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]，同時作為載體的運載火箭發(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，大大提高了火箭的發(fā)射效率。星罩組合體（見圖1）是火箭保護衛(wèi)星的關鍵組成部分，星罩組合體整體結構為異形結構，且外表面平滑不允許損傷。星罩組合體各種組合狀態(tài)質心位置復雜不同。火箭在裝載衛(wèi)星發(fā)射前需要多次安裝、拆卸、轉運以滿足各種實驗要求。在火箭裝配過程中，需要水平轉運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，同時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方法基本有2種：一種是通過2腿索具直接與其捆扎連接，這種方式雖然結構簡單，但是起吊連接點位置不易控制且起吊點位置不易調節(jié)，吊運空間要求較大，水平吊運時不好控制其水平狀態(tài)，因被吊物結構的不規(guī)則性，整流罩的錐面容易與索具產(chǎn)生夾角或脫落，易對整流罩[5]表面造成損傷，吊運過程中也不容易對其水平狀態(tài)進行控制。

另一種是利用吊運工裝與星罩組合體連接，星罩尾端與剛性連接件連接，星罩前端通過柔性吊帶索具捆扎連接，找準吊具與被吊物質心位置，吊具與被吊物連接為一個整體進行試吊，調整起吊連接點位置[6]實現(xiàn)整體水平吊運。這種結構便于調節(jié)，能夠實現(xiàn)索具與星罩的垂直連接，同時能夠保證星罩的水平吊運。實際操作過程中更容易接受，應用比較廣泛。

本文提出一種吊運工裝的設計方案，在減少連接接觸的同時，通過改變吊運工裝不同模塊的連接結構實現(xiàn)不同的吊運功能；通過調節(jié)平衡梁上吊點的位置實現(xiàn)星罩組合體的水平吊運。

1 星罩組合體吊運工裝設計

1.1 結構

某箭星罩組合體結構如圖2所示，星罩組合體吊運過程中分為整流罩水平吊運、載荷倉水平吊運、四級運輸體水平吊運、星罩組合體水平吊運[7]4種狀態(tài)。從通用性、安全性、可靠性、平穩(wěn)性吊運的角度出發(fā)，對吊運工裝進行整體方案設計。吊運工裝需能夠滿足完成4種產(chǎn)品工況的水平吊運。

圖2 某箭星罩組合體結構

星罩組合體狀態(tài)吊運時，此時吊運工裝為完整結構，結構如圖3所示，調運工裝主要由端面適配器、平衡梁、移動吊點、延長梁、定向升降機構、配重、圓形吊帶等組成。

圖3 吊運工裝結構組成

端面適配器為主要剛性轉接受力結構，其結構主要由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對應開有多組連接孔，通過螺栓組與星罩組合體尾端可靠連接。星罩組合體前端通過圓形吊帶捆扎在錐形整流罩連接面上。平衡梁、延長梁設計為T形截面結構，平衡梁、延長梁通過螺栓組法蘭連接。移動吊點、配重對應開有T形孔與梁體T形截面配套。移動吊點、配重可沿平衡梁長度方向T形截面滑動調節(jié)，當移動吊點調節(jié)到被吊物的理論質心上方時，調節(jié)配重位置保證吊運工裝空載水平。端面適配器伸出的延長桿上端與平衡梁體4點螺栓連接。圓形吊帶與安裝在延長梁上的定向升降機構底部卸扣連接，卸扣可實現(xiàn)沿連接軸徑向擺動，以適應圓形吊帶與被吊物的連接位置。

以上結構組成吊運工裝的主體結構。定向升降機構與端面適配器沿梁體長度方向距離固定，移動吊點調整到位后，起吊移動吊點進行試吊，直到星罩組合體水平吊運為止。

為了保證星罩組合體整體水平起吊，吊運工裝與其前端連接設計為上下高度可調結構，如圖3所示。定向升降機構能夠解決星罩組合體起吊的水平狀態(tài)調整。

定向升降機構內部結構如圖4所示，其結構由升降桿、升降螺母、卡板、梁體、定向銷等組成。升降桿貫穿于整體結構，其上端帶有螺紋升降螺母連接，通過旋轉升降螺母帶動升降桿，實現(xiàn)升降桿沿梁體截面上下移動調節(jié)。升降桿下端帶有環(huán)眼，通過卸扣將圓形吊帶與升降桿連接為一個整體，升降桿光軸部位帶有直槽口，梁體上設有定位銷，通過定位銷限制升降桿旋轉方向的自由度，保證升降桿能夠豎直方向定向升降。

圖4 定向升降機構

1.2 不同水平吊運狀態(tài)的實現(xiàn)

通過吊運工裝不同模塊的組合實現(xiàn)不同吊運功能。如圖3所示此種狀態(tài)為星罩組合體水平吊運狀態(tài)，通過調節(jié)定向升降機構帶動捆扎圓形吊帶調節(jié)星罩組合體錐端高度，保證星罩組合體軸線處于水平狀態(tài)，實現(xiàn)星罩組合體水平平穩(wěn)吊運。

四級運輸體水平吊運狀態(tài)如圖5所示，此時吊運工裝主要由2個端面適配器、平衡梁、移動吊點、配重等模塊組成。端面適配器與平衡梁連接處開有長槽孔可實現(xiàn)沿平衡梁長度方向的距離微調，2個端面適配器的上端通過螺栓組與平衡梁可靠連接。此時吊運工裝整體為鋼性結構，端面適配器起力的傳遞作用。經(jīng)過仿真計算確定移動吊點位置并對吊運工裝配平，使移動吊點在吊具與被吊物組合質心的正上方，從而實現(xiàn)四級運輸體的水平吊運。

圖5 四級運輸體水平吊運狀態(tài)

整流罩水平吊運狀態(tài)如圖6所示，受整流罩外形結構的限制，整流罩只有一個連接面且自重較輕，故此狀態(tài)吊運工裝結構主要由1個端面適配器、平衡梁、移動吊點、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整體，此時平衡梁為懸臂梁受力狀態(tài)。經(jīng)過仿真計算使移動吊點在吊具與被吊物組合質心的正上方，從而實現(xiàn)整流罩的水平吊運。

圖6 整流罩水平吊運狀態(tài)

1.3 移動吊點位置狀態(tài)控制

在實際制作與操作過程中會存在著實際尺寸與理論質心位置的偏差，如吊點位置調整不好，吊運過程就變?yōu)榱似牡踹\，整個吊運過程將變得難以控制。吊運工裝與被吊物連接好后進行試吊，移動吊點的結構設計如圖7所示，平衡梁體采用T形截面設計，移動吊點對應開有T形孔與梁體T形截面配套，限制移動吊點沿梁體截面方向自由度。實現(xiàn)了平衡梁體上端移動吊點的無級可調，移動吊點調整到位后利用壓緊螺栓與平衡梁之間的摩擦力，限制其沿平衡梁長度方向的自由度，對移動吊點定位，防止移動吊點水平方向竄動。通過連接卸扣將吊環(huán)與移動吊點上的連接孔可靠連接，從而實現(xiàn)吊具工裝吊點沿平衡梁長度方向的移動調節(jié)功能。

圖7 移動吊點結構

1.4 使用效果及經(jīng)濟效益

此吊運工裝的模塊化設計，減少了火箭現(xiàn)場裝配吊運的吊具數(shù)量，依據(jù)各工況理論數(shù)據(jù)按圖示進行吊運工裝快速變形組裝。提高了吊具的使用效率同時提高了火箭的裝配效率，利用移動吊點的位置可調功能，輕松解決了不同工況質心位置變化的問題，星罩組合體的前端與后端與吊運工裝垂直連接，利用定向升降機構實現(xiàn)了星罩組合體前端高度調節(jié)功能，滿足了星罩組合體水平吊運的要求，同時減少了對被吊物表面的損傷。

火箭裝配過程中需要多次轉場實驗，通過模塊化吊運工裝設計，只需1套吊具即可實現(xiàn)整流罩水平吊運、載荷倉水平吊運、四級運輸體水平吊運、星罩組合體水平吊運4種工況。整套產(chǎn)品1套吊具1個包裝箱即可完成多種工況的吊裝和運輸，減少了現(xiàn)場的管理工作，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)濟指標的角度出發(fā)，以往的吊具每種工況都需要配備1套吊具，如滿足上述星罩組合體的裝配至少需要4套吊具，同時需要更多的人力來實現(xiàn)安全吊運。采用模塊化吊運工裝只需1套吊具即可實現(xiàn)所需工況吊運，即減少了吊運成本也減少了人員成本。

2 力學性能分析

整體結構中端面適配器與移動吊點為關鍵受力件，端面適配器主要結構采用低合金高強度結構鋼焊接而成，移動吊點采用合金結構鋼熱處理加工。模型采用SolidWorks軟件進行建模，簡化處理并導入Ansys軟件Workbench工作平臺進行仿真[8]分析前處理和運算。吊運工裝離散化為一個有限元分析模型。分析模型采用彈性模型，單元類型采用實體四面體單元或六面體單元劃分網(wǎng)格,單元數(shù)25 228個，節(jié)點數(shù)52 321個。所有結構間接觸類型為綁定接觸。

以某星罩組合體產(chǎn)品參數(shù)進行吊運工裝加載約束，假設星罩組合體自身強度足夠，且直徑為1 800 mm，自重1 t，星罩組合體尾部端面有多個法蘭螺栓連接孔，將移動吊點調節(jié)到合理位置，選取吊運工裝水平狀態(tài)進行分析，對螺栓連接孔和升降桿連接孔進行固定支撐約束，添加吊運工裝自重，對移動吊點施加向上載荷10 000 N。

分析結果吊運工裝應力分布如圖8所示，變形分布圖如圖9所示。由圖可以看出，最大應力出現(xiàn)在平衡梁與移動吊點截面處。從整個分析結果可以看出吊運工裝關鍵受力結構在負載狀態(tài)下，強度和剛度可以滿足設計標準安全系數(shù)大于3的要求。最大應力為91 MPa，最大變形為1.29 mm。通過對比確認，有限元仿真結果與實際工況相近，可以反映吊運工裝真實受力情況。

圖8 星罩組合吊運工裝應力分布圖

圖9 星罩組合吊運工裝變形分布圖

3 結語

本文設計了一種星罩組合體模塊組裝通用吊運工裝，給出了該工裝的設計原理及結構形式，并對工作狀態(tài)進行了展示。其解決了吊運過程中因質心變化難以實現(xiàn)被吊物水平吊運的問題。通過有限元分析找到了吊運工裝的關鍵受力點，并對其進行了后處理解析，驗證了吊具的強度和剛度，保證了吊運工裝的安全性、平穩(wěn)性和實用性。通過吊運工裝的不同模塊組合實現(xiàn)了火箭多種工況的水平起吊，大大降低了工裝成本，同時減少了吊運工裝的種類和數(shù)量，提高了現(xiàn)場吊運效率。依據(jù)此設計原理，可改變工裝連接尺寸，對同類型產(chǎn)品可進行系列化設計，適應不同火箭星罩組合體的裝配需求。