基于多自由度旋轉的航空發動機整機裝配技術探索

曹艷 王彤 劉超

摘 要：本文介紹了一種基于多個空間運動自由度旋轉的航空發動機整機裝配技術。從裝配需求入手，利用可實現多個空間運動自由度角度的控制和集成技術，對中小涵道發動機進行整機裝配技術探索，并研制了裝配保障平臺，以滿足在裝配過程中進行發動機裝配姿態調整，從而進行發動機大單元體之間的傳裝和外部管路的安裝等整機裝配任務。

關鍵詞：多自由度;垂直升降;俯仰旋轉;軸心回轉

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

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

2 現狀

國外發動機多采用先進的多自由度整機裝配技術，實現了小涵道比發動機操作時的升降、回轉或翻轉調姿技術的集成。如英國Rolls-Royce公司在EJ200渦輪風扇發動機總裝時，使用如圖1的保障設備，該設備是單柱提升機與弧形加持裝置旋轉結構，總裝時只有一側單柱提升機，節約出另一側空間方便作業;德國MTU公司在發動機總裝時用到如圖2的保障設備。二者不同之處在于夾持端的設計，后者比前者增加了發動機繞其軸心滾轉運動方向的自由度。

國內發動機整機裝配技術受固定高度、固定姿態調整等因素影響，與國外相比還有一定差距，具體表現在：

（1）發動機回轉半徑大，受一維俯仰翻轉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、效率低。

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

（3）發動機核心機組裝、傳裝與總裝工藝單個姿態動作需借助不同結構資源執行，整機工藝銜接性差。

3 多自由度旋轉技術設計

3.1 設計指導思想

多自由度旋轉的發動機整機裝配技術研究尚為國內首例，主要有以下特點：多個空間運動自由度旋轉高度集成、較高的人機工程效應和融合度要求。在確定技術方案時，主要從中小涵道比發動機外廓尺寸和重量大、近似為一個長圓柱形等結構特點和以人適應環境的傳統技術存在缺陷出發，研究一種以裝配方法適應人為指導思想，實現“物動人不動”裝配環境，讓操作者始終在最舒服、安全和效率高的狀態進行整機主機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，使發動機整機裝配工藝向更高的智能化、數字化方向發展，以保持工藝技術的先進性。

3.2 裝配平臺研制

基于上述技術思路，研制了一種多自由度整機裝配旋轉裝配平臺，如圖3。主體結構主要有垂直升降機構、俯仰翻轉機構和軸心旋轉機構：垂直升降機構依靠減速驅動垂直滾珠絲杠副旋轉，將旋轉運動變為豎直方向上的直線運動;俯仰翻轉機構依靠對稱布置的驅動齒輪帶動圓形齒圈回轉支承來進行俯仰旋轉動作;軸心旋轉機構依靠帶可調夾持連接裝置的C型齒輪導軌結構進行固定和驅動發動機。除此之外裝配平臺還包括驅動這三個機構動作的驅動系統和控制系統。

3.3 技術優勢

3.3.1 地面站姿宜人性設計

為解決傳統技術存在的頻繁登高與仰姿作業造存在的人員安全隱患和效率低問題，該技術從人素工程和安全性角度為出發，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、舒適的姿態下裝配作業。

如圖4所示，依據人機工程的宜人性設計要求站姿手動操作的有利工作高度為1018～1370mm，該技術利用垂直升降技術將發動機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%的操作實現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量與安全隱患。

3.3.2 整機裝配工序融合設計

為解決傳統技術存在的整機工藝銜接性差問題。該技術利用垂直升降、俯仰翻轉和軸心旋轉3個空間自由度運動調姿技術，并通過并列式柔性設計將3個運動自由度調姿集成為一個有機整體，3個自由度運動互不干涉且可任意組合，同時利用傳感器控制技術對發動機姿態的調整角度實施精確控制，使發動機整機裝配工藝更向智能化、數字化方向發展，主要獲得以下優勢：（1）實現發動機裝配工序的有機融合。利用一個平臺資源就能滿足發動機核心機組裝、傳裝和總裝的裝配需求，從而確保發動機三大工序間的有效銜接和批量生產節拍的流暢、簡化。（2）傳感器控制的精確角度調姿技術為與其它技術對接提供了有力條件。

3.3.3 輔助成本的有效節省

傳統技術超過1.5mm上的裝拆操作需借助輔助臺架，而多自由度裝配技術大幅減少了輔助臺架的數量;傳統技術所需占地空間為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所設計的平臺占地空間為3m×3m，相比傳統技術可節省出1/2的占地空間。

同時利用多自由度技術進行發動機裝拆操作時，發動機前、后方和兩側方空間均能有效利用，使人員操作空間增大，可并行進行多個裝拆任務。

4 總結

多自由度整機裝配技術的研究在國內尚屬首次，通過驗證可以滿足航空發動機在裝配過程中對于多個空間姿態的調整需求。經初步統計，使得中小涵道比發動機外部管路安裝90%以上、大單元體傳裝80%～90%的裝配作業實現操作者直接站在地面上操作，大幅提升效率和人員安全性。該技術的探索對提高發動機整機裝配技術的現代化水平起到了積極的作用。

參考文獻：

[1]王文斌，等.機械設計手冊[M].第三、五卷.北京：機械工業出版社，2004.

[2]周爍，汪俊熙，等.大型商用航空發動機整機裝配工藝淺析[J].航空制造技術，2014（5）92-96.

[3]史新宇，吳法勇，王彤.一種航空發動機水平翻轉通用裝配平臺及裝配工藝.中國專利，103567739A，2014-02-12.

[3]趙建武，李海燕，蔣偉.某發動機總裝配車研制與應用[J].航空動力技術，2012，3.