大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段的裝配工藝

□ 唐淋偉 馬東平 謝 晶 尹永濤 丁壽和 龐旭東

1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 四川綿陽(yáng) 621000 2.武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 武漢 430205

1 裝配對(duì)象

大型超聲速風(fēng)洞是衡量一個(gè)國(guó)家試驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)水平的重要標(biāo)志,其中,大型超聲速風(fēng)洞噴管段是大型超聲速風(fēng)洞的核心部段,也是研制大型超聲速風(fēng)洞的關(guān)鍵工程。

大型超聲速風(fēng)洞噴管段采用二元多支點(diǎn)全柔壁結(jié)構(gòu)型式[1],左右壁為平行壁,上下壁為型面壁。以某新建的1.2 m超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段為例,介紹大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段的關(guān)鍵裝配工藝,噴管段外形尺寸為長(zhǎng)13 320 mm、寬6 280 mm、高7 830 mm。

大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段主要由洞體框架和上下柔壁機(jī)構(gòu)組成[2],洞體框架由支座、下梁、左右立柱、左右側(cè)壁、上梁組成,柔壁機(jī)構(gòu)由入口導(dǎo)流板組件[3]、入口固定鉸鏈、上下柔板、柔壁、鉸鏈組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]組成,屬于多支點(diǎn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),如圖1、圖2所示。柔壁氣流背面連接多組鉸鏈,鉸鏈分別與2～18號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接,柔壁一端與噴管框架氣流出口端固定連接。入口導(dǎo)流板氣流背面連接多組鉸鏈,鉸鏈與入口固定鉸鏈、1號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接,入口導(dǎo)流板一端與噴管框架氣流入口端固定連接。執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于框架上梁或下梁的固定支座上,柔壁在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下上下運(yùn)動(dòng)。入口導(dǎo)流板搭接在柔壁上方,通過(guò)燕尾槽滑動(dòng)副配合運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償因柔壁運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)的間隙。

▲圖1 大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段結(jié)構(gòu)

▲圖2 柔壁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)指標(biāo)

大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段出入口截面間距為12 500±2 mm。入口截面高為2 100±0.2 mm,寬為1 200±0.2 mm,對(duì)角線長(zhǎng)度誤差不大于0.5 mm。出口截面高為1 200±0.2 mm,寬為1 200±0.2 mm,對(duì)角線長(zhǎng)度誤差不大于0.5 mm。

入口法蘭平面與軸線的垂直度不大于0.5 mm,出口法蘭平面與軸線的垂直度不大于0.1 mm。

左右側(cè)壁全長(zhǎng)平行度不大于0.5 mm,且不大于0.2 mm/m,鉛垂度不大于0.2 mm。

噴管段任意執(zhí)行機(jī)構(gòu)撐桿橫截面位置處,柔壁與水平面平行度不大于0.2 mm。對(duì)馬赫數(shù)為1.0、2.0、3.0、4.25、4.5的型面進(jìn)行成型動(dòng)作驗(yàn)證,柔壁組件行程滿足相應(yīng)馬赫數(shù)的要求。對(duì)馬赫數(shù)為2.0、4.25的型面反復(fù)成型,柔壁型面重復(fù)定位精度喉道前不低于0.5 mm,喉道后不低于0.1 mm。

3 關(guān)鍵裝配工藝

大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段屬于重型機(jī)械裝配[5],安裝調(diào)整困難,因此先開(kāi)展部件裝配,后進(jìn)行整體裝配。總裝時(shí)以水平面為安裝基準(zhǔn),由下往上以搭積木的方式安裝。

3.1 洞體框架

為了確保噴管段這種大型非標(biāo)設(shè)備的主要幾何尺寸及形位公差滿足要求,合理的結(jié)構(gòu)主體洞體框架裝配工藝是關(guān)鍵。

測(cè)量時(shí)以水平面為安裝基準(zhǔn),測(cè)量工具主要采用水平儀、傾斜儀,輔助工具為激光跟蹤儀[6-7]。

裝配時(shí)以下梁作為噴管段的安裝基準(zhǔn),通過(guò)支座下方多套水平、前后可調(diào)的墊鐵組,確保下梁上的左右立柱安裝面水平度不大于0.2 mm,下梁上的左右側(cè)壁定位面與水平面垂直度不大于0.1 mm。

左右立柱與上下梁的安裝面在機(jī)床上同時(shí)加工,確保左右立柱等高。以噴管段氣流入口端為前后安裝基準(zhǔn),對(duì)下梁、左右立柱、左右側(cè)壁、上梁進(jìn)行組裝,裝配后應(yīng)達(dá)到左右側(cè)壁間距離1 200±0.2 mm、平行度不大于0.5 mm、鉛垂度不大于0.2 mm的安裝要求。

對(duì)洞體框架各組裝零件配作定位銷,然后用落地鏜床對(duì)氣流出口端法蘭面進(jìn)行整體加工,如圖3所示。通過(guò)加工,實(shí)現(xiàn)噴管段出入口截面間距離在12 500±2 mm范圍內(nèi)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)由上梁、下梁、左右側(cè)壁組成的入口法蘭面平面度達(dá)到0.1 mm,與水平面垂直度達(dá)到0.2 mm;出口法蘭面平面度達(dá)到0.1 mm,與水平面垂直度達(dá)到0.1 mm。另一方面,達(dá)到出入口截面的對(duì)角線長(zhǎng)度誤差不大于0.5 mm的安裝要求。

▲圖3 氣流出口端法蘭面加工

洞體框架出口端面整體加工后,將組件分解,作為其它設(shè)備安裝的基準(zhǔn)。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)支座

上梁、下梁安裝柔壁執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支座,兩件為一對(duì)。每對(duì)支座的鉸鏈孔軸線是眾多執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝、測(cè)量的基準(zhǔn),因此支座的安裝精度要求極高。

設(shè)計(jì)工藝芯棒,芯棒與支座鉸鏈孔的配合精度選取H7/h6。

測(cè)量時(shí),每一對(duì)支座均用配作的工藝芯棒連接,通過(guò)工藝芯棒找出每對(duì)支座的鉸鏈孔軸心,測(cè)量鉸鏈孔軸心與上梁出口法蘭面的平行度,測(cè)量工具采用激光跟蹤儀。

安裝時(shí),通過(guò)激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果,實(shí)時(shí)調(diào)整支座安裝位置,待達(dá)到安裝座軸線水平度不大于0.1 mm,且與上梁入口法蘭平行度不大于0.02 mm的安裝要求后,固定支座,配作定位銷定位。執(zhí)行機(jī)構(gòu)支座的安裝如圖4所示。

▲圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)支座裝配

上梁裝配支座時(shí),按正常位置安裝。下梁裝配支座時(shí),為了方便測(cè)量和裝配支座,需要對(duì)下梁翻面,再進(jìn)行安裝。

3.3 柔壁組件

柔壁組件由柔壁、柔壁氣流背面鉸鏈組、柔壁氣流背面燕尾塊構(gòu)成。鉸鏈組由三套鉸鏈構(gòu)成,要求鉸鏈組與同截面的鉸鏈孔同軸,與柔壁氣流出口端端面的平行度不大于0.05 mm,與柔壁背面的平行度不大于0.05 mm。

設(shè)計(jì)兩件工藝芯棒,芯棒與鉸鏈組上鉸鏈孔的配合精度選取H7/h6。

測(cè)量時(shí),芯棒穿過(guò)鉸鏈孔,以柔壁氣流出口端面為測(cè)量基準(zhǔn),測(cè)量芯棒與柔壁氣流出口端面的平行度,測(cè)量工具采用激光跟蹤儀。同時(shí)用內(nèi)徑千分尺測(cè)量相鄰兩件芯棒的距離,測(cè)量方法簡(jiǎn)便,提高了安裝調(diào)整鉸鏈座的效率。

安裝時(shí),清理、調(diào)整安裝平臺(tái),平臺(tái)調(diào)平,平面度不大于0.1 mm。吊裝柔壁平放在安裝平臺(tái)上,柔壁氣流背面向上。按圖紙要求,安裝柔壁氣流背面鉸鏈組。鉸鏈組安裝到位后,芯棒穿過(guò)鉸鏈孔,按前述測(cè)量方法邊測(cè)邊調(diào)鉸鏈組位置。鉸鏈組調(diào)整完成后,配作定位銷定位。確保同一截面鉸鏈組鉸孔同軸,鉸鏈組鉸孔軸線與柔壁氣流出口端面的平行度不大于0.05 mm,與柔壁背面的平行度不大于0.05 mm。柔壁組件鉸鏈組的裝配如圖5所示。

▲圖5 柔壁組件鉸鏈組裝配

安裝柔壁背面氣流入口處的燕尾滑動(dòng)副,難點(diǎn)在于要保證配合面的形位精度和配合精度。

測(cè)量時(shí),采用芯棒間接測(cè)量燕尾塊的定位配合面,如圖6所示,測(cè)量工具使用激光跟蹤儀。

▲圖6 燕尾滑動(dòng)副測(cè)量

安裝時(shí),將燕尾塊的定位配合面與柔壁側(cè)面平行度調(diào)整為0.03 mm,待燕尾塊固定后,配作定位銷定位。安裝入口導(dǎo)流板氣流背面的黃銅燕尾板,與燕尾塊研磨、配合。

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

噴管段柔壁組件的驅(qū)動(dòng)由多套執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同完成,各套執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理相同,尺寸與推力不同。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度很高,難點(diǎn)在于如何方便地安裝、測(cè)量和測(cè)試。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)懸掛梁耳軸安裝在噴管段上下梁的支座內(nèi),下橫梁與柔壁氣流背面鉸鏈,通過(guò)銷軸連接。通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)的下橫梁帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下移動(dòng),執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可以隨懸掛梁耳軸擺動(dòng)。定位機(jī)構(gòu)左右各有一臺(tái)電動(dòng)缸,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸的梯形絲杠螺母,實(shí)現(xiàn)精密定位。在工作行程的起止位置各安裝一個(gè)行程指示開(kāi)關(guān)。

設(shè)計(jì)工藝芯棒,芯棒配合精度選取H7/h6。測(cè)量工具為水平儀、接桿式內(nèi)徑千分尺。

安裝時(shí),用水平儀將工裝平臺(tái)的安裝面調(diào)水平。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在地面初步裝配完成后,吊到工裝平臺(tái)的安裝位置。在下橫梁鉸鏈內(nèi)安裝芯棒,通過(guò)內(nèi)徑千分尺測(cè)量懸掛梁與下橫梁的平行度。通過(guò)手動(dòng)單獨(dú)調(diào)節(jié)定位機(jī)構(gòu)絲杠螺母副,調(diào)整懸掛梁與下橫梁之間的平行度,達(dá)到不大于0.05 mm的要求。在工裝平臺(tái)上測(cè)試、記錄每套執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo),實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶負(fù)載時(shí)全行程正反向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)同步精度不低于0.05 mm,帶負(fù)載機(jī)構(gòu)單向整體運(yùn)動(dòng)定位精度不低于0.05 mm,運(yùn)動(dòng)速度為5 mm/s。空載工況下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn),無(wú)爬行、卡滯、振動(dòng)、異響,在油缸壓力為0～25 MPa時(shí)運(yùn)行可靠。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配如圖7所示。

▲圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配

3.5 噴管段整體裝配

噴管段整體裝配前,完成洞體框架的裝配、定位、整體加工和分解,柔壁組件的配裝,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配裝,洞體框架上梁、下梁與執(zhí)行機(jī)構(gòu)支座的安裝定位。總裝時(shí),完成支座、下梁、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、柔壁組件的安裝調(diào)試,上梁、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、柔壁組件的安裝調(diào)試,左右立柱、左右側(cè)壁及相關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝調(diào)試,整體吊裝已經(jīng)組裝好的上梁、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、柔壁組件,并安裝噴管段其它零件,整體調(diào)試柔壁系統(tǒng)。

(1)柔壁組件的整體吊裝。柔壁組件剛性較差,起吊、運(yùn)輸、翻面都很困難。解決方案是剛度轉(zhuǎn)換,根據(jù)柔壁的零件特點(diǎn),設(shè)計(jì)一套集起吊、翻身、運(yùn)輸、裝配為一體的復(fù)合工裝[8],加工翻面及起吊運(yùn)輸時(shí)均使用這一工裝,以控制柔壁的變形。柔壁組件的吊裝如圖8所示。

▲圖8 柔壁組件吊裝

(2)下梁執(zhí)行機(jī)構(gòu)的吊裝。下梁執(zhí)行機(jī)構(gòu)吊裝困難,需要先用所設(shè)計(jì)的工裝立柱代替支座,將下梁升高約2 m,再用平板運(yùn)輸車(chē)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)輸至安裝位置的下方,利用兩臺(tái)吊車(chē)配合吊裝,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)吊裝到位。下梁執(zhí)行機(jī)構(gòu)的吊裝如圖9所示。

▲圖9 下梁執(zhí)行機(jī)構(gòu)吊裝

(3)柔壁組件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接。將柔壁組件吊裝至安裝位置后,用千斤頂暫時(shí)支撐,按照前、后、中間的順序驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),與柔壁組件完成連接,連接時(shí)用千斤頂找正柔壁。柔壁寬1 198 mm,確保柔壁側(cè)面與左右側(cè)壁定位面的間隙在全長(zhǎng)范圍內(nèi)基本均勻,達(dá)到1±0.5 mm。柔壁組件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接如圖10所示。

▲圖10 柔壁組件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接

4 調(diào)試

4.1 單套柔壁

柔壁組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與下梁或上梁連接后,需要完成柔壁全行程的調(diào)試工作,對(duì)設(shè)計(jì)是否正確進(jìn)行初步驗(yàn)證,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)、排除新設(shè)備研制所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)、測(cè)控、液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題,確保柔壁運(yùn)動(dòng)控制邏輯正確[9],機(jī)構(gòu)無(wú)卡滯、異響。

型面調(diào)試思路為根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算給出的噴管柔壁型面離散數(shù)據(jù),通過(guò)三維軟件擬合為一條柔壁的二維理論曲線。采用作圖法,基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,規(guī)定好坐標(biāo)原點(diǎn),用激光跟蹤儀測(cè)量實(shí)際柔壁擬合得到的曲線,與理論曲線比較。計(jì)算每套執(zhí)行機(jī)構(gòu)和鉸鏈連接處的實(shí)際曲線與理論曲線的插值,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將柔壁實(shí)際曲線運(yùn)動(dòng)至理論曲線。上述過(guò)程多次循環(huán),反復(fù)迭代。單套柔壁的調(diào)試如圖11所示。

▲圖11 單套柔壁調(diào)試

4.2 柔壁整體

完成噴管段的全部零件裝配后,通過(guò)入口導(dǎo)流板組件入口、柔壁出口與洞體框架之間的墊片,確保噴管段入口高度調(diào)節(jié)至2 100±0.1 mm,出口高度調(diào)節(jié)至1 200±0.1 mm。柔壁出口與噴管段出口端面對(duì)齊,配作定位銷定位。對(duì)柔壁進(jìn)行整體聯(lián)調(diào),調(diào)試順序?yàn)槿岜诹阄还潭ā⑷岜谌谐踢\(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、柔壁橫向水平度調(diào)試、柔壁型面重復(fù)精度調(diào)試、柔壁型面與理論型面吻合精度調(diào)試、柔壁型面對(duì)應(yīng)撐桿行程固化調(diào)試。

(1)柔壁橫截面水平度調(diào)整。通過(guò)懸掛梁支座加調(diào)整墊板實(shí)現(xiàn),具體方法是在懸掛梁支座上加工螺紋孔,通過(guò)頂絲微調(diào)支座高度,待柔壁橫截面水平度調(diào)整為不大于0.2 mm后,測(cè)量支座底部間隙,依據(jù)測(cè)量結(jié)果配作墊片,固定支座。

(2)柔壁組件運(yùn)動(dòng)方式。執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的電動(dòng)缸螺母動(dòng)作到位,油缸驅(qū)動(dòng)下橫梁推動(dòng)柔壁成型。如果各執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)行程合理,那么油缸可推動(dòng)柔壁到位形成光滑曲線。如果有突變點(diǎn),那么油缸不能到位。最后油缸高壓鎖緊,柔壁在內(nèi)部氣流載荷的作用下保持型面的穩(wěn)定性。

(3)柔壁的安全保護(hù)。調(diào)試過(guò)程中,柔壁的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果行走不協(xié)調(diào),那么很容易拉扯柔壁,導(dǎo)致柔壁材料出現(xiàn)破損問(wèn)題。因此,必須在柔壁背氣流面粘貼應(yīng)力變化傳感器,在柔壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔壁的受力情況。設(shè)定應(yīng)力最大值,應(yīng)力變化傳感器一旦監(jiān)測(cè)到實(shí)際應(yīng)力超過(guò)應(yīng)力最大值,則柔壁執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹的大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段裝配工藝應(yīng)用于某新建1.2 m超聲速風(fēng)洞,裝配后噴管段出入口截面間距離為12 500.5 mm;入口截面高為2 100.1 mm，寬為1 200.1 mm,對(duì)角線長(zhǎng)度誤差為0.2 mm,出口截面高為1 200.1 mm,寬為1 200.1 mm,對(duì)角線長(zhǎng)度誤差為0.1 mm;入口法蘭平面與軸線的垂直度為0.2 mm,出口法蘭平面與軸線的垂直度為0.1 mm;左右側(cè)壁全長(zhǎng)平行度不低于0.2 mm,且不低于0.1 mm/m,鉛垂度不大于0.1 mm;柔壁與水平面平行度為0.2 mm,柔壁可實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)1～4.5型面的運(yùn)動(dòng),柔壁中線型面重復(fù)定位精度喉道前不低于0.5 mm,喉道后不低于0.15 mm。

喉道后柔壁型面重復(fù)定位精度為0.15 mm,此指標(biāo)對(duì)于噴管段柔壁這一復(fù)雜、重型機(jī)構(gòu)而言已經(jīng)很高了,裝配上已經(jīng)無(wú)法再優(yōu)化,故項(xiàng)目組勉強(qiáng)接受。從后期風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果來(lái)看,這一噴管段產(chǎn)生的流場(chǎng)質(zhì)量達(dá)到了國(guó)家軍用優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)[10]。實(shí)踐證明,噴管段喉道后柔壁型面重復(fù)定位精度為0.15 mm完全滿足風(fēng)洞的設(shè)計(jì)需求,由此建議后續(xù)建設(shè)的大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段,其柔壁喉道后型面重復(fù)精度可參考本項(xiàng)目實(shí)踐結(jié)論。

筆者介紹的大型超聲速風(fēng)洞全柔壁噴管段裝配方法科學(xué)、合理,研制的相關(guān)工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠性高,安裝測(cè)量方法科學(xué)、精度高,調(diào)試技術(shù)安全、穩(wěn)妥,取得了良好的效果,對(duì)后續(xù)超聲速風(fēng)洞噴管段的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。