上方，使起吊狀態下產品受水平、較小的軸向力，保證產品在吊運轉載過程中平穩、安全。

3.3 強度計算

采用通用化吊具起吊三型產品過程中，吊梁所承受的各點起吊載荷與起吊點的吊點間距及質心有關。經計算分析，起吊產品A時吊梁兩端所承受的載荷最大，且其兩端的吊點間距最大。因此，在進行吊梁剛強度計算分析過程中，可僅對吊裝產品A工況進行吊梁剛強度校核。

3.3.1 吊梁的剛強度校核

吊梁剛強度校核過程中采用Abaqus軟件進行分析，以C3D8I單元網格劃分。在有限元模型中，主梁與側梁、轉軸、吊鉤及輔助支撐之間建立接觸分析對，用于接觸分析。由起吊產品A質量、吊點間距及質心位置，計算出兩端吊掛的起吊載荷，并在吊掛下端的起吊孔內部上平面施加載荷和位移約束。經仿真分析，由圖2和圖3可知，組合式吊梁的最大應力為276.3MPa，出現在吊掛起吊孔位置處。組合式吊梁的最大變形為2.5mm，出現在離起吊點較遠的一側吊掛起吊孔位置處。吊梁的材料為30CrMnSiA，抗拉強度為1080MPa。由此，組合式吊梁的剩余強度系數均3.9，符合強度要求；吊梁的最大位移量為2.56mm，最大變形為2.56/3000=1/1200，小于l/1000，滿足吊具的剛度要求。

圖2 組合式吊梁的最大應力云圖

圖3 組合式吊梁的最大應變云圖

3.3.2 銷軸和連接銷軸的剛強度校核

銷軸主要用于連接吊環與吊梁，連接銷軸主要用于連接基本模塊與擴展模塊，兩者的材料均為30CrMnSiA，抗拉強度為1080MPa，現對銷軸與連接銷軸進行剛強度校核。

對銷軸采用計算載荷以工程算法進行剛強度計算，得到銷軸的彎曲應力和剪應力。其中，為起吊產品A時施加在銷軸的載荷，銷軸的直徑為31mm，銷軸的半徑為，跨度L為60mm，連接叉的開口長度C為15mm。

經計算，銷軸的彎曲應力為：

銷軸的剪應力為：

銷軸的合成應力為：

將擴展模塊取出進行受力分析，如圖4所示。其中，1為施加在擴展模塊上的載荷，為基本模塊對擴展模塊根部的擠壓載荷，為連接銷軸給基本模塊的擠壓載荷，1為擴展模塊連接銷軸孔至底端的豎直距離，2為連接銷軸孔至擴展模塊1施加載荷點。

圖4 擴展模塊的受力分析圖

根據力的平衡方程，計算得到連接銷軸受到的擠壓載荷：

通過工程計算方法對連接銷軸進行強度分析計算。其中，連接銷軸的直徑為24mm，連接銷軸的半徑為，跨度L為30mm，連接叉的開口長度L為20mm。

經計算，連接銷軸的彎曲應力為：

連接銷軸的剪應力為：

連接銷軸的合成應力為：

綜上計算可知，銷軸的合成應力為272.4MPa，連接銷軸合成應力為344.3MPa。銷軸的剩余強度系數為3.9，連接銷軸的剩余強度系數為3.1，符合強度要求。

3.4 技術創新點

3.4.1 基于模塊化思路的大小吊點間距設計

根據現有廠房起吊產品的結構特征進行分檔化設計，合理匹配起吊產品重量與吊點間距的關系，明確吊具各種組合模塊條件下產品起吊的強度載荷，以此開展吊梁的型面設計。在拆卸/擴展模塊各種組合條件強度均滿足要求的基礎上，以吊環豎直下方的起吊孔為中心，左右各間隔100mm為距離打起吊孔，留出安裝起吊附件至起吊孔的空余空間，實現擴展模塊的拆卸、起吊孔的變換，完成吊梁與不同產品間吊點間距的匹配性，解決了大跨度吊具起吊大吊點間距產品、小跨度吊具起吊小吊點間距產品的便攜性問題。

3.4.2 質心連續可調節吊耳設計

吊梁型面采用工字梁結構，以提高吊梁整體結構的撓度?；瑒拥醵ü潭ㄤN塊、固定銷、燕尾槽截面體，其中T型燕尾槽截面與吊梁工字梁截面匹配，并通過水平滑動可使滑動吊耳在吊梁上移動，滑動吊耳示意圖如圖5所示。固定銷塊在齒形槽內的最大調整間距設計為50mm，可確保吊梁起吊孔兩側均移動50mm覆蓋兩起吊孔之間的100mm間距。在調整吊耳位置過程中，首先滑動吊耳至起吊產品的吊點間距大概位置，然后插固定銷固定起吊孔與固定銷塊，最后采用固定銷塊在齒形槽內進行細微移動以精確調整起吊產品的吊點間距位置。同樣，可以采用相同操作，通過改變起吊孔、滑動吊耳固定銷塊的位置以適應不同狀態下產品的起吊重心，從而實現起吊產品的質心連續可調，確保軍用航天產品在吊運轉載過程中更平穩、安全。

4 試驗及應用情況

通用化質心可調式吊具生產完成后，對擴展模塊和基本模塊進行了組裝和拼接，在工字梁上套接了質心可調式吊耳。通用化吊具組裝完成后，擴展模塊和基本模塊組裝正常良好，質心可調式吊耳可在工字梁上自由滑動，且實現無極調距，當吊耳銷軸固定時可鎖定牢固。按照設計標準，吊具按1.5倍額定載荷進行了靜載試驗，吊具的承載件、主梁及各零部件無出現裂紋及變形；吊具按1.2倍額定載荷進行了起吊動載試驗，吊具的承載件、主梁及各零部件無出現裂紋及變形；通過適裝與各型產品的起吊組件匹配，拆卸/安裝擴展模塊，調節質心可調式吊耳在工字梁上的位置，可實現吊具與各型產品的協調匹配，實現各型產品的平穩起吊功能。通過上述各項靜載、動載及協調匹配試驗驗證，吊具的組合式調節、載重、無極式調節質心位置等功能均達到了預期效果。

5 結束語

在分析起吊產品的起吊方案、產品質量、吊點間距、質心與前吊點間距等特征基礎上，以安全可靠、通用化、模塊化思想為研制思路，采用基于模塊化思路的大小吊點間距設計、質心連續可調節吊耳設計兩項創新技術完成了通用化可調式吊具的方案設計，實現并驗證了一型吊具可平穩起吊三型航天相關產品的起吊功能。在不耽誤各型產品總裝、轉運、起吊工作的情況下，通用化質心可調式吊具能夠精簡總裝廠內各類地面輔助設備品種和數量，提高總裝廠房的工作效率，減少現有總裝廠房內地面設備的占地面積，對后續開展吊具的研制及相關地面設備的產品化工作具有一定借鑒意義。

1 張晨峰，蔡天驍，劉賽，等. 再入飛行器地面設備的產品化通用化研制模式探索與實踐[J]. 航天工業管理，2017(8)：97～99

2 邵健帥，馬廣亮，王南. 質心可調式重型水平吊具[J]. 起重運輸機械, 2017(11)：143～146

3 胡旭東，沈超. 850t偏心箱梁無級可調吊具的研究[J]. 工程機械，2017(2)：42～46

4 劉民，袁華亭，馬博. 一種彈箭吊具優化設計方法[J]. 導彈與航天運載技術，2010(3)：16～19

5 林玉堔. 國外地空導彈武器系統“三化”發展概述[J]. 航天標準化，2000(6)：38～43

6 吳進煌，朱家移，宋貴寶，等. 導彈保障裝備發展探討[J]. 飛航導彈，2004(9)：38～42

7 胡濤，呂瑞強，王雙川. 航空地面保障設備模塊化設計[J]. 裝甲兵工程學院學報，2016，30(5)：36～39

8 劉寶霞，范斌. 飛機地面保障設備的發展趨勢[J]. 沈陽航空工業學院學報，2000，17(2)：84～86

A Methodfor Designing UniversalizationRemovable Centroid Horizontal Sling

Cheng Yunjiang Zhao Pengfei Zhao Ri Jin Jing Fan Yi

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to solve the problem which sling is complex, one sling just lift one product and sling removes centroid hardly in the devices general assembly factory, this paper combines the development tendency of ground guarantee equipment, raises one kind of universalization removable centroid sling. Hanging beam modularity and removing centroid continuously are used in the sling’s design thought. A design scheme of universalization removable centroid horizontal sling is accomplished and the rigidity and intensity of universalization hanging beam are checked by Abaqus software and theoretical calculation. The sling can universally lift different products, which have suspension point distances and different weights. This paper can provide a new design thinking for slings and other ground equipment productization developing.

modularity；remove centroid continuously；universalization sling

2018-10-30

程運江（1989），碩士，機械設計專業；研究方向：飛行器總體設計。