基于多自由度旋轉(zhuǎn)的航空發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)探索

曹艷 王彤 劉超

摘 要：本文介紹了一種基于多個空間運(yùn)動自由度旋轉(zhuǎn)的航空發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)。從裝配需求入手，利用可實(shí)現(xiàn)多個空間運(yùn)動自由度角度的控制和集成技術(shù)，對中小涵道發(fā)動機(jī)進(jìn)行整機(jī)裝配技術(shù)探索，并研制了裝配保障平臺，以滿足在裝配過程中進(jìn)行發(fā)動機(jī)裝配姿態(tài)調(diào)整，從而進(jìn)行發(fā)動機(jī)大單元體之間的傳裝和外部管路的安裝等整機(jī)裝配任務(wù)。

關(guān)鍵詞：多自由度;垂直升降;俯仰旋轉(zhuǎn);軸心回轉(zhuǎn)

Abstract：In this paper，an assembly technology of areo-engine based on multiple degress of freedom in space motion is introduced.From the assembly to the home，using multiple spatial degrees of freedom of movement control can be realized and the integration technology，studies on the machine assembly technology of small and medium-sized bypass engine，and assembly is developed security platform，to ment in the assembly process of engine assembly attitude adjustment，and thus for the engine between the large unit cell loading and external pipeline installation of the whole machine assembly task.

Key words：multiple spatial degrees of freedom;vertical lift;pitch rotation;axis rotation

1 緒論

航空發(fā)動機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的裝配體，外廓尺寸和重量大、工序繁多，在裝配過程中需要進(jìn)行發(fā)動機(jī)裝配姿態(tài)調(diào)整，以滿足操作性從而進(jìn)行單元體傳動組裝和外部管路的安裝等整機(jī)裝配任務(wù)。整機(jī)裝配工藝設(shè)計時，姿態(tài)調(diào)整的合理、宜人性設(shè)計，以及不同操作功能的發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)對科研生產(chǎn)效率和輔助資源的利用有著重要影響。

2 現(xiàn)狀

國外發(fā)動機(jī)多采用先進(jìn)的多自由度整機(jī)裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小涵道比發(fā)動機(jī)操作時的升降、回轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)調(diào)姿技術(shù)的集成。如英國Rolls-Royce公司在EJ200渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)總裝時，使用如圖1的保障設(shè)備，該設(shè)備是單柱提升機(jī)與弧形加持裝置旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，總裝時只有一側(cè)單柱提升機(jī)，節(jié)約出另一側(cè)空間方便作業(yè);德國MTU公司在發(fā)動機(jī)總裝時用到如圖2的保障設(shè)備。二者不同之處在于夾持端的設(shè)計，后者比前者增加了發(fā)動機(jī)繞其軸心滾轉(zhuǎn)運(yùn)動方向的自由度。

國內(nèi)發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)受固定高度、固定姿態(tài)調(diào)整等因素影響，與國外相比還有一定差距，具體表現(xiàn)在：

（1）發(fā)動機(jī)回轉(zhuǎn)半徑大，受一維俯仰翻轉(zhuǎn)加垂直安裝工藝限制，使軸線距地面高度超過2m，較多工序操作人員需二次登高，致使交叉作業(yè)、效率低。

（2）發(fā)動機(jī)外部管路、附件多數(shù)集中在局部，受一維俯仰翻轉(zhuǎn)加水平安裝工藝限制，對附件下置發(fā)動機(jī)較多工序要鉆到發(fā)動機(jī)下方仰姿完成，操作強(qiáng)度大、安全性差。

（3）發(fā)動機(jī)核心機(jī)組裝、傳裝與總裝工藝單個姿態(tài)動作需借助不同結(jié)構(gòu)資源執(zhí)行，整機(jī)工藝銜接性差。

3 多自由度旋轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計

3.1 設(shè)計指導(dǎo)思想

多自由度旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)研究尚為國內(nèi)首例，主要有以下特點(diǎn)：多個空間運(yùn)動自由度旋轉(zhuǎn)高度集成、較高的人機(jī)工程效應(yīng)和融合度要求。在確定技術(shù)方案時，主要從中小涵道比發(fā)動機(jī)外廓尺寸和重量大、近似為一個長圓柱形等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和以人適應(yīng)環(huán)境的傳統(tǒng)技術(shù)存在缺陷出發(fā)，研究一種以裝配方法適應(yīng)人為指導(dǎo)思想，實(shí)現(xiàn)“物動人不動”裝配環(huán)境，讓操作者始終在最舒服、安全和效率高的狀態(tài)進(jìn)行整機(jī)主機(jī)單元體的裝拆和外部管路安裝操作，同時最大幅度的減少裝配投資，使發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配工藝向更高的智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，以保持工藝技術(shù)的先進(jìn)性。

3.2 裝配平臺研制

基于上述技術(shù)思路，研制了一種多自由度整機(jī)裝配旋轉(zhuǎn)裝配平臺，如圖3。主體結(jié)構(gòu)主要有垂直升降機(jī)構(gòu)、俯仰翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和軸心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：垂直升降機(jī)構(gòu)依靠減速驅(qū)動垂直滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)樨Q直方向上的直線運(yùn)動;俯仰翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依靠對稱布置的驅(qū)動齒輪帶動圓形齒圈回轉(zhuǎn)支承來進(jìn)行俯仰旋轉(zhuǎn)動作;軸心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依靠帶可調(diào)夾持連接裝置的C型齒輪導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和驅(qū)動發(fā)動機(jī)。除此之外裝配平臺還包括驅(qū)動這三個機(jī)構(gòu)動作的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

3.3.1 地面站姿宜人性設(shè)計

為解決傳統(tǒng)技術(shù)存在的頻繁登高與仰姿作業(yè)造存在的人員安全隱患和效率低問題，該技術(shù)從人素工程和安全性角度為出發(fā)，以“物動人不動”使操作者大部分時間直接站在地面上在安全、舒適的姿態(tài)下裝配作業(yè)。

如圖4所示，依據(jù)人機(jī)工程的宜人性設(shè)計要求站姿手動操作的有利工作高度為1018～1370mm，該技術(shù)利用垂直升降技術(shù)將發(fā)動機(jī)夾持件升降至軸線距地面的最低高度為1170mm，從而使總裝外部管路安裝90%以上、大單元體傳裝80%～90%的操作實(shí)現(xiàn)操作者直接站在地面操作，減少上、下輔助臺架時間，大幅提升裝配效率和降低了操作過程中的質(zhì)量與安全隱患。

3.3.2 整機(jī)裝配工序融合設(shè)計

為解決傳統(tǒng)技術(shù)存在的整機(jī)工藝銜接性差問題。該技術(shù)利用垂直升降、俯仰翻轉(zhuǎn)和軸心旋轉(zhuǎn)3個空間自由度運(yùn)動調(diào)姿技術(shù)，并通過并列式柔性設(shè)計將3個運(yùn)動自由度調(diào)姿集成為一個有機(jī)整體，3個自由度運(yùn)動互不干涉且可任意組合，同時利用傳感器控制技術(shù)對發(fā)動機(jī)姿態(tài)的調(diào)整角度實(shí)施精確控制，使發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配工藝更向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，主要獲得以下優(yōu)勢：（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)裝配工序的有機(jī)融合。利用一個平臺資源就能滿足發(fā)動機(jī)核心機(jī)組裝、傳裝和總裝的裝配需求，從而確保發(fā)動機(jī)三大工序間的有效銜接和批量生產(chǎn)節(jié)拍的流暢、簡化。（2）傳感器控制的精確角度調(diào)姿技術(shù)為與其它技術(shù)對接提供了有力條件。

3.3.3 輔助成本的有效節(jié)省

傳統(tǒng)技術(shù)超過1.5mm上的裝拆操作需借助輔助臺架，而多自由度裝配技術(shù)大幅減少了輔助臺架的數(shù)量;傳統(tǒng)技術(shù)所需占地空間為4m×4m，再加上輔助臺架的使用需求，共需占用空間為6m×6m，而多自由度裝配技術(shù)所設(shè)計的平臺占地空間為3m×3m，相比傳統(tǒng)技術(shù)可節(jié)省出1/2的占地空間。

同時利用多自由度技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)裝拆操作時，發(fā)動機(jī)前、后方和兩側(cè)方空間均能有效利用，使人員操作空間增大，可并行進(jìn)行多個裝拆任務(wù)。

4 總結(jié)

多自由度整機(jī)裝配技術(shù)的研究在國內(nèi)尚屬首次，通過驗證可以滿足航空發(fā)動機(jī)在裝配過程中對于多個空間姿態(tài)的調(diào)整需求。經(jīng)初步統(tǒng)計，使得中小涵道比發(fā)動機(jī)外部管路安裝90%以上、大單元體傳裝80%～90%的裝配作業(yè)實(shí)現(xiàn)操作者直接站在地面上操作，大幅提升效率和人員安全性。該技術(shù)的探索對提高發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配技術(shù)的現(xiàn)代化水平起到了積極的作用。

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