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基于SolidWorks的多自由度航空发动机装配平台设计与分析

发表时间: 2018/1/5 作者: 黄松*王志*刘清林*闫志洋*何岳 来源: 互联网
传统航空发动机装配设备自动化程度低,对装配效率和装配质量影响较大。结合我国航空发动机装配现状,研制设计了多自由度航空发动机装配平台。阐述了多自由度航空发动机装配平台的设计,并采用SolidWorks自带的插件Simulation对关键构件进行受力和疲劳分析,得到其最大应力和最大变形,据此可对关键构件进行强度和刚度的校核。
 

    航空发动机的制造过程是零件—组件—部件—整机的装配过程。在航空发动机装配工艺中,装配工艺装备是保证航空发动机零组部件定位、安装、铆接的基础。在国内外民用大涵道比涡轮风扇航空发动机风扇、核心机、低压涡轮装配成主机以及外部装配过程中,传统装配有固定在龙门架下的立式装配,有在装配车架上的水平装配,也有固定在4 或6 根独立装配支柱上的水平装配。这些传统装配方法效率低,且工人在装配作业时,由于发动机姿态无法调整甚至需要借助梯架进行工作,增加操作的强度和危险性的同时对装配质量也不能很好地把握。为了提高我国航空发动机装配作业自动化程度,结合我国航空发动机装配现状,研制设计了多自由度航空发动机装配平台,并利用SolidWorks软件的仿真功能对机械结构的强度和刚度进行了校核,以确保设备的安全可靠。

1 基本结构和工作原理

    多自由度航空发动机装配平台如图1所示,主要由升降机构、纵摆机构、滚转机构3部分组成。其中,滚转机构由C型环装置和C型环驱动装置组成。3个机构分别由电动系统驱动,对应3个自由度方向的动作。

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1.1 升降机构

    升降机构主要由升降固定装置、升降驱动装置、安全限位装置以及应急驱动装置组成,并由底座、龙门架、丝杠滑座、直线导轨组成升降固定装置,由伺服电机、行星减速机、联轴器、滚珠丝杠构成升降驱动装置。升降驱动装置安装固定在底座上,伺服电机通过行星减速机带动滚珠丝杠旋转,滚珠丝杠的旋转带动丝杠滑座沿着直线导轨实现垂直升降。在动作的过程中,直线导轨起导向作用,丝杠起承载和驱动的作用。由失电制动电磁制动器、位置传感器、行程开关、机械限位装置构成了升降安全限位装置;由带手动驱动齿轮轴、应急解除制动螺钉构成升降应急手动驱动装置。安全限位装置和应急驱动装置的设计,增强了多自由度航空发动机装配平台在使用过程中的安全性。

1.2 纵摆机构

    采用伺服电机驱动齿轮轴旋转继而带动回转支承动作来实现向左右旋转功能。为了实现该自由度方向的运动,2个动力驱动单元安装固定在回转支承固定板左右两侧,动力驱动单元由伺服电机、行星减速机、驱动齿轮轴以及安全防护装置组成。2个动力驱动单元对称布局来驱动回转支承,一方面可保证机构的重心在回转支承的中心位置,另一方面由于装配的发动机重量大,采用单一驱动齿轮轴驱动回转支承会造成齿轮轴轮齿使用寿命缩短。此外,当一个驱动单元突发故障不能使用,另一个还可以继续工作时,保证了装配过程的安全。同时,回转支承固定板与升降机构中的丝杠滑座通过螺栓相连接,实现了升降机构与纵摆机构的连接。

1.3 滚转机构

    滚转机构中C 型环驱动装置驱动C 型环装置实现滚转功能,实现绕发动机轴线自由度方向的动作。C型环驱动装置由支座、滚转驱动单元、驱动齿轮轴以及安全防护装置等组成。回转支承安装在支座外围,用来实现纵摆机构与滚转机构的连接。滚转驱动单元由伺服电机、行星减速机和联轴器组成,通过联轴器与驱动齿轮轴联接。如图1 所示,通过安装过渡块与C型环支座上的侧板连接,弧形回转支承与驱动齿轮轴啮合连接,实现了C型环装置与C 型环驱动装置的连接。滚转驱动单元驱动齿轮轴旋转,继而带动弧形回转支承旋转,从而实现C型环装置的滚转。3 个夹持连接装置分别安装在C 型环装置的两头以及中间位置处,夹持连接装置能够实现调节,通过与其他装配装置的结合使用,能够满足多种型号发动机单元体、整机的装配。

2 主要结构有限元分析

    由于承载重量大的航空发动机,所以要求多自由度航空发动机装配平台具有良好的力学性能,包括刚度、应力、变形等,故整机的结构设计是关键。如果采用传统的手工验算方法,需要依靠经验反复进行,时间周期长,设计成本高,劳动强度大,而有限元技术能够很好地解决该矛盾。利用SolidWorks 软件自带的Simulation 仿真插件,对多自由度航空发动机装配平台的升降机构机架、C型环驱动装置支座以及C型环装置进行了应力、应变分析,探讨了在3 倍额定载荷的恶劣条件下,主要结构是否安全可靠并满足设计的要求。

2.1 升降机构机架分析

    机架受力及应变云图如图2所示,其应力、应变仿真分析的结果如表所示。由表可以看出,机架受应力最大值为304.4MPa,而机架装置采用Q345B材料的屈服应力极限为345MPa。因此,该结构的最薄弱的环节满足强度要求。

    根据公式

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责任编辑:郝秋红