张 鑫 顾中华 王日杰 张中平 张 帅 张文龙

基于滚动环的贮箱吊运翻转工艺技术研究

张 鑫 顾中华 王日杰 张中平 张 帅 张文龙

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

研究了采用滚动环对推进剂贮箱吊运和翻转的工艺技术方法，获得了采用滚动环对推进剂贮箱吊运和翻转的螺纹结构强度校核方法，利用有限元方法分析了吊运和翻转过程较为危险工况下滚动环以及产品连接部位的结构应力，验证了某型号产品的结构可靠性，为吊运翻转方案的实施奠定了基础。

滚动环；推进剂贮箱；翻转

1 引言

在火箭燃料贮箱焊接完成后，大量作业需在具备贮箱滚转条件下进行，以满足人员作业可达性要求。同时，部分作业需在贮箱立式状态下进行，因此需进行贮箱水平和竖直状态的翻转吊装。现阶段，无论是滚转还是翻转均使用专门工艺装备完成，贮箱的滚转需要在贮箱两端安装滚动环，贮箱的翻转则需要在两端安装专用翻转吊挂。在贮箱生产过程中两状态间的切换均需反复拆装专用工装，不仅劳动强度大、耗时长、效率低，还容易损伤贮箱安装孔及螺纹紧固件，此外专用工装均需较大的资金投入。为此，本文研究了采用滚动环直接进行贮箱翻转的工艺可行性，研究该情况下螺纹结构件的强度校核方法，利用有限元方法分析了翻转过程中结构应力，从而为直接翻转提供可靠的工艺参数。

2 工艺过程分析

图1 滚动环吊装位置示意图

滚动环的吊装方式如图1所示，利用滚动环对贮箱翻转的过程如图2所示（图中贮箱使用“工”字型简易表示，上下两横代表贮箱前、后端框上安装的滚动环）。首先按图1方式连接滚动环，再吊起贮箱，移动吊钩，使前端侧缓慢上升，后端侧缓慢下降，实现贮箱由水平至竖直状态的转换。

图2 贮箱吊装翻转过程

该吊装翻转过程主要考虑三个方面：天车吊钩与滚动环吊孔之间的连接可靠性，即滚动环强度；滚动环与产品之间螺纹紧固方式的可靠性，即螺栓紧固件强度；产品与紧固件接触部位的结构安全性。

3 结构强度分析

3.1 受力分析

图3 贮箱翻转过程受力分析图

图2所示后端吊挂在中间的情况可视为后端吊挂在顶端的情况的极限形式，即后端吊挂吊点距离贮箱轴线的距离（通过下文/2 进行表征）为0的情形。因此，对后端吊挂在贮箱顶端的情形进行受力分析。分析简图如图3所示。建立竖直方向力平衡、水平方向力平衡、力矩平衡方程分别如下：

计算得：

其中，——贮箱重量，N；——贮箱前后端框滚动环之间的距离，m；——滚动环吊装孔分度圆直径，m；——后端贮箱吊挂与竖直方向的夹角；——贮箱轴线与水平面之间的夹角。

前端框与滚动环之间受力情况：

后端框受力分析：

3.2 螺栓强度校核

则螺栓受到的轴向力为：

当为负值时，

由图4可知，在贮箱翻转过程中，前端螺栓应力不断增大，最大应力出现在竖直状态下，后端应力则出现先下降后增加的趋势。当β增大时，后端应力将不断增大，前端应力将不断减少。因此，在贮箱翻转过程中，应保持较小的β，在预紧力满足要求的情况下，应在开始阶段使用较小的β，并在翻转过程中不断增大，但应小于10°。

表1 预紧力拟合系数1

表2 预紧力拟合系数2

图5 所需最小预紧力与/比值的变化图

本文中弯矩放大因子会因翻转结构的不同而不同。应采用合理的结构避免过大的弯矩放大因子。可以采用缩短螺纹紧固位置与吊点的距离，采用相对于吊点对称布置紧固位置的方式来有效降低该值。

3.3 滚动环强度分析

为分析滚动环的受力情况，按照某型号产品的滚动环结构，建立了如图6所示的有限元模型，其中滚动环厚度为10mm，在两侧斜边上施加竖直向下的载荷G，在中心圆下端表面施加约束，限制各自由度，两结构之间采用bonded接触方式，以此来对实际情况进行模拟。材料采用多线性模型，如表3所示。

图6 滚动环有限元分析模型

表3 有限元材料性能

模拟结果如图7、图8所示。由于采用了bonded接触方式，最大应力点出现在bonded接触点边缘，结果较为合理。进一步分析表明，增大滚动环厚度（由10mm加厚5～15mm）或者增大与吊钩接触部分滚动环的宽度（由图6中的8mm加宽4～12mm）可以显著降低受力，计算结果如图8所示。可见，最高应力均降低了约20%。

图7 10000N模拟结果应力云图

图8 应力与重力分量GL关系

由图8可知，在满足应力小于400MPa屈服强度的情况下，针对现有型号3350mm贮箱，该结构滚动环最大可以吊起1500×2=3000kg贮箱，相对于产品1000kg重量，具有较大的安全裕量。而局部进行加强，则可以极大限度地提升该结构的强度。因此，滚动环结构对于新的吊运翻转工艺的实施影响较小。

3.4 产品连接部位强度分析

图9 产品连接部位有限元模型

以某型号端框为例，建立模型并施加约束和载荷，如图9所示。其中加载面上采用上下同时施加载荷的方式，以简化模拟预紧力的影响，上方施加预紧力大小为17000N（该值为4.8等级M12螺栓的保证载荷的0.65），端框承受的贮箱重力在该结构处的分力G2，因此，下方施加力为17000N+G2。图中阴影面（B面）施加约束，限制所有自由度。计算结果如图10、图11所示。

图10 产品与螺纹紧固件接触部位应力云图

图11 最大应力与重力分量GL2关系

4 结束语

a. 后端贮箱吊挂与竖直方向的夹角增大时，后端螺纹紧固件应力将不断增大，前端螺纹紧固件应力将不断减少。在开始阶段应使用较小的，并在翻转过程中不断增大，但应小于10°；

b. 滚动环结构的安全裕度较大，可以在有限元分析结果的基础上，确定结构最大承载力，本文相关数据可作为后续确定承载力的基础；

c. 建立了采用滚动环对推进剂贮箱吊运和翻转的螺纹结构件在极限情况时强度校核方法，可用来计算所需最小螺钉数目，为该工艺的实施奠定了基础。当螺纹紧固件结构安全裕度较大时，通常采用的预紧力大于本文计算的预紧力，但整体螺纹结构件强度满足要求。本文所述方法亦可以用来进行贮箱专用翻转吊挂工装的设计校核。

d. 利用该方法，已实现了某型号3350mm和2250mm贮箱的翻转吊装，在保证产品安全的前提下，极大地提高了作业效率，节省了生产周期。

1 成大先. 机械设计手册·第2卷[M]. 北京：化学出版社，2007

2 Zheng Jingyang, Zhang Xin, Xu Ping, et al. Standardized equation for hydrogen gas compressibility factor for fuel consumption applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 141: 6610～6617

Research on Lift and Flip Process of Fuel Tank Based on Rolling Equipment

Zhang Xin Gu Zhonghua Wang Rijie Zhang Zhongping Zhang Shuai Zhang Wenlong

(Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

The lift and flip process of fuel tank based on its rolling equipment is studied in this paper. A feasible intensity checking method of the screw thread fasteners is obtained by theoretical and mathematic methods. And the structure safety of the rolling equipment and the fuel tank at the connection part is studied with the finite element method, and the good performance is testified, which proves the feasibility of the lift and flip process of fuel tank based on its rolling equipment.

rolling equipment；fuel tank；flip

张鑫（1989），硕士，化工过程机械专业；研究方向：推进剂贮箱检测技术。

2019-05-16