崔秀君 陆征 朱文涛 王友龙

摘要：对筒体翻转进行了研究，为减少翻转时已加工坡口对钢丝绳的损伤，保证起吊工安全，设计了用于筒体翻转的工装卡勾。采用ANSYS软件对卡勾进行有限元分析，根据分析结果不断优化卡勾结构，确保翻转的安全性，并对卡勾进行验证试验，实现了筒体的顺利翻转，积累成功经验。

关键词：翻转卡勾;受力分析;有限元;验证试验

0引言

在压力容器的制造过程中，受机床结构的限制，在对筒体的两端坡口进行加工时，不能一次性完成加工，在加工完一端坡口后，中间需进行一次筒体翻转，进行另一端坡口的加工。

通常采用起吊天车上的吊钩，利用钢丝绳栓接筒体进行筒体的翻转，根据筒体的重量及标准GB8918-2006《重要用途钢丝绳》[1]选择钢丝绳的型号。由于完成坡口加工的筒体端面比较锋利，容易损坏钢丝绳，因此钢丝绳实际的起吊载荷无法确定，且没有相应的标准。因此对于大型筒体的翻转，须进行量身设计，保证翻转的安全性。

1工况分析

某筒体，直径为2m，高度为2.5m，材质为12Cr2Mo1R，壁厚为120mm，筒体重量约为15T。由于钢丝绳晃动，起吊方位，筒体重量等多重因素的限制，假设在筒体的两端各加一个工装卡勾进行筒节翻转，在卡勾上装配卸扣，钢丝绳一端通过卸扣与筒体相连，另一端与天车相连，通过调整钢丝绳的角度，实现筒体的翻转。

2工装卡勾设计

2.1受力分析

对设想的工装卡勾根据材料力学[2]进行受力分析，以筒体垂直起吊且悬空，并处于静止时的状态作为工装卡勾受力的极限状态。以此极限状态来对卡勾进行受力分析，从而确定卡勾的受力方向，大小，和作用点。

根据筒体的受力情况，列出筒体受力平衡与力矩平衡公式。并求解：

（1）筒体在竖直方向与水平方向上的受力平衡。

（F1+F4）cos51°+（F2-F3）sin51°=G

（F1+F4）sin51°—（F2-F3）cos51°=0

（2）筒体所受力矩平衡

（F1—F4）X3/2—（F2-F3）X2=0

（3）对以上等式进行求解，得：

F1=0.63G   F2=0.78G   F3=0   F4=0

2.2建模

初步確定卡勾的形状，采用SolidWorks软件[3]建模，并对模型进行初步的力学分析，不断优化力学模型，如下图所示。卡勾开槽宽度为120mm，可翻转筒体壁厚为90～120mm，且重量小于15T的筒体。

此次设计的卡勾翻转筒体的能力约为15T，根据起吊能力，选择与卡勾装配的卸扣的型号[4]（S-BX25-1 3/4），卸扣材质为合金结构钢，起吊能力约为15t，安全系数为5，待翻转筒体重量在卸扣的起吊能力范围内，满足使用要求。

2.3 ANSYS[6]有限元分析

以15T的筒节为例，采用上、下两个工装卡勾进行筒体的翻转，将起吊重量带入到之前的公式中计算出卡勾的受力情况：

上卡勾载荷为F1=94.5KN，下卡勾载荷为 F2=117KN，工装卡勾的厚度为60mm，工装卡勾选用的材质为12Cr2Mo1R，根据GB150.4-2011[5]此材质的其屈服强度为310Mpa，抗拉强度为520Mpa，弹性模量E=210 Mpa，泊松比μ=0.3，材料定义为理想弹塑性。

2.3.1 ANSYS[6]软件进行分析

（1）定义参数：定义单元类型为Plane82;定义单元实常数：根据选择的单元类型，定义厚度为：0.06m;定义材料参数：材料特性为线性、各向同性、不随温度变化，输入弹性模型值及泊松比。

（2）创建几何模型：由于模型比较复杂，在SolidWorks软件[3]中创建模型，之后导入ANSYS[6]软件中。

（3）划分网格：采用自动划分网格的模式，对模型进行网格划分。

（4）加载数据：添加约束条件及载荷，卡勾的开孔处定义为全约束，约束全部位移自由度;卡勾的下表面施加载荷，输入上、下卡勾的载荷值。

（5）求解：在求解模块中进行求解，计算完成后，出现提示信息。

2.3.2 结果分析

完成计算后，通过ANSYS[6]软件的后处理模块查看计算结果，通常查看应力分布图及位移变形图。

（1）上卡勾的有限元分析结果

根据分析结果显示：上卡勾的最大受力点位于两处圆弧部位，与实际情况相符。上卡勾所受最大应力约为209.864Mpa，根据卡勾的受力情况和其材料的屈服强度可计算其安全系数约为2.5;上卡勾的最大位移值为：6.33e-10m，上卡勾基本可以忽略变形。

（2）下卡勾的有限元分析结果

根据分析结果显示：最大的受力点位于卡勾的起吊处，符合实际情况。下卡勾所受最大应力约为253.848Mpa。由卡勾的受力情况和其材料的屈服强度可计算其安全系数约为2;根据分析结果显示：下卡勾的最大位移值为：8.52e-10m，下卡勾基本可以忽略变形。

（3）根据分析结果，上、下卡勾的最大应力均小于屈服强度，且变形基本忽略不急，因此上、下卡勾均满足要求。

2.3.3 结构优化

考虑实际翻转筒体时，为方便调整起吊方位，在工装卡勾的侧面、底部均钻螺纹孔，并配有吊环，协助角度调整。

3工装卡勾制备及验证试验

3.1工装卡勾制备

为了节约制造成本，可以采用库房边角料进行工装卡勾的制作，工装卡勾的厚度根据待翻转筒体的重量确定，由于库存边角料的厚度不确定，且工装卡勾的下料尺寸小等原因存在如下等制造难点：

（1） 边角料形状不规则：无法直接上立车装卡，需设计相应工装卡具。

（2） 下料面积小：导致在数控气割[7]的过程中，板料受热膨胀，产生串动，

使气割形状不规则。

3.1.1车床装卡工装

为解决不规则板料无法车床加工的装卡问题，采取了将板料点焊在圆形板材上的方案，顺利地将板料由83mm加工到60mm，由此满足了卡勾设计壁厚的要求。之后，气割去除装卡工装，气割后打磨去除清理熔渣。

3.1.2气割变形问题

（1）为保证加工精度，制作卡勾之前，设计卡勾的形状尺寸制备样板，根据样板进行板料划线;

（2）为防止板料在数控气割过程中受热窜动，使气割之后的板料形状规则，将板料与下料池点焊固定。

（3）为防止气割过程出现裂纹等缺陷，在气割前需充分预热，并在气割过程中适当降低气割速度（≤180mm/min）。顺利地解决了以上难题。

3.2验证试验

为了验证工装卡勾能否顺利实现筒体翻转，在各部门的配合下，进行筒体翻转实验。根据设计，采用两个卡勾，对筒体进行装卡，试验目的是将卧式放置的筒体翻转为竖直放置。

天车起吊钢丝绳，配合筒体的翻转，翻转时若出现钢丝绳的拉力与筒体的重力平衡时的角度，需调整翻转角度。可采用天车调整钢丝绳角度，若受天车轨道影响，可将下卡勾卸下，进行角度的调整。调整角度后，可以顺利实现筒体的翻转。

3.3结构改进

在进行验证试验时发现：卡勾在筒体内侧卡紧时，钢丝绳与完成坡口加工的筒体一端接触，容易造成钢丝绳的划伤。

为了避免从内侧穿入筒体时，造成钢丝绳的划伤，對工装卡勾的结构进行改进。在卡勾的两个圆弧处各焊接一圈钢管，代替筒体实现与钢丝绳的接触，有效的防止了钢丝绳的划伤。

4结语

借助ANSYS[6]有限元分析软件，对工装卡勾进行理论分析计算满足使用要求，之后进行验证性试验，顺利实现筒体的翻转，为不同规格的筒体翻转工装积累了经验。工装卡勾的使用，极大降低了在压力容器制造过程中对钢丝绳的损伤，保证筒体翻转的安全性，同时省时省力，提高工作效率，为类似筒体的翻转积累了成功经验。

参考文献：

[1]GB8918-2006，重要用途钢丝绳.

[2]刘鸿问.材料力学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]Solidworks软件.北京：亿达四方公司.

[4]GB/T25854-2010一般起重用D形和弓形锻造卸扣.

[5]GB/T 150.1-150.4-2011，压力容器[S].

[6]余伟炜，高炳军. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[7]段俊儒.浅谈数控火焰切割零件的工艺及质量控制[J].山西焦煤科技，2009.SI.