筒體翻轉用工裝卡勾的分析設計及驗證

崔秀君 陸征 朱文濤 王友龍

摘要：對筒體翻轉進行了研究，為減少翻轉時已加工坡口對鋼絲繩的損傷，保證起吊工安全，設計了用于筒體翻轉的工裝卡勾。采用ANSYS軟件對卡勾進行有限元分析，根據分析結果不斷優化卡勾結構，確保翻轉的安全性，并對卡勾進行驗證試驗，實現了筒體的順利翻轉，積累成功經驗。

關鍵詞：翻轉卡勾;受力分析;有限元;驗證試驗

0引言

在壓力容器的制造過程中，受機床結構的限制，在對筒體的兩端坡口進行加工時，不能一次性完成加工，在加工完一端坡口后，中間需進行一次筒體翻轉，進行另一端坡口的加工。

通常采用起吊天車上的吊鉤，利用鋼絲繩栓接筒體進行筒體的翻轉，根據筒體的重量及標準GB8918-2006《重要用途鋼絲繩》[1]選擇鋼絲繩的型號。由于完成坡口加工的筒體端面比較鋒利，容易損壞鋼絲繩，因此鋼絲繩實際的起吊載荷無法確定，且沒有相應的標準。因此對于大型筒體的翻轉，須進行量身設計，保證翻轉的安全性。

1工況分析

某筒體，直徑為2m，高度為2.5m，材質為12Cr2Mo1R，壁厚為120mm，筒體重量約為15T。由于鋼絲繩晃動，起吊方位，筒體重量等多重因素的限制，假設在筒體的兩端各加一個工裝卡勾進行筒節翻轉，在卡勾上裝配卸扣，鋼絲繩一端通過卸扣與筒體相連，另一端與天車相連，通過調整鋼絲繩的角度，實現筒體的翻轉。

2工裝卡勾設計

2.1受力分析

對設想的工裝卡勾根據材料力學[2]進行受力分析，以筒體垂直起吊且懸空，并處于靜止時的狀態作為工裝卡勾受力的極限狀態。以此極限狀態來對卡勾進行受力分析，從而確定卡勾的受力方向，大小，和作用點。

根據筒體的受力情況，列出筒體受力平衡與力矩平衡公式。并求解：

（1）筒體在豎直方向與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）筒體所受力矩平衡

（F1—F4）X3/2—（F2-F3）X2=0

（3）對以上等式進行求解，得：

F1=0.63G ? F2=0.78G ? F3=0 ? F4=0

2.2建模

初步確定卡勾的形狀，采用SolidWorks軟件[3]建模，并對模型進行初步的力學分析，不斷優化力學模型，如下圖所示。卡勾開槽寬度為120mm，可翻轉筒體壁厚為90～120mm，且重量小于15T的筒體。

此次設計的卡勾翻轉筒體的能力約為15T，根據起吊能力，選擇與卡勾裝配的卸扣的型號[4]（S-BX25-1 3/4），卸扣材質為合金結構鋼，起吊能力約為15t，安全系數為5，待翻轉筒體重量在卸扣的起吊能力范圍內，滿足使用要求。

2.3 ANSYS[6]有限元分析

以15T的筒節為例，采用上、下兩個工裝卡勾進行筒體的翻轉，將起吊重量帶入到之前的公式中計算出卡勾的受力情況：

上卡勾載荷為F1=94.5KN，下卡勾載荷為 F2=117KN，工裝卡勾的厚度為60mm，工裝卡勾選用的材質為12Cr2Mo1R，根據GB150.4-2011[5]此材質的其屈服強度為310Mpa，抗拉強度為520Mpa，彈性模量E=210 Mpa，泊松比μ=0.3，材料定義為理想彈塑性。

2.3.1 ANSYS[6]軟件進行分析

（1）定義參數：定義單元類型為Plane82;定義單元實常數：根據選擇的單元類型，定義厚度為：0.06m;定義材料參數：材料特性為線性、各向同性、不隨溫度變化，輸入彈性模型值及泊松比。

（2）創建幾何模型：由于模型比較復雜，在SolidWorks軟件[3]中創建模型，之后導入ANSYS[6]軟件中。

（3）劃分網格：采用自動劃分網格的模式，對模型進行網格劃分。

（4）加載數據：添加約束條件及載荷，卡勾的開孔處定義為全約束，約束全部位移自由度;卡勾的下表面施加載荷，輸入上、下卡勾的載荷值。

（5）求解：在求解模塊中進行求解，計算完成后，出現提示信息。

2.3.2 結果分析

完成計算后，通過ANSYS[6]軟件的后處理模塊查看計算結果，通常查看應力分布圖及位移變形圖。

（1）上卡勾的有限元分析結果

根據分析結果顯示：上卡勾的最大受力點位于兩處圓弧部位，與實際情況相符。上卡勾所受最大應力約為209.864Mpa，根據卡勾的受力情況和其材料的屈服強度可計算其安全系數約為2.5;上卡勾的最大位移值為：6.33e-10m，上卡勾基本可以忽略變形。

（2）下卡勾的有限元分析結果

根據分析結果顯示：最大的受力點位于卡勾的起吊處，符合實際情況。下卡勾所受最大應力約為253.848Mpa。由卡勾的受力情況和其材料的屈服強度可計算其安全系數約為2;根據分析結果顯示：下卡勾的最大位移值為：8.52e-10m，下卡勾基本可以忽略變形。

（3）根據分析結果，上、下卡勾的最大應力均小于屈服強度，且變形基本忽略不急，因此上、下卡勾均滿足要求。

2.3.3 結構優化

考慮實際翻轉筒體時，為方便調整起吊方位，在工裝卡勾的側面、底部均鉆螺紋孔，并配有吊環，協助角度調整。

3工裝卡勾制備及驗證試驗

3.1工裝卡勾制備

為了節約制造成本，可以采用庫房邊角料進行工裝卡勾的制作，工裝卡勾的厚度根據待翻轉筒體的重量確定，由于庫存邊角料的厚度不確定，且工裝卡勾的下料尺寸小等原因存在如下等制造難點：

（1） 邊角料形狀不規則：無法直接上立車裝卡，需設計相應工裝卡具。

（2） 下料面積小：導致在數控氣割[7]的過程中，板料受熱膨脹，產生串動，

使氣割形狀不規則。

3.1.1車床裝卡工裝

為解決不規則板料無法車床加工的裝卡問題，采取了將板料點焊在圓形板材上的方案，順利地將板料由83mm加工到60mm，由此滿足了卡勾設計壁厚的要求。之后，氣割去除裝卡工裝，氣割后打磨去除清理熔渣。

3.1.2氣割變形問題

（1）為保證加工精度，制作卡勾之前，設計卡勾的形狀尺寸制備樣板，根據樣板進行板料劃線;

（2）為防止板料在數控氣割過程中受熱竄動，使氣割之后的板料形狀規則，將板料與下料池點焊固定。

（3）為防止氣割過程出現裂紋等缺陷，在氣割前需充分預熱，并在氣割過程中適當降低氣割速度（≤180mm/min）。順利地解決了以上難題。

3.2驗證試驗

為了驗證工裝卡勾能否順利實現筒體翻轉，在各部門的配合下，進行筒體翻轉實驗。根據設計，采用兩個卡勾，對筒體進行裝卡，試驗目的是將臥式放置的筒體翻轉為豎直放置。

天車起吊鋼絲繩，配合筒體的翻轉，翻轉時若出現鋼絲繩的拉力與筒體的重力平衡時的角度，需調整翻轉角度。可采用天車調整鋼絲繩角度，若受天車軌道影響，可將下卡勾卸下，進行角度的調整。調整角度后，可以順利實現筒體的翻轉。

3.3結構改進

在進行驗證試驗時發現：卡勾在筒體內側卡緊時，鋼絲繩與完成坡口加工的筒體一端接觸，容易造成鋼絲繩的劃傷。

為了避免從內側穿入筒體時，造成鋼絲繩的劃傷，對工裝卡勾的結構進行改進。在卡勾的兩個圓弧處各焊接一圈鋼管，代替筒體實現與鋼絲繩的接觸，有效的防止了鋼絲繩的劃傷。

4結語

借助ANSYS[6]有限元分析軟件，對工裝卡勾進行理論分析計算滿足使用要求，之后進行驗證性試驗，順利實現筒體的翻轉，為不同規格的筒體翻轉工裝積累了經驗。工裝卡勾的使用，極大降低了在壓力容器制造過程中對鋼絲繩的損傷，保證筒體翻轉的安全性，同時省時省力，提高工作效率，為類似筒體的翻轉積累了成功經驗。

參考文獻：

[1]GB8918-2006，重要用途鋼絲繩.

[2]劉鴻問.材料力學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]Solidworks軟件.北京：億達四方公司.

[4]GB/T25854-2010一般起重用D形和弓形鍛造卸扣.

[5]GB/T 150.1-150.4-2011，壓力容器[S].

[6]余偉煒，高炳軍. ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[7]段俊儒.淺談數控火焰切割零件的工藝及質量控制[J].山西焦煤科技，2009.SI.