姜洪旗, 王廣超, 孫文, 王偉, 康文安, 吳偉
(1.山東核電設(shè)備制造有限公司,山東海陽(yáng) 265118;2.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心,山東海陽(yáng) 265118)
近幾年面對(duì)環(huán)境污染和能源短缺,國(guó)家對(duì)核電能源的開發(fā)越來越重視[1]。模塊設(shè)計(jì)理念引入到核電設(shè)計(jì)中[2],我們的產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)模塊種類多、形狀不規(guī)則、質(zhì)量大,不易進(jìn)行運(yùn)輸與翻轉(zhuǎn)[3],本文即是以結(jié)構(gòu)模塊為翻轉(zhuǎn)工件來設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)裝置。
對(duì)于超長(zhǎng)、超重件,傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)方式是采用多臺(tái)行車協(xié)同通過專用吊梁的鋼絲繩吊鉤與模塊上焊接的臨時(shí)吊耳配合翻轉(zhuǎn)的方法[4]。但該方法存在諸多問題:翻轉(zhuǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng),需要設(shè)置特定吊梁、臨時(shí)吊耳、防變形工裝、護(hù)角工裝以及附件的焊接拆除工作;翻轉(zhuǎn)費(fèi)力、效率低,吊點(diǎn)設(shè)置困難,吊車需協(xié)調(diào)作業(yè),同步操作難度大,工件慣性大、可控性差;翻轉(zhuǎn)效果差,工件易變形,易擦傷表面;易滑落掉件,存在較大安全隱患,這些缺點(diǎn)極大地限制了產(chǎn)能的提高[5]。
為了解決當(dāng)前結(jié)構(gòu)模塊工件吊裝翻轉(zhuǎn)的各種問題,實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的機(jī)械化,保證翻轉(zhuǎn)過程中模塊不變形,達(dá)到翻轉(zhuǎn)過程省力、安全、高效的目標(biāo),特設(shè)計(jì)本翻轉(zhuǎn)機(jī)。
圖2 一字型模塊
L型模塊(較大模塊)形狀如圖1所示,長(zhǎng)26.8 m,寬3.6 m,高4.6 m,重85.4 t。一字型模塊(較大模塊)形狀如圖2所示,長(zhǎng)25.8 m,寬4.1 m,高0.8 m,重40 t。
由于焊接、開孔等制造工藝的要求,結(jié)構(gòu)模塊等工件需要多次翻轉(zhuǎn)。對(duì)于L型工件,需要繞兩直角邊相交線旋轉(zhuǎn)90°;對(duì)于一字型工件需要從一個(gè)平面翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)平面,即翻轉(zhuǎn)180°。
對(duì)于不同長(zhǎng)度的工件選用不同組數(shù)的翻轉(zhuǎn)機(jī)組合,對(duì)于翻轉(zhuǎn)90°的工件只需固定式翻轉(zhuǎn)機(jī),對(duì)于翻轉(zhuǎn)180°的工件還需要移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)與固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)協(xié)同作業(yè)。
1.3.1 L型工件90°翻轉(zhuǎn)
L型工件90°翻轉(zhuǎn)只需要固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)就可以了,翻轉(zhuǎn)過程如圖3所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)在工位1吊入工件,翻轉(zhuǎn)機(jī)在鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下,旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到工位2,將工件吊離。
圖3 L型工件90°翻轉(zhuǎn)工藝
1.3.2 一字型工件180°翻轉(zhuǎn)
其翻轉(zhuǎn)工藝為:1)將模塊吊裝至固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)上,見圖4(a);2)幾臺(tái)固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)同時(shí)動(dòng)作,翻轉(zhuǎn)模塊90°,見圖4(b);3)移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)沿著軌道駛近固定式翻轉(zhuǎn)機(jī),見圖4(c);4)舉升裝置下降,移動(dòng)到模塊下面,然后上升,頂起模塊離開固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)工作臺(tái),見圖4(d);5)移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)平移離開固定式翻轉(zhuǎn)機(jī),見圖4(e);6)移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)90°,見圖4(f)。從而實(shí)現(xiàn)模塊的180°翻轉(zhuǎn)。
圖4 一字型工件180°翻轉(zhuǎn)工藝
翻轉(zhuǎn)機(jī)主要可分為以下幾個(gè)部分:CL型工作臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(電動(dòng)機(jī)、減速器、鏈條)。
制動(dòng)器是對(duì)設(shè)備的斷電保護(hù)裝置,當(dāng)斷電時(shí)使翻轉(zhuǎn)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。主電動(dòng)機(jī)帶有斷電抱閘制動(dòng)功能,電動(dòng)機(jī)斷電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T斷電=300 N·m。
作用到工作臺(tái)上的轉(zhuǎn)矩為
式中:i1為減速機(jī)的傳動(dòng)比;i2為鏈條的傳動(dòng)比[7];η1為減速機(jī)的傳動(dòng)效率;η2為鏈條的傳動(dòng)效率。
所以電動(dòng)機(jī)的斷電制動(dòng)足夠保證翻轉(zhuǎn)機(jī)斷電后停止,為了提高安全系數(shù),在翻轉(zhuǎn)機(jī)工作臺(tái)上添加兩臺(tái)制動(dòng)器。
制動(dòng)器產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩最少為72 492 N·m,則制動(dòng)器需要的壓力為
式中:查表得石棉橡膠與鋼的摩擦因數(shù)f為0.4~0.43[7],取0.4;R為制動(dòng)器離旋轉(zhuǎn)中心半徑,m;M為摩擦力矩,N·m。
由式(2)得需要彈簧力為
式中:L5為摩擦片距支點(diǎn)距離,mm;F4為制動(dòng)器需要的壓力,N;L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離,mm。
由于碟形彈簧具有剛度大、緩沖吸振能力強(qiáng)、小變形產(chǎn)生大載荷、可以變剛度、有多種組合方式等優(yōu)點(diǎn),所以選用碟形彈簧。
碟形彈簧選用的是慕貝爾180056,5組對(duì)合組合,每組對(duì)合組合由2組疊合組合構(gòu)成。
查樣本得當(dāng)S=0.75h0時(shí),碟形彈簧的載荷P為8978 N,
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)第3卷表11-6-5[7]知,碟形彈簧載荷為
式中:E為彈性模量,MPa;μ為泊松比;t為疊簧厚度,mm;K1為計(jì)算系數(shù);D為碟形彈簧外徑,mm;K4為計(jì)算系數(shù);f為單片碟形彈簧的變形量,mm;h0為碟形彈簧壓平時(shí)的變形量的計(jì)算值,mm。
計(jì)算得當(dāng)?shù)尚谐蘏=1.1 mm時(shí),載荷F=7986 N,彈簧組產(chǎn)生的支撐力為
式中,F(xiàn)為單個(gè)碟形彈簧的支撐力,N。
制動(dòng)器夾緊時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩為
式中:μ為石棉與鋼的摩擦因數(shù);R為制動(dòng)器到旋轉(zhuǎn)中心的距離,m;F3為彈簧組支撐力,N;L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離,mm;L5為摩擦片距支點(diǎn)距離,mm。
制動(dòng)器壓緊時(shí)的彈簧行程為5.5 mm,制動(dòng)器張開時(shí)的彈簧行程為6.375 mm,由得液力推桿產(chǎn)生的力為
式中:P為S=0.75h0時(shí)的單個(gè)碟形彈簧的載荷,N;L4為碟形彈簧距支點(diǎn)距離,mm;L3為推桿到支點(diǎn)距離,mm;L2為液力推桿到轉(zhuǎn)軸距離,mm;L1為推桿到轉(zhuǎn)軸距離,mm。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[7],選用Ed201/6的液力推桿,產(chǎn)生的推力為2000 N。制動(dòng)器張開時(shí)摩擦片到制動(dòng)面的距離為0.18 mm。經(jīng)計(jì)算一字型模塊對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,為
式中:m為模塊質(zhì)量,kg;a為模塊寬度,m;b為模塊厚度,m;L為模塊質(zhì)心到回轉(zhuǎn)中心的距離,m。
圖5 制動(dòng)器圖
由于翻轉(zhuǎn)180°的模塊需要將工件由固定式翻轉(zhuǎn)機(jī)上移動(dòng)到移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)上,所以需要舉升裝置。舉升裝置是由變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)舉升機(jī)從而實(shí)現(xiàn)工件的升降。需要翻轉(zhuǎn)180°的最重工件是一字型模塊,由三臺(tái)移動(dòng)式翻轉(zhuǎn)機(jī)同時(shí)翻轉(zhuǎn)。每臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)上有兩臺(tái)舉升機(jī)。則舉升機(jī)的選型為JWB 150US H300JIC-1。
總載荷為
式中:H1為重力到支點(diǎn)距離,mm;F為總支撐力,N;m為工件質(zhì)量,kg;g為重力加速度,N/kg;H2為舉升機(jī)到支點(diǎn)距離,mm。
計(jì)算總機(jī)當(dāng)量載荷為
式中:Wmax為總支撐力,N;f1為被驅(qū)動(dòng)設(shè)備系數(shù)。
計(jì)算得單臺(tái)當(dāng)量載荷W=71 718 N。
輸入功率校核和所需輸入功率計(jì)算:
輸入轉(zhuǎn)速為
式中:v為升降速度,m/min;L1為螺紋導(dǎo)距,m/r;i為減速比。輸入轉(zhuǎn)矩為
式中:W為單臺(tái)當(dāng)量載荷,N;L1為螺紋導(dǎo)距,m/r;i為減速比;η為綜合效率。
式中:T1為輸入轉(zhuǎn)矩,N·m;n1為輸入轉(zhuǎn)速,r/min。
參照基本參數(shù)表,Pmax=4 kW>P1,所以型號(hào)滿足要求。
圖6 舉升機(jī)受力圖
與輸入端相連的減速機(jī)為直連變頻減速機(jī)XWDV4.0-8115-8。該減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為253N·m,大于所需輸入轉(zhuǎn)矩29.8 N·m,小于升降機(jī)的容許輸入軸最大轉(zhuǎn)矩292 N·m;輸出轉(zhuǎn)速為136 r/min,比預(yù)定轉(zhuǎn)速慢一些,所以減速機(jī)滿足要求。
ABAQUS軟件是計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)中的重要軟件,大型通用有限元分析(FEA)軟件,能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)的分析,在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,分為幾何建模、劃分網(wǎng)格、施加載荷、求解、后處理等幾個(gè)主要步驟進(jìn)行[8]。對(duì)于翻轉(zhuǎn)機(jī)重要零部件需要ABAQUS應(yīng)力分析校核。
因?yàn)榕e升機(jī)大部分時(shí)間是在勻速緩慢運(yùn)動(dòng),所以按靜力學(xué)分析舉升機(jī)受力。經(jīng)理論分析,最大應(yīng)力是在銷軸與支板連接處,最大變形是在支腿中間位置。
所有部件的彈性模量設(shè)為209 GPa,泊松比為0.3,部件都是均質(zhì)實(shí)體。
由于舉升機(jī)構(gòu)支架剛度大,不用做應(yīng)力分析,對(duì)支腿進(jìn)行應(yīng)力分析,支腿的轉(zhuǎn)軸上表面承受壓力,計(jì)算得表面載荷為
式中:m為工件質(zhì)量,kg;g為重力加速度,N/kg;S為支腿轉(zhuǎn)軸上表面面積,mm2;n為支腿數(shù)量。
圖7 支腿載荷圖
圖8 支腿網(wǎng)格化分圖
圖9 支腿位移圖
圖10 支腿應(yīng)力圖
銷孔、連接板是按全部位移、轉(zhuǎn)角固定,如圖7所示。網(wǎng)格劃分選用的是修正的適合分析接觸問題的二次四面體單元C3D10M,在接觸處細(xì)化網(wǎng)格[9],如圖8所示。所有軸與孔的配合都是法向受力硬配合,切向摩擦因數(shù)為0.15的罰摩擦的面對(duì)面配合[10]。如圖9所示,支腿最大位移是1.8 mm,變形很小。如圖10所示,支腿最大應(yīng)力位于銷軸與支板接觸處,為426 MPa,Q420鋼滿足要求[11]。
最大應(yīng)力位置與最大變形位置與預(yù)想的相同。在滿足安裝空間的前提下,在銷軸與支板連接處焊接凸臺(tái)來增加強(qiáng)度。
本次設(shè)計(jì)致力于解決國(guó)內(nèi)超長(zhǎng)超重工件吊裝翻轉(zhuǎn)的各種缺點(diǎn),如效率低、安全性差,結(jié)合國(guó)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)大型工件的經(jīng)驗(yàn),提出一種90°/180°翻轉(zhuǎn)機(jī)[12]。該翻轉(zhuǎn)機(jī)適應(yīng)性廣,可一機(jī)多用、多臺(tái)組合,能極大地提高生產(chǎn)效率。
在設(shè)計(jì)過程中,廣泛借鑒前人研究[13],從眾多翻轉(zhuǎn)方案中確定了該翻轉(zhuǎn)方式[14],并對(duì)其翻轉(zhuǎn)L型工件90°和一字型工件180°的工藝過程進(jìn)行描述[15]。著重對(duì)制動(dòng)器、舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)重要零部件進(jìn)行了abaqus應(yīng)力分析校核,最后固化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制工程圖樣。