孫捷夫，楊 巍，潘 海

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是某型號(hào)飛機(jī)氧氣系統(tǒng)的重要功能附件，在實(shí)際工況下，該產(chǎn)品將外力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為位移行程控制氧氣開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與閉合，若供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程性能不滿足設(shè)計(jì)要求，直接導(dǎo)致氧氣開(kāi)關(guān)無(wú)法正常開(kāi)啟或開(kāi)啟范圍異常，使飛機(jī)駕駛艙供氧不足，對(duì)駕駛員生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。

在實(shí)際生產(chǎn)制造中，由于制造精度和裝配誤差等因素的影響，供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程指標(biāo)難以穩(wěn)定可靠的滿足公差要求。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有解決方法是對(duì)分解后的組成零件逐個(gè)測(cè)量，將實(shí)測(cè)尺寸偏極限尺寸的零件替換為實(shí)測(cè)尺寸為理論尺寸的同類(lèi)零件。該方法從根本上是以提高零件的制造精度改進(jìn)裝配效果，不僅效率低、成本高，且缺少量化分析和指導(dǎo)性工藝對(duì)策，對(duì)行程指標(biāo)的改進(jìn)收效甚微。

關(guān)于飛機(jī)供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或類(lèi)似的飛機(jī)功能附件的故障診斷和優(yōu)化研究的公開(kāi)成果較少，但近年來(lái)，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品故障診斷和優(yōu)化研究取得了一定成果：解夢(mèng)濤等[1]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門(mén)機(jī)構(gòu)搖臂斷裂故障，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS和有限元仿真軟件ANSYS聯(lián)合仿真分析，實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)并給出優(yōu)化改進(jìn)建議；聶青等[2]基于ADAMS軟件對(duì)飛行器空氣舵?zhèn)鲃?dòng)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)間隙進(jìn)行敏感性分析，探究各零件對(duì)系統(tǒng)間隙的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐；劉廣等[3]應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)單側(cè)彈射發(fā)射系統(tǒng)建立剛?cè)狁詈咸摂M仿真模型，并賦予實(shí)際工程數(shù)據(jù)完成故障復(fù)現(xiàn)；陳材等[4]以動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS為平臺(tái)，針對(duì)機(jī)械裝備中不同的機(jī)械故障研究對(duì)應(yīng)的故障注入方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備毀傷效果精確評(píng)估；王鈺龍等[5]在ADAMS軟件中建立飛機(jī)起落架虛擬樣機(jī)，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的變形、卡滯等現(xiàn)象進(jìn)行仿真故障復(fù)現(xiàn)，探究問(wèn)題形成原因并給出改進(jìn)建議；胡明等[6]基于ADAMS/insight對(duì)折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作可靠性的評(píng)估與分析，為故障診斷和優(yōu)化改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。上述文獻(xiàn)均基于ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的故障復(fù)現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以降低某型號(hào)飛機(jī)供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行程指標(biāo)故障率為目標(biāo)，通過(guò)分析供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理提取影響行程指標(biāo)的影響因素，基于ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)模型，以故障產(chǎn)品實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證模型的可行性，通過(guò)單因素敏感性分析探究各設(shè)計(jì)變量對(duì)行程指標(biāo)的影響規(guī)律，進(jìn)行故障診斷，從以仿真為方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和以工程實(shí)踐為考慮的工藝控制兩方面入手，全面降低供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行程指標(biāo)的故障率。

2 運(yùn)動(dòng)原理分析

供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括殼體、搖桿、凸耳、套筒、滑塊、支撐塊、彈簧、支座和鋼絲，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，零件之間的連接關(guān)系如圖2所示。供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)原理為：外力驅(qū)動(dòng)搖桿繞殼體鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿帶動(dòng)凸耳推動(dòng)滑塊在套筒中水平移動(dòng)，滑塊水平運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲在水平方向產(chǎn)生一定位移，與其它產(chǎn)品配合實(shí)現(xiàn)供氧器的開(kāi)啟與閉合，支撐塊、彈簧和支座起到輔助支撐作用。

圖1 供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零件連接關(guān)系示意圖

由于搖桿與凸耳為固定連接，且運(yùn)動(dòng)方式相同，為方便分析，后續(xù)將搖桿和凸耳的組合體統(tǒng)稱(chēng)為搖桿。供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分解如表1。

表1 供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分解

滑塊在左右極限位置的距離即為滑塊行程，為滿足供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用性能，要求搖桿在用2s完成表1的一個(gè)中完整運(yùn)動(dòng)周期時(shí)，滑塊行程需在(27±1)mm范圍內(nèi)。

滑塊的運(yùn)動(dòng)依靠搖桿的推力驅(qū)動(dòng)，搖桿與滑塊的幾何參數(shù)是影響滑塊行程的重要因素，對(duì)滑塊行程形成原理進(jìn)行分析。如圖3所示，O點(diǎn)為搖桿與殼體的鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，A為搖桿與滑塊左極限位置接觸點(diǎn)，B為搖桿與滑塊右極限位置接觸點(diǎn)，A′為滑塊處于右極限位置時(shí)滑塊左壁上與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，O′為O點(diǎn)在AB連線上的垂點(diǎn)。

圖3 搖桿與滑塊運(yùn)動(dòng)示意圖

滑塊的行程可按如下公式分析：

S=AA′=AB-A′B

(1)

AB=2AO′

(2)

(3)

(4)

AC=(W-2R)/2

(5)

OC=L

(6)

OO′=H-D/2+C

(7)

A′B=D1

(8)

將(2)-(8)代入(1)可得式(9)

(9)

式中，S：滑塊在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)行程；W：搖桿寬；R：搖桿圓角半徑；L：搖桿長(zhǎng)；H：轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)O與滑塊軸線距離；D2：滑塊直徑；C：滑塊槽倒角直邊長(zhǎng)；D1：滑塊槽長(zhǎng)。

3 故障復(fù)現(xiàn)仿真分析

3.1 參數(shù)化建模

經(jīng)過(guò)對(duì)供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理分析，可知影響滑塊行程的主要因素包括搖桿寬W、搖桿圓角半徑R、搖桿長(zhǎng)L、轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)O與滑塊軸線距離H、滑塊直徑D2、滑塊槽倒角直邊長(zhǎng)C、滑塊槽長(zhǎng)D1。為研究上述因素對(duì)滑塊行程的影響，基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，將上述7個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，取值范圍參考實(shí)際工程中的公差要求，完成搖桿和滑塊的參數(shù)化建模，其余零件在第三方軟件建模后導(dǎo)入ADAMS軟件中[7]，并按圖2連接關(guān)系進(jìn)行裝配，建立供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型。

表2 參數(shù)化模型設(shè)計(jì)變量及取值范圍

圖4 供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型

3.2 故障復(fù)現(xiàn)仿真

對(duì)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)行程超差的故障產(chǎn)品進(jìn)行分解，對(duì)各設(shè)計(jì)變量的尺寸進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，實(shí)測(cè)值如下表所示。

表3 故障產(chǎn)品實(shí)測(cè)值

從上表可知，故障產(chǎn)品各設(shè)計(jì)變量均滿足公差要求，但滑塊行程超差。將被測(cè)要素的實(shí)測(cè)值賦予參數(shù)化模型的設(shè)計(jì)變量中，仿真進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以水平向右為正方向，滑塊位移曲線如圖5所示。

圖5 故障產(chǎn)品滑塊位移隨時(shí)間變化曲線

圖5中各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如下：A(0，-3.5)、B(0.02，-3.5)，C(0.41，-6.195)，D(0.59，-6.195)，E(1.46，22.995)，F(xiàn)(1.64，22.995)，G(2，1.26)，圖5所反映的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線軌跡與表1的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程基本相符，曲線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)縱坐標(biāo)之差即為仿真得出滑塊在2s內(nèi)的行程29.19mm，與故障產(chǎn)品實(shí)測(cè)行程29.22mm非常接近，完成故障復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證了模型與實(shí)際情況的符合性滿足要求。同時(shí)由仿真得出滑塊在2s使尚未回到初始位置，沒(méi)有形成完成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，進(jìn)一步驗(yàn)證了該故障產(chǎn)品行程超出公差上限。

3.3 可靠性仿真

在實(shí)際工程中，由于公差累計(jì)導(dǎo)致滑塊行程會(huì)有一定概率的超差，為量化評(píng)估產(chǎn)品故障率，現(xiàn)基于ADAMS/insight模塊對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行可靠性仿真[8-9]。

基于實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，各設(shè)計(jì)變量均值為理論值，取值范圍如表2所示，將滑塊行程作為響應(yīng)因子，仿真次數(shù)為100次，利用蒙特卡洛算法進(jìn)行可靠性仿真，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

根據(jù)表4的仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，按現(xiàn)有設(shè)計(jì)和加工情況，滑塊實(shí)際行程相對(duì)理想行程呈現(xiàn)偏大趨勢(shì)，供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬仿真故障率為18%。

4 故障診斷仿真分析

4.1 設(shè)計(jì)變量敏感性分析

為探究各設(shè)計(jì)變量對(duì)滑塊行程的影響規(guī)律，對(duì)各設(shè)計(jì)變量對(duì)滑塊行程的敏感性進(jìn)行分析?；贏DAMS試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊[10-11]，逐個(gè)將設(shè)計(jì)變量在公差范圍內(nèi)取5個(gè)水平，其它設(shè)計(jì)變量取理論值進(jìn)行單變量仿真分析，設(shè)計(jì)變量取值情況如表5所示。

表5 敏感性分析設(shè)計(jì)變量取值

圖6 不同搖桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)滑塊行程

圖6為搖桿長(zhǎng)L取表5中5個(gè)水平值仿真得出的滑塊行程隨時(shí)間變化曲線，隨著搖桿長(zhǎng)度增加，滑塊行程單調(diào)遞增，在ADAMS軟件中仿真得出敏感度為72.431，類(lèi)似方法對(duì)其余6個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行單因素敏感性仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 設(shè)計(jì)變量敏感度分析

敏感度為正值代表該設(shè)計(jì)變量與滑塊行程正相關(guān)，敏感度為負(fù)值代表該設(shè)計(jì)變量與滑塊行程負(fù)相關(guān)，由表6可知，滑塊行程隨搖桿寬W、搖桿長(zhǎng)L、滑塊直徑D2增加而增加，滑塊行程隨搖桿圓角R、轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H、滑塊槽倒角C、滑塊槽長(zhǎng)D1增加而減?。煌瑫r(shí)各設(shè)計(jì)變量對(duì)滑塊行程影響程度排序?yàn)椋簱u桿長(zhǎng)L>轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H>滑塊槽倒角C>滑塊直徑D2>滑塊槽長(zhǎng)D1>搖桿圓角R>搖桿寬W，且搖桿長(zhǎng)L、轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H和滑塊槽倒角C的敏感度明顯大于其它設(shè)計(jì)變量。

4.2 故障診斷仿真

基于敏感性分析得知各設(shè)計(jì)變量對(duì)滑塊行程的影響規(guī)律，現(xiàn)對(duì)表3所述的實(shí)際故障產(chǎn)品進(jìn)行故障診斷，故障產(chǎn)品的行程超出設(shè)計(jì)要求的上限，且正相關(guān)變量搖桿長(zhǎng)L的實(shí)測(cè)值大于理論值，負(fù)相關(guān)變量轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H和滑塊槽倒角C均小于理論值，上述三個(gè)設(shè)計(jì)變量的實(shí)際加工情況均有使滑塊行程變大趨勢(shì)，現(xiàn)將這三個(gè)設(shè)計(jì)變量在參數(shù)化模型中設(shè)定為理論值，其它設(shè)計(jì)變量按表3中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置進(jìn)行仿真，原故障產(chǎn)品的滑塊行程由29.22mm降低至27.49mm，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 故障產(chǎn)品改進(jìn)前后滑塊位移曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)效果，將搖桿、滑塊和殼體零件的搖桿長(zhǎng)L、殼體轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H和滑塊槽倒角C按理論值加工，其余尺寸按表3中故障產(chǎn)品實(shí)測(cè)值重新制造，裝配后實(shí)測(cè)滑塊行程為27.54mm，該實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果相近且滿足設(shè)計(jì)要求，因此，表3所述的故障產(chǎn)品行程超差的主要原因可判定為搖桿長(zhǎng)L、轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H和滑塊槽倒角C的偏差累計(jì)。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝控制

為提高產(chǎn)品可靠性，在ADAMS/insight模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-13]，設(shè)計(jì)變量為搖桿長(zhǎng)L、轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離H和滑塊槽倒角C，約束條件按表2的公差范圍設(shè)定，優(yōu)化目標(biāo)為滑塊行程為27mm，優(yōu)化方法選用ADAMS軟件中集成的OPTDES-GRG算法，終止條件為與目標(biāo)值差值小于等于0.02mm。

優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化值如表7所示，滑塊行程為26.9949mm，如圖8所示。

表7 優(yōu)化結(jié)果

圖8 優(yōu)化后滑塊位移曲線

為使研究成果落實(shí)到實(shí)際生產(chǎn)中，綜合考慮公差設(shè)計(jì)原則和實(shí)際制造情況，對(duì)相應(yīng)尺寸理論值及公差進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)保證調(diào)整后設(shè)計(jì)變量取值范圍在原設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，如表8所示。

表8 尺寸理論值及公差調(diào)整

基于表8中優(yōu)化后的理論值和公差范圍，在ADAMS/insight模塊對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行可靠性仿真，仿真次數(shù)為100次，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表9所示。

表9 優(yōu)化后可靠性仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

優(yōu)化后，產(chǎn)品通過(guò)可靠性仿真計(jì)算將故障率由18%降低至4%。

為進(jìn)一步降低產(chǎn)品行程指標(biāo)故障率，給出工藝控制指導(dǎo)方法：

1)改變結(jié)構(gòu)，控制搖桿長(zhǎng)度尺寸。將凸耳伸出搖臂長(zhǎng)度減小2mm，在搖臂和凸耳之間增加厚度2個(gè)厚度1mm的鋁合金墊片，通過(guò)調(diào)整墊片數(shù)量保證搖桿L總長(zhǎng)，以調(diào)整滑塊行程。

2)提高精度，控制轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)距滑塊軸線距離。提高殼體孔的加工與轉(zhuǎn)動(dòng)孔之間的位置精度，以及與滑塊配合的襯套的孔軸同軸度。

3)工序調(diào)整，控制滑塊槽倒角尺寸。在滑塊零件機(jī)加階段，先將滑塊槽倒角加工至0.5mm，允許在裝配階段根據(jù)需要配合銼修至要求尺寸。如裝配后滑塊行程大于上限要求，由于搖桿長(zhǎng)度敏感度較大，通過(guò)調(diào)整搖桿墊片數(shù)量仍然難以將滑塊行程控制在合格范圍內(nèi)，則允許銼修滑塊槽倒角，以減小滑塊行程至公差范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

1)以某型號(hào)飛機(jī)供氧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)象，基于對(duì)其滑塊行程形成原理分析結(jié)果，建立參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)仿真完成故障復(fù)現(xiàn)，并驗(yàn)證了模型精度滿足實(shí)際要求。

2)基于敏感性分析，得出各設(shè)計(jì)變量對(duì)行程指標(biāo)的影響規(guī)律，通過(guò)仿真模擬和實(shí)際驗(yàn)證，得出搖桿長(zhǎng)L、距離H、滑塊槽倒角C的偏差累計(jì)是導(dǎo)致行程超差的主因。

3)以行程為目標(biāo)對(duì)主要設(shè)計(jì)變量的取值范圍進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后搖桿長(zhǎng)L、距離H、滑塊槽倒角C的的取值范圍分別為31.95±0.26、31.1±0.21、0.6±0.1，通過(guò)仿真分析，優(yōu)化后滑塊行程故障率由18%降至4%，同時(shí)針對(duì)三個(gè)主要設(shè)計(jì)變量分別給出實(shí)際工藝控制方法，具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。