某型導彈吊架的國產化設計研究

姜廣順 李成龍 馮云/ 軍藍科技集團總公司 大連長豐實業總公司

0 引言

隨裝引進的某型吊架與吊車或吊鉤狀態的裝填車配合工作，用于裝卸帶（或不帶）導彈架的導彈，以及在發射裝置上進行裝（退）彈操作。吊具使用情況顯示，該型吊架的一些關鍵部位（如吊環組件、多孔吊梁、前后彎梁、士字座等）隨著使用年限的增長存在安全隱患，主要表現為：

1）由于長時間使用易造成金屬疲勞等因素，吊架大梁、士字座扭轉部分、前后彎梁等部位產生變形，導致一些關鍵尺寸變化超差，影響了正常的裝（退）彈工作。

2）吊環軸、多孔吊梁的孔位、滑軌、大小彎把插銷、吊架止動裝置等部位容易磨損，磨損量達到一定程度時，繼續使用存在安全隱患。

3）前后彎梁、銷軸、聯結吊環、吊鉤等一些應力集中的部位或焊道，長期頻繁使用后產生裂紋，補焊會導致金屬內部應力分布不均，腐蝕嚴重時會產生焊道脫落，發生安全事故。

為保證裝備及人員安全，有必要對其進行國產化測仿，研制出滿足部隊使用要求的國產化產品。

1 國產化吊架的選材及工藝處理

隨裝引進的吊架是由工字梁、前后彎梁等焊接而成的金屬架，如圖1 所示。

國產化吊架沿用原吊架的框架梁形式。為保證國產化吊架的安全性能要求，在專業檢測中心進行了原吊架的材質檢驗。根據檢測結果，選擇國產材料手冊中結構強度和焊接性能不低于原吊架的材料作為國產化吊架的制作材料。同時，對選用的主要材料進行了材質化驗，以確保使用的材料符合設計要求。主要部件的選材及工藝處理要求如 下。

1）工字梁

工字梁由2根一字梁和方錐臺組成，形成一個3440mm×1695mm 的大“工”字，是吊架的主體結構。采用Q345A鋼加工制作，以保證足夠的強度和剛度。一字梁內有7 根加強筋預焊其中，方錐臺中縱向有6 根加強筋、橫向有3×2 根加強筋（對稱）預焊其中。一字梁與方錐臺相互插配后再焊接，使一字梁形成10 根加強筋。

2）吊環及吊環組

吊環及吊環組是連接起重設備和吊架的關鍵件，要求有足夠的強度和剛度。吊環組件和門字件選用38CrNi 鋼、軸選用40Cr鋼機械加工而成，經熱處理后，獲得較高強度、硬度，有較好的韌性。

圖1 某型吊架的組成結構

3）多孔吊梁

多孔吊梁共5 根，根據長度可分為兩種，根據孔的數量可分為三種，且保持對稱分布。用20 號鋼進行鍛制再機械加工，合格后縱向焊于方錐臺中部。5 根吊梁多孔可選，有多種起吊組合方式。

4）爪鉤

爪鉤是吊架工作時抓起導彈的主要部件，選用40CrNi 鋼，經鍛造加工、熱處理、機械加工而成。

5）折疊臂

選用5mm 低合金高強度Q390E 鋼板，與預先加工成型的套筒、臂頭等焊接而成。

6）士字座

前后彎梁下方的士字座由5mm 低合金高強度Q390E 鋼板與預先加工成型的套、把手、梅花套筒等零件焊接而成。裝于前后彎梁的下方，形成“腿”，裝卸導彈時起定位支撐作用。

7）絲杠、連桿

絲杠、連桿用40Cr 鋼，經熱處理、機械加工而成。

8）軸、連桿

連接爪鉤、滑軌的軸與連桿，選用40Cr 鋼，經熱處理、機械加工而成。

原材料需進行入廠復驗無損探傷，以便及時發現原材料的內部缺陷；在工藝文件中明確規定原材料入廠復驗環節，粗加工工序后進行超聲探傷[1]。鍛件、焊接件、熱處理件及關重件，應按圖樣和相關標準進行磁粉探傷檢查；所有結構件應進行發藍處理；對零（部）件金屬鍍覆、梁體噴底漆和面漆進行表面防護。

圖2 爪吊最大應力在爪處

圖3 腿吊的最大應力和爪吊的次大應力在背面的中部

表1 有限元計算的數據

2 吊架承載能力的有限元分析

吊架在起吊過程中需承受起吊物的重力、自身重力和過載載荷，為確保吊架具有足夠的強度和剛度，在滿足起吊過程安全有效承載要求的同時減輕吊具自身重量，需對吊架開展結構強度計算分析。有限元分析法對解決機械結構的靜力和動力問題非常有效[2]。

吊架有兩種起吊方式：一種是爪吊，使用爪鉤抓住重物起吊；一種是腿吊，使用折疊桿通過支架承載重物起吊。爪處固定，在13/3 孔處加力，建立爪吊的有限元計算模型；腿處固定，在11/3 孔處加力，建立腿吊的有限元計算模型。由計算結果可見，爪吊最大應力在爪處，見圖2。腿吊的最大應力和爪吊的次大應力發生在背面的中部，見圖3。整理的吊架關鍵點應力值見表1。

圖4 測點的布置圖

根據位置1 處吊架的材料Q345A，可以用公式S=σs/σ 計算安全系數。這里σs為材料Q345A 的屈服點，取值為455MPa，σ 為根據工作載荷計算或測量的危險點的應力。按計算數據計算的安全系數見表2。

由計算結果得出，吊架的安全系數為4.84，符合QJ 2472.1-93《吊具通用技術條件 梁式吊具》中對Ⅰ級吊具（吊具安全系數不小于3）的要求。

表2 位置1的有限元分析數據與測量數據的比較

3 技術難點的解決途徑

1）承載強度的計算和試驗

按照設計指標和功能要求，首先對設計圖進行三維設計轉化，在三維模型的基礎上進行裝配仿真，分析驗證設計數據和工藝性；對三維模型進行轉換，建立有限元分析模型，開展靜剛度和靜應力分析，并三維顯示隨載荷增加的吊架變形情況和應力分布。根據分析計算的結果，計算安全系數，分析安全程度。在此基礎上，確定關鍵部位，并測試關鍵部位的應力與變形，進而核算實際吊架的安全系數。

2）合理的加工工藝保證加工精度

吊架外形尺寸大、結構復雜，在加工設備受限的情況下，為了保證吊架的加工精度，采取了保單件精度即以局部保整體的加工方法。例如，工字梁兩端的法蘭盤暫不焊在工字梁上，而是在對接前后彎梁時焊接。先用螺釘對接好，固定在彎梁上，將兩彎梁裝在綜合胎模上，待2 個對邊尺寸和對角線尺寸調整好后再焊上工字梁，這樣既省去了大件尺寸的精細加工，又保證了精度要求。

3）解決焊接變形問題

吊架主體結構僅工字梁長度就為3340mm，全部由鋼板焊接而成，如何解決焊接變形成為問題的關鍵。為此，設計了一套對稱且可翻轉的組合夾具。先將大梁零件固定在夾具上，再將夾具平放在支座上，調整零件的位置尺寸并緊固，從大梁中部向兩端均勻點焊，然后翻轉夾具，均勻點焊對稱部位，使其連成一體，最后焊接成部件。每次焊接后自然冷卻，再進行下一輪焊接，待焊接完成后輕輕、反復錘擊焊縫兩側，以消除焊接應力。

4 加載試驗

為進一步驗證吊架強度，吊架生產完成后在5 種工況下進行加載試驗，載荷為對應的加載狀態。

1）靜載試驗：將載荷提升至離地約200mm 高，持續15min，卸載檢查，各零部件無永久變形，用十倍放大鏡檢查無裂紋。

2）動載試驗：以上升不大于 3m/min、下降不大于2m/min 的升降速度將載荷提升至距地面約2.5 ～3m 高度，然后降至地面。下降過程中制動3 次。上述試驗過程重復3 次。試驗時在吊架正下方放置木塊保護。經試驗，吊架各組成部分無永久變形，用十倍放大鏡檢查無裂紋產生，滿足使用強度要求[3]。

5 結束語

導彈吊架的結構合理性、安全可靠性及操作方便性直接影響產品的起吊、轉運效率及安全，是導彈輔助裝備的關鍵設備之一[4]。吊架研制過程中，對關鍵部件進行了有限元分析，為設計及圖紙優化提供了理論依據[5]；對原材料、部件和吊架開展了無損探傷，并通過加載試驗進行強度驗證。結果表明，研制的吊架能夠滿足對不同工況的起吊要求，可為同類吊具的設計提供參考。