大型運載火箭環縫焊接自動安裝機的簡約可靠設計

趙　婷，劉　更，倪江濤，張展智，徐振亮ZHAO Ting，　LIU Geng，　NI Jiang-tao，　ZHANG Zhan-zhi，　XU Zhen-liang（.西北工業大學 機電學院，西安 7007；.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 00076；.首都航天機械公司，北京 00076）

大型運載火箭環縫焊接自動安裝機的簡約可靠設計

趙婷1，2，劉更1，倪江濤3，張展智2，徐振亮2
ZHAO Ting1，2，LIU Geng1，NI Jiang-tao3，ZHANG Zhan-zhi2，XU Zhen-liang2
（1.西北工業大學 機電學院，西安 710072；2.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076；3.首都航天機械公司，北京 100076）

針對新一代大型運載火箭環縫總裝焊接，研究其多功能自動安裝機的簡約可靠性設計方案。該安裝機完成5m貯箱筒段、短殼和球形底、下架托架及部分夾具的精確翻轉和安裝工作。提出了該大型裝備的簡約設計方案，此外，基于建立的整機的非線性有限元模型進行了整機剛度和強度分析，充分驗證了多功能自動安裝機的結構合理性和運行可靠性，從而為大型非標裝備的設計提供了重要的設計思路和參考依據。

多功能自動安裝機；簡約；可靠；精確翻轉；有限元

0　引言

自動安裝設備是未來國家重大裝備發展的必須裝備，經過多年來的研究與開發，我國在自動安裝設備方面有了很大的進步，但與國際先進水平還有一定差距［1］。隨著自動安裝設備的不斷發展，航天、航空等領域的地面重載裝配領域將成為自動安裝設備應用的廣闊天地［2，3］。隨著計算機技術、微電子技術等的快速發展，以及重大裝備的精確化、輕量化、高可靠性、靈巧性的要求，開發多功能自動安裝機代替人力去從事航天領域重載裝配工作具有重要意義［4，5］。

多功能自動安裝機是新一代大型運載火箭環縫總裝焊接裝備的一個關鍵子裝備，是一套機械化、自動化程度高、操作靈活方便且運行安全可靠的安裝設備。在生產過程中，要完成5m貯箱筒段、短殼和球形底90°精確翻轉，不能采用吊運裝卸，同時，多功能自動安裝機的采用還是提高生產效率、實現自動化生產、降低工人勞動強度的重要措施，據此，本文針對該大型裝備的簡約可靠的設計方案和性能分析進行了深入、系統的研究，并成功應用在了工程實際中。

1　多功能自動安裝機總體簡約設計方案的提出

多功能自動安裝機的結構示意圖如圖1所示，包括行走機構、調整機構、旋轉機構和夾緊機構等，來實現為沿著主床身運動的各部件安裝產品及機床附件等的功能。行走機構下表面通過直線導軌與輔助床身連接，用于安裝機沿輔助床身的縱向運動。調整機構主要包括底箱和立柱兩部分。底箱下表面通過直線導軌與行走機構連接，用于夾緊機構的前后調整，上表面與立柱連接。立柱高4米，由兩個單體立柱、橫梁、絲杠和配重機構等組成。旋轉機構主要用于實現夾緊機構的360°旋轉運動。夾緊機構用于固定要裝卸的產品和機床附件，根據不同的被夾持物選裝不同的夾緊機構。多功能自動安裝機的材料性能如表1所示。

1）采用模塊化設計。由于需要裝卸產品和機床附件等，需求較多，設計了兩套夾緊機構，可根據不同的被夾持物選裝不同的夾緊機構，更換靈活方便，適應能力強。

2）改變傳統的下端固定、上端游動方案。由于絲杠的長徑比很大，絲杠軸承的支撐方案設計為上端固定、下端游動，從而使絲杠受拉，有效地避免了絲杠的彎曲變形。

3）采用定滑輪、配重機構有效地減小了升降機構的體積和驅動力矩。

4）升降機構設計為滾輪導軌式結構，不僅便于安裝和調試，而且能夠避免由于直線導軌及滑塊因受彎變形而卡死，進而提高其運行穩定性。

表1　材料的力學性能和物理性能

圖1　多功能自動安裝機的結構示意圖

2　非線性整機有限元模型的建立

2.1單元劃分密度的確定

劃分網格是建立有限元模型的一個重要環節，所劃分的網格形狀對計算精度和計算規模將產生直接影響［6，7］。結合赫茲接觸理論作為劃分網格的依據。

根據赫茲接觸理論［8］，半接觸寬度為：

其中：

《蘭納克》是一次尋根之旅，是一個民族主義者和小說家表達對本民族命運關切的特有方式，同時它也是一個政治諷喻，以魔幻現實主義的方式呈現了內受經濟衰退困擾、外逢強權政府壓制的蘇格蘭社會狀況，它更是整個西方工業社會的寫照，揭示了現代城市生活各種狀況的根源。在這部具有強烈“反烏托邦”色彩的小說中，格雷以諷刺的手法表達了對個人命運的關切和對社會政治經濟的不滿，批判了整個西方的政治意識形態。

E1、E2和1υ、2υ 分別為圓柱體與平面的彈性模量和泊松比，R為圓柱體的半徑，P為單位線長度載荷。

根據式（1）計算出接觸半寬，以接觸半寬的1/5作為升降機構中滾輪與導軌接觸位置局部區域的單元劃分長度，此時該位置的單元密度較為合理，計算結果較為準確，計算效率較高。

2.2整機有限元模型的建立

由于行走機構的末端是懸空的，因此當底箱運動到其最末端時，行走機構產生的變形最大，當夾緊機構移動到立柱最高點時，立柱的受彎變形最大，因此對底箱運動到行走機構最末端而夾緊機構移動到立柱最高點這一位置狀態進行有限元分析，整機的非線性有限元模型如圖2所示。

圖2　多功能自動安裝機的有限元模型

3　整機的有限元分析與實驗測試

3.1整機的強度有限元分析

行走機構、底箱、立柱、四組滾輪組、旋轉機構、夾緊機構的等效應力分布如圖3所示。從圖3（a）中可見，最大值為16.072MPa，發生在其與右端支撐滑塊相對應的位置。從圖3（b）中可見，最大值為13.294MPa，遠小于材料的許用應力，發生在立柱墊板的前端，這是由于其上端各結構的重心靠近此位置造成的。從圖3（c）中可見，最大值為18.006MPa，發生在立柱頂端配重機構的滑輪支座處，是由旋轉機構、夾緊機構和配重塊的重力造成的。從圖3（d）中可見，最大值為265.916MPa，發生在右上和左下兩組滾輪與導軌的接觸位置，是由與導軌接觸受壓造成的，這四個滾輪桿上的應力值也較高。從圖3（e）中可見，最大值為207.177MPa，發生在右上和左下兩組滾輪的安裝孔側壁上，是由此四個滾輪桿彎曲變形后接觸到孔壁造成的。從圖3（f）中可見，最大值為81.765MPa，發生在夾爪根部的變截面處，是應力集中造成的。綜上可見，安裝機上所有關鍵的零部件在最惡劣工況下工作的最大等效應力均小于許用應力，強度是滿足要求的，其中，四組滾輪組和旋轉機構的最大等效應力較大。

圖3　安裝機的關鍵零部件的等效應力分布

3.2整機的剛度有限元分析

安裝機沿垂直方向位移和旋轉機構、行走機構和底箱、立柱的綜合位移分布如圖4所示。從圖4（a）中可見，由于被夾持物的重力和絲杠對旋轉機構的支持力構成的力偶、旋轉機構和夾緊機構的重力和鋼絲繩的拉力構成的力偶均由滾輪導軌機構來承擔，因此立柱將受彎變形，而且旋轉機構的滾輪與導軌的接觸位置將產生彈性變形，所以夾緊機構和旋轉機構隨著立柱彎曲而旋轉的同時還繞著滾輪導軌機構自轉，因而沿垂直方向位移主要體現在夾緊機構上，最大位移量為7.445mm，發生在夾緊機構的末端。從圖4（b）中可見，由于夾緊機構和旋轉機構隨著立柱彎曲而旋轉的同時還繞著滾輪導軌機構自轉，因此旋轉機構的旋轉中心并不在滾輪組的中間位置，而在旋轉機構下方，是兩個旋轉趨勢綜合作用的結果，最大位移量為1.320mm，在其心軸末端。從圖4（c）中可見，產生了繞右端支撐滑塊逆時針旋轉的趨勢，這是由于立柱受彎矩作用引起的，最大位移量為0.060mm，在行走機構最右端，變形量很小，驗證了行走機構和底箱的剛性良好。從圖4（d）中可見，由于立柱受到彎矩作用，產生了繞行走機構右端支撐滑塊逆時針旋轉的趨勢，最大位移量為0.883mm，發生在立柱頂部，由于立柱較高，則變形量相對較小，證明了立柱的剛性良好。綜上可知，多功能自動安裝機安裝下架托架狀態的剛度良好，滿足設計要求，從而驗證了多功能自動安裝機的結構性能良好，可安全使用。

圖4　安裝機的關鍵零部件的變形分布

3.3整機的實驗測試

所研發的多功能自動安裝機如圖5所示，通過測試，滿足設計要求，具有良好的強度和剛度。最大變形量滿足工程需要，變形略比計算結果稍大，最大誤差小于15%，這是由于在計算中略去了一些細節和近似剛性連接造成的。綜上可知，所提出的設計方案是可行的，該安裝機的強度、剛度的非線性有限元分析是準確的。

圖5　多功能自動安裝機

4　結論

本文針對新一代大型運載火箭環縫總裝焊接多功能自動安裝機，完成工作如下：

1）提出了該自動安裝機的總體結構方案，該多功能自動安裝機包括行走機構、調整機構、旋轉機構和夾緊機構等，可實現三向直線運動和一個旋轉運動，完成5m貯箱筒段、短殼和球形底、下架托架及部分夾具的精確翻轉和安裝工作。

2）建立了該自動安裝機的整機的非線性有限元分析，考慮了關鍵零部件中的非線性接觸關系，并基于赫茲接觸理論給出了單元劃分準則，對整機進行了較為經濟的有限元單元的劃分，有效地提高了計算精度和計算效率。

【】【】

3）基于建立的非線性有限元模型，對該自動安裝機進行了強度和剛度分析，計算結果通過實際測試，有效地驗證了計算結果的準確性。

本研究為靈巧大型裝備的設計提供了重要的實踐依據。

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Simple and reliable design and performance of the automatic installing machine for the circumferential seam welding of large launch vehicle

TH12

A

1009-0134（2016）06-0040-04

2016-03-27

國家自然科學基金項目（51275423）

趙婷（1980 -），女，天津人，高級工程師，博士研究生，研究方向為飛行器結構設計和結構可靠性等。