朱 巖 王厲哲∕ZHU Yan WANG Lizhe

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)研究

朱 巖 王厲哲∕ZHU Yan WANG Lizhe

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

研究了民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口的設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口的三種分類并總結(jié)了相應(yīng)特點(diǎn)。根據(jù)民用飛機(jī)和動(dòng)力裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)了機(jī)械接口設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，提出了一般設(shè)計(jì)流程，并以液壓泵機(jī)械接口設(shè)計(jì)作為實(shí)例，詳細(xì)描述了機(jī)械接口設(shè)計(jì)的內(nèi)容和流程。為民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)安裝集成設(shè)計(jì)提供了支持和技術(shù)積累。

機(jī)械接口；動(dòng)力裝置系統(tǒng)；民用飛機(jī)

0 引言

機(jī)械接口設(shè)計(jì)是民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)安裝集成設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的電氣信號(hào)傳輸日益復(fù)雜，飛機(jī)液壓、電源、引氣系統(tǒng)等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能源需求日益提高，而上述系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所必須的管路線纜均需通過(guò)狹小的飛機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)與動(dòng)力裝置系統(tǒng)進(jìn)行連接。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)本體與短艙結(jié)構(gòu)等也需要牢固可靠地固定在吊掛結(jié)構(gòu)上，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)向飛機(jī)提供包括推力在內(nèi)的所有功能[1-2]。

從“主制造商-供應(yīng)商”關(guān)系而言，明確飛機(jī)方和供應(yīng)商之間的分工和設(shè)計(jì)界面，是系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的首要工作。在此前提下，根據(jù)分工和設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行界面上的接口方案設(shè)計(jì)，以滿足飛機(jī)方和供應(yīng)商兩邊的要求。最終通過(guò)機(jī)械接口定義確定上述界面和方案，并作為飛機(jī)方和供應(yīng)商內(nèi)部設(shè)計(jì)的必要輸入和依據(jù)。因此，機(jī)械接口設(shè)計(jì)不能僅滿足于界面上的簡(jiǎn)單劃分，而是要綜合考慮和權(quán)衡包括系統(tǒng)布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性、維修性和經(jīng)濟(jì)性等因素，形成切實(shí)可行的機(jī)械接口設(shè)計(jì)方案，完成機(jī)械接口設(shè)計(jì)定義。

1 機(jī)械接口分類

民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口通常包括系統(tǒng)類接口、結(jié)構(gòu)類接口和安裝檢查接口。

1.1 系統(tǒng)類接口

系統(tǒng)類接口主要分為買方設(shè)備BFE和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配組件EBU兩類接口。其中買方設(shè)備BFE(Buyer Furnished Equipment，簡(jiǎn)稱BFE)通常包含有發(fā)電機(jī)、液壓泵、環(huán)控活門(mén)和著火探測(cè)器等。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配組件EBU(Engine Build-Up，簡(jiǎn)稱EBU)通常包含有液壓系統(tǒng)設(shè)備、電源系統(tǒng)設(shè)備、起動(dòng)和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備、氣源系統(tǒng)設(shè)備、電氣系統(tǒng)設(shè)備、防火系統(tǒng)設(shè)備、燃油系統(tǒng)設(shè)備等設(shè)備組件。圖1展示了某型號(hào)飛機(jī)與動(dòng)力裝置間系統(tǒng)類接口的位置和種類。

圖1 系統(tǒng)類接口位置示意

1.2 結(jié)構(gòu)類接口

結(jié)構(gòu)類接口主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)本體與吊掛結(jié)構(gòu)的安裝節(jié)接口、短艙結(jié)構(gòu)(包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇罩、反推力結(jié)構(gòu)、尾噴管等)與吊掛結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)本體間的接口、以及支持系統(tǒng)類接口的安裝支架接口。圖2展示了某型號(hào)飛機(jī)與動(dòng)力裝置間結(jié)構(gòu)類接口的位置和種類。

圖2 結(jié)構(gòu)類接口位置示意

1.3 安裝檢查類接口

如圖3所示，在開(kāi)展具體的系統(tǒng)類和結(jié)構(gòu)類機(jī)械接口設(shè)計(jì)之前，需確定動(dòng)力裝置系統(tǒng)在飛機(jī)上的總體安裝布局；進(jìn)行短艙氣動(dòng)外形定義；檢查動(dòng)力裝置與飛機(jī)機(jī)體和其他系統(tǒng)之間的安裝和維護(hù)間隙；檢查動(dòng)力裝置系統(tǒng)和地面支持設(shè)備的安裝間隙等，通常稱之為安裝檢查類接口。

圖3 安裝檢查類接口示意

2 機(jī)械接口設(shè)計(jì)內(nèi)容和流程

2.1 機(jī)械接口設(shè)計(jì)內(nèi)容

民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)，首先需明確飛機(jī)方和供應(yīng)商之間的分工和設(shè)計(jì)界面。在此前提下，根據(jù)分工和設(shè)計(jì)界面，進(jìn)行界面上的接口方案設(shè)計(jì)，以滿足飛機(jī)方和供應(yīng)商兩邊的要求。最終通過(guò)機(jī)械接口定義確定上述界面和方案，并作為飛機(jī)方和供應(yīng)商內(nèi)部設(shè)計(jì)的必要輸入和依據(jù)。

2.1.1 系統(tǒng)類機(jī)械接口設(shè)計(jì)內(nèi)容

對(duì)于系統(tǒng)類機(jī)械接口，主要包括買方設(shè)備BFE和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配組件EBU的安裝和接口設(shè)計(jì)。

對(duì)于屬于買方設(shè)備BFE的發(fā)電機(jī)、液壓泵、環(huán)控活門(mén)和著火探測(cè)器等，主要涉及發(fā)電機(jī)和液壓泵在附件齒輪箱上的安裝以及附屬管路的接口設(shè)計(jì)，環(huán)控活門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)的安裝和接口設(shè)計(jì)，著火探測(cè)器在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇區(qū)和核心區(qū)內(nèi)的布置和接口設(shè)計(jì)等。

對(duì)于屬于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配組件EBU的設(shè)備組件，主要開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)吊掛分界面上的系統(tǒng)接口總體布置設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)備的接口設(shè)計(jì)。前者需基于發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的系統(tǒng)設(shè)備布置方案(尤其是附件齒輪箱的布置方案)，以及飛機(jī)吊掛內(nèi)部的系統(tǒng)設(shè)備布置方案，進(jìn)行綜合考慮和集成設(shè)計(jì)。后者主要是針對(duì)液壓系統(tǒng)、起動(dòng)和環(huán)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、防火系統(tǒng)等管路的接口設(shè)計(jì)，以及電氣控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的線纜和連接器接口設(shè)計(jì)。

機(jī)械接口設(shè)計(jì)的結(jié)果包括但不限于接口定義基準(zhǔn)、接口處的連接部件外形和尺寸、接口點(diǎn)位置和公差、材料信息、管路接頭型號(hào)和線纜連接器型號(hào)等。以上內(nèi)容最終通過(guò)機(jī)械接口定義文件確定。

2.1.2 結(jié)構(gòu)類機(jī)械接口設(shè)計(jì)內(nèi)容

對(duì)于結(jié)構(gòu)類接口，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體與吊掛結(jié)構(gòu)的安裝節(jié)接口、短艙結(jié)構(gòu)與吊掛結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)本體間的接口、以及支持系統(tǒng)類接口的安裝支架接口。此類接口需詳細(xì)描述接口兩側(cè)結(jié)構(gòu)和密封件的外形以及尺寸、接口點(diǎn)位置和公差、材料信息、緊固件等信息。特別地，為確保正常安裝和使用，需進(jìn)行必要的安裝間隙檢查和公差積累分析，進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。

2.1.3 安裝檢查類機(jī)械接口設(shè)計(jì)內(nèi)容

在開(kāi)展具體的系統(tǒng)類和結(jié)構(gòu)類機(jī)械接口設(shè)計(jì)之前，需確定動(dòng)力裝置系統(tǒng)在飛機(jī)上的總體安裝布局,此類機(jī)械接口的設(shè)計(jì)內(nèi)容通常是確定飛機(jī)坐標(biāo)系和發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系從而確定動(dòng)力裝置的安裝位置[2]。為確保動(dòng)力裝置系統(tǒng)在飛機(jī)上的正常安裝和工作，需針對(duì)用于動(dòng)力裝置安裝的地面支持設(shè)備(如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸車、反推力裝置運(yùn)輸車等)，反推力裝置打開(kāi)狀態(tài)，風(fēng)扇罩開(kāi)啟狀態(tài)等，結(jié)合飛機(jī)機(jī)體(如吊掛結(jié)構(gòu)、機(jī)翼前后緣和貨艙門(mén)等)和其他系統(tǒng)(如起落架等)進(jìn)行必要的安裝、維護(hù)和工作狀態(tài)間隙檢查。此外，在完成短艙氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)后，通常也通過(guò)機(jī)械接口對(duì)氣動(dòng)外形加以明確。

2.2 機(jī)械接口設(shè)計(jì)流程

對(duì)上述機(jī)械接口設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行歸納，總結(jié)出動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)流程

3 機(jī)械接口設(shè)計(jì)實(shí)例

下面以液壓泵機(jī)械接口設(shè)計(jì)作為實(shí)例，詳細(xì)描述了機(jī)械接口設(shè)計(jì)的內(nèi)容和流程。

3.1 確定動(dòng)力裝置在飛機(jī)上的總體安裝布局

該步驟為所有其他機(jī)械接口定義的初始步驟，目標(biāo)是獲得動(dòng)力裝置系統(tǒng)與飛機(jī)之間的相對(duì)安裝位置[3]，從而確定動(dòng)力裝置系統(tǒng)上任意一點(diǎn)在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。某型飛機(jī)坐標(biāo)系與發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系關(guān)系示意如圖5所示。

圖5 飛機(jī)坐標(biāo)系與發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系關(guān)系示意

3.2 布置液壓泵的安裝位置

在該步驟中，首先需協(xié)調(diào)液壓泵制造商提供初步的液壓泵數(shù)模，進(jìn)而在短艙內(nèi)附件齒輪箱上進(jìn)行初始安裝布置，確認(rèn)液壓泵的外形以及與附件齒輪箱的相對(duì)位置[4]。

3.3 確定液壓泵與附件齒輪箱的連接標(biāo)準(zhǔn)和公差

本步驟中，需確定以下信息：

1)傳動(dòng)齒的齒數(shù)、尺寸、公差、角度、倒角和有效工作長(zhǎng)度等信息；

2)定位銷尺寸、公差和位置信息；

3)連接處密封圈數(shù)量和尺寸以及標(biāo)準(zhǔn)信息(如采用NAS1611和AS3209型號(hào)密封圈)[5]；

4)V型卡箍的尺寸和公差信息。

3.4 確定液壓泵與液壓管間的連接標(biāo)準(zhǔn)和公差

本步驟中，需確定以下信息：

1)連接接頭的形式(可采用快卸接頭和自鎖接頭)和連接標(biāo)準(zhǔn)信息，注意公端和母端的匹配；

2)按需采用直角轉(zhuǎn)彎接頭以方便布置安裝；

3)相關(guān)的接頭標(biāo)準(zhǔn)圖。

3.5 定義液壓泵機(jī)械接口定義文件

本步驟中，根據(jù)機(jī)械接口定義文件通用要求，將上述步驟中所確定的信息整理完成液壓泵機(jī)械接口定義文件。該文件應(yīng)至少包括以下信息：

1)動(dòng)力裝置系統(tǒng)在飛機(jī)上的總體安裝布局定義信息；

2)接口定義中所依據(jù)的液壓泵和動(dòng)力裝置系統(tǒng)件號(hào)；

3)接口點(diǎn)和矢量點(diǎn)的坐標(biāo)信息；

4)連接標(biāo)準(zhǔn)和公差信息；

5)液壓泵和接頭的圖紙信息。

需要特別指出的是，機(jī)械接口定義并非一蹴而就或是一步到位的，可根據(jù)掌握信息的情況循序漸進(jìn)的逐步確定相關(guān)信息形成階段性文件，并隨著設(shè)計(jì)的完善和深入而不斷更新迭代。

4 結(jié)論

本文研究了民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)機(jī)械接口設(shè)計(jì)的分類，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程。并以液壓泵機(jī)械接口設(shè)計(jì)為例，描述了機(jī)械接口設(shè)計(jì)的內(nèi)容和流程。在民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)安裝集成設(shè)計(jì)時(shí)，以期為機(jī)械接口設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第五冊(cè)，第十三冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[2] 黨鐵紅.翼吊布局民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝設(shè)計(jì)[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2008，2：8-14.

[3] 朱巖，田宏星.基于數(shù)字樣機(jī)的民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置確定方法研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013，1：49-51.

[4] 韓定邦，楊化龍，夏鶴鳴.民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)元件的安裝設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2012，19：98-99.

[5] 謝孟愷，張建波，樸學(xué)奎，顏顏.民用飛機(jī)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵密封圈與發(fā)動(dòng)機(jī)短艙熱兼容性分析[J].科技信息，2012，32：653-654.

Study of Mechanical Interface Design of Powerplant System for Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This paper studies the mechanical interface design technology of powerplant system for civil aircraft. Three different types of powerplant system mechanical interface and associated characteristics were presented. The paper concludes the main design work of mechanical interface design, and proposes general process of mechanical interface design of powerplant system. The detailed design work and process are presented with taking the hydraulic pump mechanical interface design as example. The research supported the installation integration design of powerplant system for civil aircraft and the accumulated technology.

mechanical interface; powerplant system; civil aircraft

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.016

V228

A