屈鐵軍

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

本文探索航空用關(guān)鍵部件分解作業(yè)裝備的通用結(jié)構(gòu)形式，從而為裝備的設(shè)計(jì)提出統(tǒng)一的模式。項(xiàng)目的研制開發(fā)完成，將推廣應(yīng)用于航空航天、飛行器維修等領(lǐng)域的生產(chǎn)中。能夠顯著提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配、維修、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)中的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)能，節(jié)約資源使用，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的是對(duì)相關(guān)技術(shù)人員的人身安全起到至關(guān)重要的保障。對(duì)分解作業(yè)裝備控制系統(tǒng)的控制軟件的開發(fā)，縮短航空用關(guān)鍵部件分解作業(yè)的周期，成熟之后可以形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用于航空關(guān)鍵部件分解作業(yè)的專用裝備，減少引進(jìn)國外裝備的數(shù)量，節(jié)約寶貴的資金。小型化的組合式可滿足不同型號(hào)的航空用關(guān)鍵部件分解作業(yè)要求，擴(kuò)大設(shè)備的應(yīng)用范圍。

1 技術(shù)路線

1）從研究傳裝裝備應(yīng)用特點(diǎn)入手，制定總體設(shè)計(jì)方案；緊跟世界相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，采用新的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，并進(jìn)行充分論證，使其更加適合行業(yè)需求。

2）在設(shè)計(jì)過程中，在考慮通用性和行業(yè)性并重的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析用戶需求，針對(duì)我國航空設(shè)施建設(shè)的實(shí)際特點(diǎn)和相關(guān)廠家的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)出低成本、高可靠性的新型裝備。

3）注重系統(tǒng)的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，以利于向產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)化。充分考慮人機(jī)交互的友好性，并留有二次開發(fā)的軟件接口。

4）分階段試運(yùn)行式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用承擔(dān)單位承接的工程項(xiàng)目進(jìn)行各項(xiàng)階段性成果的嫁接，在現(xiàn)場實(shí)際試運(yùn)行檢驗(yàn)。

5）在設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用系統(tǒng)工程的理論，注重項(xiàng)目管理，以期達(dá)到少投資、多產(chǎn)出的目的。

2 技術(shù)方案

結(jié)合項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝及載人升降平臺(tái)均采用機(jī)械電動(dòng)升降剪叉式結(jié)構(gòu)[1]；剪叉結(jié)構(gòu)具有基高低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、升降平臺(tái)靈活、升降平穩(wěn)、操作方便、載重量大等特點(diǎn)。

該傳裝裝備應(yīng)用于航空領(lǐng)域，以變頻電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、電動(dòng)（氣動(dòng)）推桿等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由變頻器、PLC、工控機(jī)等構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)多功能傳裝裝備的內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)[2-3]；采用工裝快卸式工裝盤，且采用圓錐銷定位和螺紋緊固，便于更換不同型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，便于維修或裝配；研究開發(fā)組態(tài)控制軟件，工裝和裝配體之間不發(fā)生干涉；研制分體式弧形拆裝零件自動(dòng)收集裝置[4]，保證拆卸構(gòu)件安全，防止掉落地面造成意外損失；研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件分解作業(yè)裝備雙向機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)[3，5-6]，任意高度均可防止分解作業(yè)裝備意外下降，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全和作業(yè)人員安全，保證裝備穩(wěn) 定 可靠。設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化是“人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”的重要組成部分。過去講農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，主要側(cè)重發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，側(cè)重農(nóng)業(yè)服務(wù)工業(yè)、農(nóng)村服務(wù)城市，加劇了農(nóng)村和城市的“剪刀差”，造成了城鄉(xiāng)二元對(duì)立。理論和實(shí)踐充分證明，沒有農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，整個(gè)國家的現(xiàn)代化就不完整、不全面、不穩(wěn)固。十九大報(bào)告將加快推進(jìn)農(nóng)村現(xiàn)代化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化并列，一是強(qiáng)調(diào)要高度重視鄉(xiāng)村發(fā)展；二是強(qiáng)調(diào)鄉(xiāng)村治理亟須系列制度跟進(jìn)，以此支撐鄉(xiāng)村的文明、穩(wěn)定和發(fā)展；三是對(duì)“三農(nóng)”工作提出更高要求，不僅局限在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，而且要進(jìn)一步擴(kuò)大到農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)、生態(tài)等各方面。

圖1 設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)多功能傳裝裝備的升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了載人操作臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)的垂直升降運(yùn)動(dòng)，并且在升降過程中能做到兩平臺(tái)在豎直方向上的準(zhǔn)確定位和制動(dòng)鎖止功能，垂直升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)保證了載人操作臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝臺(tái)水平及垂直升降運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。

2）控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)速，載人操作平臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)由T型絲杠推桿水平方向推動(dòng)滑塊，載人升降臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)推桿同步或分別升降在任意位置。機(jī)械升降系統(tǒng)可進(jìn)行手動(dòng)操作，預(yù)防系統(tǒng)失靈；控制器采用西門子PLC，采用操作臺(tái)本地控制和遙控控制兩種方式，采集并顯示裝備的運(yùn)行和故障狀態(tài)，2個(gè)平臺(tái)的限位開關(guān)都采用2組互為備用，2個(gè)平臺(tái)都有各自的自鎖解鎖機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)推桿控制，系統(tǒng)具有急停功能，能夠應(yīng)對(duì)緊急情況。

3）雙向機(jī)械鎖機(jī)構(gòu)，采用齒條齒塊鎖和齒輪齒條雙向鎖死方式。a.齒條齒塊采用電動(dòng)推桿或氣動(dòng)（根據(jù)使用需要）控制，布置在設(shè)備底部架體上，齒塊和齒輪隨滑塊在水平方向上運(yùn)動(dòng)，齒條固定在設(shè)備底架上，齒塊與齒條之間有一定間隙以保證兩者不嚙合，設(shè)備需要鎖定時(shí)由電動(dòng)推桿或氣動(dòng)推桿控制齒塊與齒條嚙合鎖死；b.齒輪與齒條嚙合，設(shè)備運(yùn)行時(shí)齒輪在齒條上隨齒條正反方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝電磁力鎖緊裝置，在設(shè)備突然斷電、故障等緊急情況時(shí)，自動(dòng)鎖死齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)備升降開始和升降完成期間隨時(shí)鎖定設(shè)備，以保證設(shè)備運(yùn)行程中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全和作業(yè)人員安全[1-6]。雙向機(jī)械所示意圖如圖2所示。

圖2 雙向機(jī)械所示意圖

4）采用分體式弧形拆裝零件防掉落自動(dòng)收集裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)與載人操作平臺(tái)之間存在空隙，在設(shè)備升降停止后，由電動(dòng)推桿為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從載人升降臺(tái)底面由圓周向圓心方向伸出弧形收集裝置，遮擋住發(fā)動(dòng)機(jī)升降臺(tái)與載人升降操作臺(tái)之間的空隙，防止拆裝零件意外掉落，保證拆裝構(gòu)件安全，減少損失。工作任務(wù)完成后，分體式弧形拆裝零件防掉落收集裝置自動(dòng)收回，再進(jìn)行其他操作[2-3,6]。分體弧形收集裝置如圖3所示。

圖3 分體弧形收集裝置

4 理論計(jì)算分析

4.1 載人操作平臺(tái)

1）剪刀叉強(qiáng)度校核。材料為Q235A，120×30高強(qiáng)度鋼板，剪刀叉P總=94 kN；由P總=mg得m=94 000 kg，即剪刀叉理論上可以承受的最大質(zhì)量為94 000 kg，約為9.4 t。滿足設(shè)計(jì)要求。

2）絲桿推力校核。選用絲桿推力為P=120 kN；行程比L絲桿∶L平臺(tái)=1∶3；P總=120×3=40 kN；剪刀叉初始角θ最低=11°；P=22.9 kN。由P=mg得m=2336 kg。其中m自重=736 kg；m載重=1600 kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）軸銷的橫向剪切性能校核。材料為45鋼，直徑為30 mm，由τ=Q/A得Q=τ×A=423.9 kN。取安全系數(shù)n=3，則Q=141.3 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)

剪刀叉強(qiáng)度校核。剪刀叉采用Q235A，90×30鋼板，剪刀叉P總=70.5 kN。由P總=mg得m=7193.8 kg。剪刀叉理論上可以承受的最大質(zhì)量為7193.8 kg，約為7.2 t，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 絲桿推力校核

選用絲桿推力為P=120 kN；剪刀叉初始角θ最低=20°。剪刀叉的起始舉升力P=94.2×sin 20°=40 kN，約為4 t，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 升降平臺(tái)偏擺量理論研究分析

升降平臺(tái)在受到外部擾動(dòng)或載荷時(shí)，由于支桿套和支桿銷之間間隙的存在，升降平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生偏擺。偏擺量不但增大了升降平臺(tái)底部剪叉所受載荷，更嚴(yán)重時(shí)可能使升降平臺(tái)發(fā)生傾覆，所以對(duì)升降平臺(tái)偏擺量進(jìn)行分析是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

設(shè)定機(jī)械升降平臺(tái)絲桿、絲桿、銷間的間隙相同且為a；平臺(tái)寬度為L；升降層數(shù)為n；單層剪叉最大起升高度為h。假設(shè)偏擺只發(fā)生在升降平臺(tái)最下一層剪叉，其余各組剪叉為剛性連接（由載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變不考慮在內(nèi)）。

最下一層剪叉偏擺角θ計(jì)算公式為sin θ=2a/L。反映到升降平臺(tái)頂部偏擺量x=2anh/L。

同理可得第二層剪叉擺動(dòng)反映到升降平臺(tái)頂部的偏擺量，故升降平臺(tái)偏擺量為：X=2anh/l+2a(n-1)h/l+…+2ah/l=2ah/l[n+(n-1)+…+1] =(2ah/l)(n(n+1)/2)。

圖4 剪叉升降一

本設(shè)備內(nèi)部外升降平臺(tái)的最多為2層，假設(shè)間隙為最大為0.1 mm（據(jù)調(diào)研，一般間隙范圍為0.05～0.10 mm），單層剪叉升高按最大假設(shè)為1000 mm，升降平臺(tái)寬度按最小假設(shè)為1000 mm。那么由支桿套和支桿銷之間間隙導(dǎo)致的升降平臺(tái)的最大偏擺量X =（2 ×0.1 ×1000÷1000）×（2×3/2）=0.6 mm，遠(yuǎn)小于5 mm，滿足使用要求。

圖5 剪叉升降二

5 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)（如表1）

表1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

6 主要技術(shù)指標(biāo)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，載人分解作業(yè)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳裝平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

表3 載人分解作業(yè)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

7 結(jié)語

該裝備的研究主要用于升降飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件和相關(guān)操作人員，輔助相關(guān)操作人員進(jìn)行某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳裝，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人力資源。將推廣應(yīng)用于航空航天、飛行器維修等領(lǐng)域的生產(chǎn)中。能夠顯著改提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配、維修、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)中的生產(chǎn)效率。