山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046012
摘要：某产品采用大型圆筒式结构，长宽比约为1.5，稳定性较好。在现有生产条件下使用单钩天车，使用一般的偏载起吊侧翻方案进行翻转比较困难。为此，结合以往产品翻转经验的基础上，模拟“不倒翁”的结构形式，制定专用翻转工艺方案，设计生产专用翻转工艺装备，完成产品安全顺利的完成竖直状态到水平状态的翻转。
关键词：圆筒；单钩；翻转；稳定性
1 概述
某产品采用圆筒式结构，产品重约2吨，高约3米，直径约2m。产品在生产过程中需要进行多次翻转，鉴于厂房内现有条件，仅有一台额定载荷为10t的单钩天车，若要将产品从竖直状态翻转为水平状态，无法通过一般偏载起吊侧翻方案进行翻转，并且翻转过程中安全危险系数较高，极可能造成产品损伤和人身伤害。为此采用“不倒翁”式翻转方法，不仅能够实现产品的顺利翻转，而且翻转过程中安全系数较高。
2 问题分析
由于产品体积较大，且采用圆筒式结构，长宽比只有约1.5，使得产品在竖直状态稳定性较高。若采用一般的偏载起吊侧翻方案，通过单钩吊车及吊具改变产品支点，使得产品翻转，根据起吊位置进行分类分析如下：
2.1 产品起吊点高于重心位置
采用产品重心往上部位作为起吊点，使用偏载起吊法起吊，选用产品底部一点作为翻转支点。起吊时由于产品重心位于翻转支点以下，且产品长宽比较小，稳定性极高，即使产品侧倾也不能使得产品翻转支点超过重心，如图2.1所示，使得吊起状态与下落状态一致，原样吊起原样落下，若没有其他设备或人员进行辅助，不可能将产品从竖直状态翻转为水平状态。若使用设备或人员辅助，由于产品翻转支点为一点，产品可能发生滚动，容易磕碰产品或伤害辅助人员。
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图2.1 产品起吊点高于重心翻转示意图
2.2 产品起吊点等高于重心位置
采用产品重心位置作为起吊点，使用偏载起吊法起吊，首先选用产品底部一点作为翻转支点，见图2.2中所示“一次支点”部位。逐步起吊使得产品缓慢倾倒。在吊钩逐步上升至一定程度，产品脱离地面，一次支点失去作用。随后翻转支点转移至图2.2中的二次支点处，此时产品重心与翻转支点几乎重合，采用设备或人员进行辅助，使用较少作用力即可使得产品完成翻转，但是当重心位于二次支点左侧时，产品受到自身弯矩作用，将造成产品瞬间失去平衡，左端加速降落，造成产品失稳并且失控，将会导致损伤产品和伤害辅助人员。即使采用上升吊钩，使得产品失控后也不与地面接触，但是会引起天车晃动，将会造成更大的危险伤害。
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图2.2 产品起吊点等高于重心翻转示意图
2.3 产品起吊点低于重心位置
采用产品重心以下部位作为起吊点，采用产品重心位置作为起吊点，使用偏载起吊法起吊，首先选用产品底部一点作为翻转支点，见图2.3中所示“一次支点”部位。在吊钩逐步上升至一定程度后，产品脱离地面，一次支点失去作用。随后翻转支点转移至图2.3中的二次支点处，此时产品重心位于翻转支点左侧，产品受到自身弯矩作用，将造成产品瞬间失去平衡，左端加速降落，造成产品完全失稳并且失控，将会造成产品的巨大损伤。
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图2.3 产品起吊点高于重心翻转示意图
3 解决方案
结合以上分析内容，拟定采用“不倒翁”式翻转方案来实现产品的翻转，即将产品的翻转支点通过专用工装转化为一点或一线，从而降低产品和工装的整体稳定性。在此基础上利用单钩天车和吊具，选用高于产品重心部位作为起吊点，随后利用天车移动配合，将产品重心移动至支点一侧，产生弯矩，使得产品和工装一同倾倒，逐步移动天车并降低吊钩高度，使得产品始终处于准平衡状态，在天车和吊钩的配合下，实现专用工装和产品从竖直状态顺利翻转至水平状态，由于产品始终处于准平衡状态，加上天车保护，从而避免了产品损伤和人员伤害。
3.1 降低产品稳定性的专用翻转方案
由于产品为大型圆筒式结构，长宽比约为1.5，稳定性较好。因此一方面可以通过增加工艺装备，增加工装与产品组合体的长宽比，降低稳定性，另一方面盖面接触为点或线接触，在较小作用力下就会使得产品失稳。拟采用“不倒翁”的设计结构形式设计专用工艺装备，在使用过程中配合单钩吊车运动，使得产品的稳定性在安全可控范围内降低。
3.2 附加限位装置的翻转方案
由于“不倒翁”底座为球形，不仅不便于生产制造，并且在倾倒时具有多向性，难以控制，容易造成安全事故，甚至由于自身静态稳定性较差，停放期间引起安全隐患。经过改进研究，舍弃点接触式翻转方案，选用线接触式翻转方案，即将“不倒翁”下部的球形结构改为圆柱性结构，使得“不倒翁”在倾倒过程中只能在固定的二维空间内摆动，不仅方便控制专用工艺装备倾倒方向，而且给工艺装备的生产制造带来许多便利。
同时，为确保产品翻转过程中工艺装备不翻转过度，即摆角幅度超过180º，并保证产品倾倒后工艺装备能够自动恢复平衡状态，一方面将专用翻转工艺装备截面设计成劣弧形式，及翻转轴线的轨迹不超过180º，并且两端设计增加限位块作为限位装置，实现翻转过程中工艺装备的限位功能。
3.3 产品与工艺装备的连接方案
产品与工艺装备之间的连接方案，不仅需要保证产品和工艺装备在翻转过程中连接固定的可靠性，还要考虑在工艺装备翻转到位后，产品和工艺装备之间能够方便顺利解脱。
通过分析可知，保证产品和工艺装备在翻转过程中连接固定的可靠性较为容易，采用螺栓连接固定形式或凸轮压紧方案，均能满足要求。但由于产品和工艺装备一同翻转到位后，两者之间作用力较大，解脱较为困难，并且操作较为繁琐。结合产品结构形式为带法兰筒体结构，可以利用法兰本身作为限位固定件，靠产品与工装之间的挤压作用力实现两者之间的固定，如图3.1所示。经过理论计算和模拟试验验证，在工装上设置的限位槽高度为100mm时，既可保证翻转过程中产品与工艺装备之间即便发生相对转动位移，依然能够紧密贴合，使得翻转过程顺利进行，又能方便翻转后产品与工艺装备的解脱。
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图3.1 工艺装备和产品翻转示意图
4 总结
通过使用“二维不倒翁”专用翻转工艺装备，在现有条件下，不仅完成了产品从竖直状态到水平状态的翻转，而且保证了产品和操作人员安全。同时，使用限位槽设计和产品“配重”辅助理念，使得翻转工作变得简便快捷。
参考文献：
[1]成大先主编.机械设计手册.第1卷.北京：化学工业出版社，2007
[2]中国机械工程学会焊接学会编.焊接设备.第3卷.北京：机械工业出版社，2001