封头的起吊翻转技术研究

陈 霞

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046012)

0 引言

在大型装备制造企业中，封头作为大型压力容器的重要组成部分，需要大批量地进行加工。对封头的复杂外球面进行加工时，在各个加工工序间转运都会用到封头的起吊翻转。封头的起吊翻转技术直接影响到封头的加工效率和车间操作工人的生命安全。当前，封头的起吊翻转主要通过天车和钢丝绳索具将待加工件吊至机加工位，此方法简单粗放，未充分考虑封头的重量，难以保障车间工人的生命安全，且生产效率低，不能满足现代化的生产需求。

本文充分考虑封头的典型结构特征，简化三维模型，基于有限元分析软件，对封头的起吊翻转技术进行了研究，并设计了一套封头起吊翻转机构。

1 封头起吊翻转机构总体方案设计

使用三维建模软件UG实现封头起吊翻转机构的总体方案设计，封头起吊翻转机构总体方案示意图如图1所示。

封头起吊机构主要由两个夹紧装置5、限位装置6、左右旋螺杆4、吊梁2、起吊耳1和手轮3等组成。两个夹紧装置结构相同，左右对称布置，通过夹紧装置上夹紧块7将封头外球面夹紧固定，两个夹紧装置通过吊梁、左右旋螺杆连接；限位装置与夹紧装置固定连接；吊梁为圆形钢管结构，吊梁两端与夹紧装置连接，吊梁中部一侧与起吊耳连接，一侧与左右旋螺杆通过限位块紧固连接，吊梁与左右旋螺杆平行设置；左右旋螺杆两侧均为梯形螺纹，旋向相反，旋合长度相等；手轮轴向固定在左右旋螺杆的一端。

封头翻转机构与起吊机构零部件组成结构相同，当封头起吊机构吊至所需加工工位时，将限位装置6中的限位销从夹紧块7的销孔中拔出，使封头与夹紧块处于自由状态，手动拨动封头，使封头绕旋转轴转动，实现封头45°旋转，如图2所示。

1-起吊耳；2-吊梁；3-手轮；4-左右旋螺杆；5-夹紧装置；6-限位装置；7-夹紧块；8-旋转轴

图2 封头45°翻转示意图

2 封头起吊翻转试验

2.1 起吊翻转机构工作原理

封头从毛坯的存放区到加工工位，封头起吊翻转试验需要完成对封头的夹紧、限位、起吊、旋转四个过程。

(1) 通过摇动左右旋螺杆一端的手轮，使两个夹紧装置同时在螺杆上向中间移动，通过夹紧装置上的夹紧块同时夹紧封头的两端，然后继续摇动手轮，使夹紧装置继续向中间移动，最后将整个封头夹紧固定。

(2) 封头夹紧后，通过将两个限位装置的限位销先后插入夹紧块的限位孔中，使夹紧块不能旋转，从而限制封头的轴向旋转。封头在待加工区时，大端朝上、小端朝下放置；在机加工位时，小端朝上、大端朝下放置。

(3) 使用天车与起吊耳相连，通过起吊翻转机构将封头垂直吊离地面距离约1 m后，使起吊翻转机构在空中静置3 min，然后使用天车起吊翻转机构至加工工位。

(4) 将封头吊具吊至加工工位后，将限位装置的限位销从夹紧块孔中抽离，并将限位销旋转固定，使限位销不能与夹紧块发生干涉，利用封头的自重对封头进行旋转到所需角度，对封头所需加工面进行加工。

2.2 起吊翻转试验

为了验证起吊翻转机构设计方案的安全可靠性，对起吊翻转机构做了静载和动载试验。

2.2.1 起吊翻转机构静载试验

将起吊翻转机构夹紧封头后，垂直提升至离地面约200 mm高的位置，持续15 min，然后把封头平稳地放置于存放区，将起吊翻转机构拆卸后进行检查，使用焊缝探伤工具检查焊缝是否有裂纹和受力关键部位的变形情况。试验结果表明：起吊翻转机构未出现裂纹、永久变形，连接处未出现异常松动或损坏，静载试验合格。

2.2.2 起吊翻转机构动载试验

做动载试验时，把加速度、减速度和速度控制在正常的工作范围内，利用起吊翻转机构以上升不大于3 m/min、下降不大于2 m/min的升降速度将封头提升至离地面约为2.5 m～3 m的高度，然后降至地面，在下降过程中制动3次。上述试验过程重复3次，然后卸载对起吊翻转机构的焊缝、结构变形和连接松动情况进行检查。试验结果表明：起吊翻转机构无松动和损坏，各项参数达到预期要求，动载试验合格。

3 关键件的方案设计

3.1 关键件的结构设计

起吊翻转机构需实现起吊时封头的限位，并通过吊具的翻转，实现封头多方位多角度的加工。针对起吊限位和翻转的技术难点，对起吊翻转机构中的关键件——限位装置和夹紧块结构进行了方案设计。

限位装置结构示意图如图3所示。限位装置由限位套筒2、限位销4、弹簧5和堵板3组成，对限位装置进行装配时，先将限位套筒固定连接后，再将限位销插入限位套筒内，弹簧与限位销固定连接，最后用堵板与限位套筒固定连接，弹簧的伸缩量与限位销插入夹紧块孔内所移动的距离一致，堵板为十字键槽结构，当限位销插入夹紧块孔内后，再将限位销上的转动手柄插入十字键槽内，实现封头的旋转限位，翻转时，将限位销从夹紧块孔中拔出，可实现夹紧块的多角度旋转功能。

图4为夹紧块结构示意图。夹紧块内侧为凹形球面结构，与封头装配连接，起吊时封头要与夹紧块同时转动，须保证夹紧块与封头的质心重合。

3.2 关键件的有限元分析

为了验证起吊翻转试验的安全可靠性，简化起吊翻转机构模型，使用Workbench有限元分析软件对起吊翻转机构的关键件吊梁和起吊耳进行了有限元分析。

1-夹紧块；2-限位套筒；3-堵板；4-限位销；5-弹簧；6-旋转轴

图3 限位装置结构示意图 图4 夹紧块结构示意图

3.2.1 吊梁和起吊耳的网格划分

吊梁和起吊耳属于焊接结构件，而在有限元分析软件中是对体网格的划分，因此需简化计算模型，将吊梁和起吊耳间焊缝进行填充，对吊梁和起吊耳采用四面体网格划分，并对吊梁两端和中间的结合部位进行局部网格加密处理。吊梁和起吊耳网格划分示意图如图5所示。

3.2.2 吊梁和起吊耳的有限元分析

吊梁和起吊耳承受竖直向上的拉力3 000 N，选用Q345A的材料。分析得到的吊梁应力云图如图6所示。

图5 吊梁和起吊耳网格划分 图6 吊梁应力云图

从图6可以看出，吊梁的最大应力位于起吊耳与吊梁相交位置的两端，最大应力为32 MPa,Q345A材料的屈服应力为345 MPa,强度安全系数为10.1，满足封头起吊翻转要求。

4 结束语

通过对封头起吊翻转机构的难点进行分析和研究，提出最优化起吊翻转方案，设计了合理的起吊翻转工艺装备。封头起吊翻转机构同时实现了夹紧、起吊、限位和旋转等多种功能，使得封头的加工转运能顺利进行。

对起吊翻转机构进行了多次静载和动载试验，试验结果符合预期要求。起吊翻转试验证明，该封头起吊翻转机构结构简单，功能呈现多样性，能较好地保证封头的加工和转运，可缩短起吊翻转周期1/2，提高了生产效率。