一種發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)的設計與分析

作者/楊濤、唐超、鄭俊強、陳強，貴州航天林泉電機有限公司；國家精密微特電機工程技術研究中心

一種發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)的設計與分析

作者/楊濤、唐超、鄭俊強、陳強，貴州航天林泉電機有限公司；國家精密微特電機工程技術研究中心

機械式發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)由主軸自轉單元、主軸伸縮單元、主軸啟動單元等構成，因其控制簡單、結構可靠性高，廣泛應用于航空發(fā)動機的自動啟動。本文介紹了自動啟動系統(tǒng)的結構組成和工作原理，分析了自動啟動系統(tǒng)的設計過程，并對研制的啟動系統(tǒng)樣機進行了性能測試。結果表明，啟動系統(tǒng)的設計方案合理，試驗驗證系統(tǒng)設計方法準確。

啟動系統(tǒng)、伸縮單元、自轉單元、主軸啟動

引言

本文涉及的發(fā)動機啟動系統(tǒng)為地面設備，以某箱式起飛的無人機發(fā)動機啟動系統(tǒng)為研究對象，對自動啟動系統(tǒng)功能、性能需求進行分析，提出自動啟動系統(tǒng)的設計方案，并針對自動啟動系統(tǒng)的設計過程中應注意的要點、各單元驅動電機選型方法等進行詳細闡述。

1. 啟動系統(tǒng)結構和工作原理

1.1 啟動系統(tǒng)結構組成

發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)主要由主軸自轉單元、主軸伸縮單元、啟動單元、主軸離合單元和測速機構成。系統(tǒng)結構為一體化設計結構，而各部分功能均可獨立完成功能測試。其結構布局如圖1所示，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖1 結構布置圖

圖2 系統(tǒng)三維圖

根據(jù)啟動系統(tǒng)的功能設計，主軸伸縮單元，由一臺電機提供動力；主軸自轉由一臺電機提供動力；啟動單元由一臺電機提供動力，共計需要三臺電動機。當發(fā)動機軸達到啟動預定轉速，進入下一個工作流程需要一個切換信號，因此需要一臺測速電機為系統(tǒng)提供轉速信號。主軸自轉和發(fā)動機啟動兩個功能單元工作過程中動力之間的相互傳遞會影響功能的實現(xiàn)，因此系統(tǒng)由一臺電磁離合器實現(xiàn)動力傳遞的隔斷與連接。

1.2 啟動系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)啟動工作，主軸自轉電機和主軸伸縮電機同時運行，主軸自轉的同時，向前伸出，其主要目的是實現(xiàn)自動啟動系統(tǒng)主軸與發(fā)動機啟動接口對接。主軸伸出到位與否，以安裝在主軸前端的微動開關送出信號為準，微動開關接入電機控制電路，當主軸到達預定位置，開關斷開電機供電，從而使主軸到達預定位置并停止，等待下一個工作環(huán)節(jié)的啟動。當主軸與發(fā)動機啟動接口對接完畢，啟動單元投入工作，由啟動電機拖動主軸旋轉，通過主軸上卡口與發(fā)動機軸連接，拖動發(fā)動機軸快速旋轉，達到發(fā)動機啟動轉速，發(fā)動機啟動。當發(fā)動機啟動后，主軸伸縮電機啟動工作，縮回主軸，從而與發(fā)動機啟動接口脫離，自此發(fā)動機完成啟動工作。

2. 關鍵特性設計

2.1 自轉單元動力傳遞設計

自轉單元的工作是為了找正主軸橫銷與發(fā)動機啟動接口上的卡槽，方便主軸伸縮單元驅動主軸伸出，使主軸橫銷卡入發(fā)動機啟動接口，為后續(xù)主軸啟動創(chuàng)造條件。自轉單元的動力傳遞采用了凸輪斷續(xù)傳遞的方式進行，在凸輪脫離與主軸動力傳遞的同時具備對自轉電機自動斷電的功能。通過對凸輪位置的調整，該設計方案可以實現(xiàn)對自轉電機和主軸之間的傳動鏈斷開和連接控制。

采用凸輪斷續(xù)動力傳遞方式，可有效降低伸縮單元負載，同時有助于實現(xiàn)兩個功能單元的順序停止，自轉單元主要應用于主軸自轉的驅動，因此驅動電機采用永磁直流電機即可實現(xiàn)功能。

2.2 主軸伸縮單元設計

主軸伸縮單元的工作是為了驅動主軸伸出和縮回，實現(xiàn)主軸與發(fā)動機啟動接口的連接和脫離。主軸伸縮單元與自轉單元之間的工作邏輯亦如上述分析。主軸伸縮單元的設計需要考慮其快速響應特性，即應能快速完成伸出和收回動作。

主軸伸出過程中：當主軸與發(fā)動機啟動接口上的卡槽對正時主軸能夠快速伸入發(fā)動機啟動接口；當主軸橫銷與發(fā)動機啟動接口上的卡槽未對正時，伸縮單元的伸出力在發(fā)動機接口端面產(chǎn)生的阻力轉矩必須受控，應小于自轉單元對主軸的驅動力矩。主軸收回動作時應能夠全力快速收回。

主軸伸縮單元電機與絲杠動力傳動鏈之間設置了單向摩擦離合器摩擦離合器為單向工作模式，通過壓縮波形墊圈提供摩擦力，與彈簧滑銷組件和螺旋槽組合實現(xiàn)其單向工作特性。

當主軸伸出時，大齒輪沿著螺旋槽上升方向旋轉，摩擦離合器起動工作，當輸出力矩大于摩擦離合器限定力矩，摩擦離合器打滑，滑銷壓縮彈簧收入擋板上的三個銷柱內，從而保護電機不出現(xiàn)堵轉工況，保護電機；當主軸縮回時，大齒輪沿著螺旋槽下沉方向旋轉，滑銷在彈簧力的作用下嵌入螺旋槽深處，由滑銷和擋板傳遞動力，摩擦離合器不工作，電機動力全力輸出，縮回主軸。

2.3 啟動單元設計

啟動單元是自動啟動系統(tǒng)的主要功能單元，其功能是拖動發(fā)動機運轉直至發(fā)動機啟動。啟動單元工作需要產(chǎn)生較大的力矩和較高的轉速，驅動電機設計具有較大的容量，相對于主軸自轉單元和主軸伸縮單元的驅動電機容量來說，相差了兩個數(shù)量級。二者功能上有差別，而啟動單元和主軸自轉單元的動力向主軸的傳遞為分時共用主軸部件，因此在主軸與二者驅動電機的傳動鏈上都要進行動力快速隔斷、連接結構的設計。

啟動電機與主軸之間采用電磁離合器進行動力傳遞模式，通過對電磁離合器的通斷電實現(xiàn)對傳動鏈的隔斷、連接控制。當自轉單元工作時，電磁離合器斷電，自轉電機與主軸之間的動力傳動鏈隔斷，自轉電機驅動主軸做低速自轉運動，自轉電機動力不會向啟動電機軸端傳遞，從而有效的降低自轉電機的設計功率；當啟動電機工作時，電磁離合器通電，自轉電機與主軸之間的傳動鏈連接，啟動電機動力通過電磁離合器向主軸傳遞。

前述自轉單元采用凸輪斷續(xù)的動力傳遞方式，自轉電機斷電停轉狀態(tài)，凸輪與主軸脫離嚙合，因此啟動電機動力也不會向自轉電機傳遞。

2.4 系統(tǒng)工作過程狀態(tài)分析

自動啟動系統(tǒng)的工作過程是通過繼電器和微動開關形成簡單控制電路，與接插件各節(jié)點簡單的通電時序實現(xiàn)的。系統(tǒng)工作過程中控制電路中的各器件的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 控制電路各器件狀態(tài)表

3. 系統(tǒng)性能測試

自動啟動系統(tǒng)是一個順序時序控制系統(tǒng)，對于各單元的分析主要側重于定性的分析。實現(xiàn)系統(tǒng)工作的側重在于各單元功能的匹配。對于系統(tǒng)功能、性能的檢測也主要側重于能夠完成發(fā)動機啟動工作流程。檢測原理圖見圖3所示。

圖3 檢測原理圖

系統(tǒng)實測情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能表

系統(tǒng)測試結果表明，系統(tǒng)各單元的設計能夠滿足發(fā)動機啟動要求。電機的選型合理。

4. 結論

本文介紹了某型無人機發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)的設計方法，對各單元的特性設計進行了詳細的分析，針對應用特性進行了電機類型的選擇。從實測指標來看，啟動系統(tǒng)的設計方案合理。系統(tǒng)性能測試進一步驗證了啟動系統(tǒng)設計方法的準確性。本啟動系統(tǒng)的研制成功，為此類產(chǎn)品的研制積累了經(jīng)驗，為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

＊ [1] 濮良貴，紀名剛.機械設計.北京：高等教育出版社，2001.

＊ [2] [日]三浦宏文.機電一體化實用手冊.北京：科技出版社，2001.

＊ [3] 吳宗澤.機械設計手冊[Z]. 機械工業(yè)出版社.