一種大型升降支撐系統的液壓抱軌準停裝置設計與應用

趙虔

(成都飛機工業(集團)有限責任公司工程技術部，四川成都610091)

0 前言

某大型微波暗室測試平臺主要用于完成飛機關鍵部件的電磁兼容試驗、隱身測試等重要工作，設有定位轉臺及升降支撐系統，可實現被測試目標的架設、升降及旋轉等功能，以滿足被測試目標的動態多維度測試需求。該測試平臺主要由定位轉臺、支撐桿、支撐桿支撐平臺、支撐配重、齒條、齒輪箱等組件組成，并采用中心定位、邊緣摩擦驅動及支撐桿升降的結構形式，利用伺服電控系統、齒輪箱配合齒條傳動實現系統平穩運行，將被測試目標沿垂直方向升降至任意測試位置并定位。定位轉臺與升降支撐系統結構如圖1所示。

圖1 定位轉臺與升降支撐系統結構

支撐系統主要由支撐桿、支撐桿支撐平臺、導向導軌、定滑輪、鋼絲繩、傳動機構、齒條、齒輪箱等部件組成。通過高強度螺栓、法蘭、雙頭螺柱將支撐框架、配重框架、轉臺臺面緊固相連，保證其結構強度及其整體精度。支撐桿及支撐平臺設計質量約為15 t、配重20 t，能夠承載25 t，在高負載的情況下升降支撐系統能夠在任意位置自鎖并定位，以保證轉臺及升降支撐系統的安全性及穩定性。

該系統的傳動機構采用伺服電機驅動，配合消隙齒輪箱與齒條嚙合傳動，實現向的垂直升降運動功能。系統設置有光柵尺，位移精度等級為±5 μm，保證支撐桿向定位精度及重復定位精度滿足使用需求，以將被測試目標安全可靠地提升至相應的測試高度。同時，該系統中還采用支撐配重，保證支撐桿升降過程中向運動和機械配重相匹配，實現空載與負載狀態下向驅動功率的一致性。因此，支撐系統的穩定性會嚴重影響被測試目標的安全性及可靠性。

1 支撐系統運行過程中出現的問題及原因分析

1.1 支撐系統運行過程中的問題

該支撐系統建成之后，進行首次載重25 t全行程測試，通過專用工裝搭載25 t標準配重設施，并在配重底部放置安全防護托架，避免配重意外掉落。工作人員完成相應準備、架設工作后，操作支撐系統同步慢速上升，由支撐系統完全承載25 t配重后，兩套支撐桿同步上升，將25 t配重頂升至離開專用工裝20 mm處停止后，現場工作人員發現兩套支撐桿均出現低速下滑現象，支撐系統同步超差報警并立即停止運行，切斷電源后，25 t標準配重明顯傾斜。隨后，工作人員利用專用工裝的手動升降功能，將25 t配重安全承載并移出支撐平臺。經檢查發現，該問題造成1號支撐桿的驅動電機與齒輪箱之間的聯接T形換向器輸出軸斷裂。

1.2 原因分析

針對上述問題，研究人員集中討論分析，并查看系統運行軟件記錄，發現兩套支撐桿正常停止后，下滑位移量明顯不一致，其中1號、2號支撐桿下降距離分別為8、6 mm，均已超出支撐桿同步性5 mm的安全距離設計范圍，導致系統同步超差自動報警并切斷電源，驅動電機停止工作。同時，支撐系統發生故障，在瞬間下滑的過程中驅動電機停止工作，造成齒輪箱傳動扭矩過大，導致1號支撐桿的驅動電機和齒輪箱聯接的T形換向器的傳動軸斷裂，如圖2所示。

圖2 T形換向器傳動軸斷裂示意

1.3 支撐系統工作過程負載計算

支撐系統向運動機構組成如圖3所示，包括升降機構、齒條、傳動導軌、導向導軌等部件,其中升降機構用于向運動的驅動。

圖3 支撐系統Z向運動機構組成

支撐系統在向運動負載狀態下，支撐系統質量15 t、配重20 t、升降過程中齒輪力方向向上，如圖4所示。

圖4 負載工作狀態受力示意

驅動齒輪受力最大工況應在加速度達到最大值的運動時刻或急停時刻，計算中忽略滑輪阻力等因素，認為鋼絲繩拉力處處相等。上升和下降的最大受力狀況見表1。

表1 負載狀態下受力分析

從表1可以看出：在負載條件下，設備加速下降、急停、停止時，齒輪、斜齒條、減速箱等傳動機構的驅動力矩均較大?？紤]到該設備傳動部件均按3倍安全使用要求進行設計，所以造成此次設備下滑的主要原因是：系統按照設定高度穩定停止后，向伺服電機減速機制動和電磁剎車同時停止，齒輪箱傳動扭矩過大而造成瞬間傳動部件力矩偏大，導致升降支撐系統傳動機構最脆弱的T形換向器輸出軸斷裂，引起支撐桿發生不同程度的下滑現象。

2 優化方案

針對上述問題，在設備已經設計成型且已安裝完畢的基礎之上，增加一套液壓輔助精準固定裝置，安裝于升降系統各傳動導軌，以保證支撐桿及其移動平臺在向急停、加速下降、停止運動時能夠穩定、準確地固定在適當位置上，同時提高支撐系統的固定剛性與穩定性，解決設備在急停、停止時傳動機構驅動力矩偏大的問題，避免由于沖擊等造成兩支撐桿不同步以及安全問題。

經計算，所設計系統的專用液壓制動器需滿足夾持力10 000 N、工作壓力15～16 MPa以解決上述問題。該系統適用于大型數控機床向主軸定位，能夠代替配重。該系統采用特殊的壓力膜技術，性能可靠且不會出現壓力損失和泄漏，制動閘的夾持面與導軌面契合，能夠最大程度保證軸向剛性。此外，該液壓制動器不作用于導向導軌的正面，而是通過側面夾持，減少對導軌面的沖擊和損傷，同時降低了液壓制動(抱軌器)引起的支撐桿晃動幅度。因此，針對升降支撐系統，在兩套支撐系統導向導軌的側面分別增加4套液壓制動器(如圖5所示)，同時在支撐系統底部的外側增加一套液壓控制系統，以提供15～16 MPa的工作壓力。即該套液壓系統的夾持力能夠達到80 000 N，能夠解決在負載情況下，支撐系統加速下降、急停時齒輪、斜齒條、減速箱等傳動機構的驅動力矩較大的問題，保證升降支撐系統能夠實時、安全、可靠、準確地固定在停止位置。

圖5 抱軌器結構

2.1 液壓抱軌器液壓系統工作原理

所設計的液壓系統工作原理如圖6所示。系統正常啟動后，由PLC控制程序啟動液壓系統，電機泵5啟動后液壓系統自動加壓，電磁溢流閥8將系統回路壓力溢流至工作壓力，通過單向閥9將液壓油提供給液壓回路；利用壓力檢測開關10檢測系統壓力，低壓信號啟動電機泵5，高壓信號停止電機泵5，蓄能器12儲存液壓能以保證系統工作穩定；溢流閥14進行二次溢流，達到液壓系統各執行元件工作壓力，隨后通過減壓閥15減壓至液壓抱軌器工作壓力；電磁換向閥17通過閥芯位置變化控制液壓抱軌器工作及停止，電磁換向閥常態位置時液壓抱軌器處于夾緊狀態，電磁閥線圈工作時液壓抱軌器處于松開狀態，由此實現液壓抱軌器的正常打開、關閉狀態，實現液壓抱軌器對垂直方向的運行導軌的側面夾持，減少對導軌面的沖擊和損傷。此外，在工作過程中，如液壓系統工作異常，該系統停止工作，液壓抱軌器自動鎖緊，待故障情況解決后，重新啟動液壓系統后，設備可以正常運行。

圖6 液壓系統原理

2.2 液壓抱軌器(制動器)液壓系統電氣控制

支撐系統液壓控制系統PLC控制系統電路如圖7所示，液壓系統正常啟動后，液壓抱軌器打開，通過壓力變送器將壓力信號轉換為電信號傳送給PLC，PLC通過比較壓力值與所設定的正常值，輸出3種數字信號，分別為正常、大于、小于。

圖7 液壓抱軌器PLC控制系統電路

3 實際實施效果

系統應用專用液壓抱軌器裝置后(如圖8所示)，在空載情況下升降支撐系統正常啟動上電，液壓泵正常啟動，液壓系統所含的各元器件正常工作，壓力達到設定狀態，液壓制動器(抱軌器)正常加壓打開，工作人員設定升降支撐系統正常上升或下降指令，升降系統向驅動電機驅動減速機正常工作，升降支撐系統到達正常設定位置，驅動電機停止工作，液壓系統自動關閉，液壓制動器(抱軌器)失壓關閉，緊緊地將導向導軌的側面完全夾持，減少對導軌面的沖擊和損傷，提高支撐系統的安全性和可靠性，達到了預期效果。

圖8 優化后的液壓系統

隨后，在25 t標準配重重載的情況下，升降支撐系統通過多次上升、下降、停止、急停驗證，系統均穩定可靠，且未出現支撐系統下滑及驅動電機、齒輪、齒條、減速箱、聯軸器的損壞及磨損現象，如圖9所示。

圖9 所設計的升降支撐系統25 t標準配重測試

4 結論

在已設計成型且安裝完畢的設備上增加專用液壓抱軌器，降低了升降支撐系統運行過程中各驅動電機、減速機、齒輪、齒條等關鍵部件的沖擊和損傷，提高了升降支撐系統的安全性、可靠性、穩定性，實際運行效果良好。該裝置應用效果顯著，保證了飛機關鍵部件的電磁兼容試驗、隱身測試、紅外測試等重要試驗的順利進行。