趙虔

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程技術(shù)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(jī)關(guān)鍵部件的電磁兼容試驗、隱身測試等重要工作，設(shè)有定位轉(zhuǎn)臺及升降支撐系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)被測試目標(biāo)的架設(shè)、升降及旋轉(zhuǎn)等功能，以滿足被測試目標(biāo)的動態(tài)多維度測試需求。該測試平臺主要由定位轉(zhuǎn)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(qū)動及支撐桿升降的結(jié)構(gòu)形式，利用伺服電控系統(tǒng)、齒輪箱配合齒條傳動實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，將被測試目標(biāo)沿垂直方向升降至任意測試位置并定位。定位轉(zhuǎn)臺與升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定位轉(zhuǎn)臺與升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

支撐系統(tǒng)主要由支撐桿、支撐桿支撐平臺、導(dǎo)向?qū)к?、定滑輪、鋼絲繩、傳動機(jī)構(gòu)、齒條、齒輪箱等部件組成。通過高強(qiáng)度螺栓、法蘭、雙頭螺柱將支撐框架、配重框架、轉(zhuǎn)臺臺面緊固相連，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其整體精度。支撐桿及支撐平臺設(shè)計質(zhì)量約為15 t、配重20 t，能夠承載25 t，在高負(fù)載的情況下升降支撐系統(tǒng)能夠在任意位置自鎖并定位，以保證轉(zhuǎn)臺及升降支撐系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動，配合消隙齒輪箱與齒條嚙合傳動，實(shí)現(xiàn)向的垂直升降運(yùn)動功能。系統(tǒng)設(shè)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(fù)定位精度滿足使用需求，以將被測試目標(biāo)安全可靠地提升至相應(yīng)的測試高度。同時，該系統(tǒng)中還采用支撐配重，保證支撐桿升降過程中向運(yùn)動和機(jī)械配重相匹配，實(shí)現(xiàn)空載與負(fù)載狀態(tài)下向驅(qū)動功率的一致性。因此，支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性會嚴(yán)重影響被測試目標(biāo)的安全性及可靠性。

1 支撐系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及原因分析

1.1 支撐系統(tǒng)運(yùn)行過程中的問題

該支撐系統(tǒng)建成之后，進(jìn)行首次載重25 t全行程測試，通過專用工裝搭載25 t標(biāo)準(zhǔn)配重設(shè)施，并在配重底部放置安全防護(hù)托架，避免配重意外掉落。工作人員完成相應(yīng)準(zhǔn)備、架設(shè)工作后，操作支撐系統(tǒng)同步慢速上升，由支撐系統(tǒng)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(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)兩套支撐桿均出現(xiàn)低速下滑現(xiàn)象，支撐系統(tǒng)同步超差報警并立即停止運(yùn)行，切斷電源后，25 t標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該問題造成1號支撐桿的驅(qū)動電機(jī)與齒輪箱之間的聯(lián)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(tǒng)運(yùn)行軟件記錄，發(fā)現(xiàn)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(shè)計范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)同步超差自動報警并切斷電源，驅(qū)動電機(jī)停止工作。同時，支撐系統(tǒng)發(fā)生故障，在瞬間下滑的過程中驅(qū)動電機(jī)停止工作，造成齒輪箱傳動扭矩過大，導(dǎo)致1號支撐桿的驅(qū)動電機(jī)和齒輪箱聯(lián)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(tǒng)工作過程負(fù)載計算

支撐系統(tǒng)向運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成如圖3所示，包括升降機(jī)構(gòu)、齒條、傳動導(dǎo)軌、導(dǎo)向?qū)к壍炔考?其中升降機(jī)構(gòu)用于向運(yùn)動的驅(qū)動。

圖3 支撐系統(tǒng)Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成

支撐系統(tǒng)在向運(yùn)動負(fù)載狀態(tài)下，支撐系統(tǒng)質(zhì)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(fù)載工作狀態(tài)受力示意

驅(qū)動齒輪受力最大工況應(yīng)在加速度達(dá)到最大值的運(yùn)動時刻或急停時刻，計算中忽略滑輪阻力等因素，認(rèn)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(fù)載狀態(tài)下受力分析

從表1可以看出：在負(fù)載條件下，設(shè)備加速下降、急停、停止時，齒輪、斜齒條、減速箱等傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力矩均較大。考慮到該設(shè)備傳動部件均按3倍安全使用要求進(jìn)行設(shè)計，所以造成此次設(shè)備下滑的主要原因是：系統(tǒng)按照設(shè)定高度穩(wěn)定停止后，向伺服電機(jī)減速機(jī)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(dǎo)致升降支撐系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)最脆弱的T形換向器輸出軸斷裂，引起支撐桿發(fā)生不同程度的下滑現(xiàn)象。

2 優(yōu)化方案

針對上述問題，在設(shè)備已經(jīng)設(shè)計成型且已安裝完畢的基礎(chǔ)之上，增加一套液壓輔助精準(zhǔn)固定裝置，安裝于升降系統(tǒng)各傳動導(dǎo)軌，以保證支撐桿及其移動平臺在向急停、加速下降、停止運(yùn)動時能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地固定在適當(dāng)位置上，同時提高支撐系統(tǒng)的固定剛性與穩(wěn)定性，解決設(shè)備在急停、停止時傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)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(jīng)計算，所設(shè)計系統(tǒng)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(tǒng)適用于大型數(shù)控機(jī)床向主軸定位，能夠代替配重。該系統(tǒng)采用特殊的壓力膜技術(shù)，性能可靠且不會出現(xiàn)壓力損失和泄漏，制動閘的夾持面與導(dǎo)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(dǎo)向?qū)к壍恼妫峭ㄟ^側(cè)面夾持，減少對導(dǎo)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(tǒng)，在兩套支撐系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壍膫?cè)面分別增加4套液壓制動器(如圖5所示)，同時在支撐系統(tǒng)底部的外側(cè)增加一套液壓控制系統(tǒng)，以提供15～16 MPa的工作壓力。即該套液壓系統(tǒng)的夾持力能夠達(dá)到80 000 N，能夠解決在負(fù)載情況下，支撐系統(tǒng)加速下降、急停時齒輪、斜齒條、減速箱等傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力矩較大的問題，保證升降支撐系統(tǒng)能夠?qū)崟r、安全、可靠、準(zhǔn)確地固定在停止位置。

圖5 抱軌器結(jié)構(gòu)

2.1 液壓抱軌器液壓系統(tǒng)工作原理

所設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作原理如圖6所示。系統(tǒng)正常啟動后，由PLC控制程序啟動液壓系統(tǒng)，電機(jī)泵5啟動后液壓系統(tǒng)自動加壓，電磁溢流閥8將系統(tǒng)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(guān)10檢測系統(tǒng)壓力，低壓信號啟動電機(jī)泵5，高壓信號停止電機(jī)泵5，蓄能器12儲存液壓能以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定；溢流閥14進(jìn)行二次溢流，達(dá)到液壓系統(tǒng)各執(zhí)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(tài)位置時液壓抱軌器處于夾緊狀態(tài)，電磁閥線圈工作時液壓抱軌器處于松開狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)液壓抱軌器的正常打開、關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓抱軌器對垂直方向的運(yùn)行導(dǎo)軌的側(cè)面夾持，減少對導(dǎo)軌面的沖擊和損傷。此外，在工作過程中，如液壓系統(tǒng)工作異常，該系統(tǒng)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(tǒng)后，設(shè)備可以正常運(yùn)行。

圖6 液壓系統(tǒng)原理

2.2 液壓抱軌器(制動器)液壓系統(tǒng)電氣控制

支撐系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)電路如圖7所示，液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電信號傳送給PLC，PLC通過比較壓力值與所設(shè)定的正常值，輸出3種數(shù)字信號，分別為正常、大于、小于。

圖7 液壓抱軌器PLC控制系統(tǒng)電路

3 實(shí)際實(shí)施效果

系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)正常啟動上電，液壓泵正常啟動，液壓系統(tǒng)所含的各元器件正常工作，壓力達(dá)到設(shè)定狀態(tài)，液壓制動器(抱軌器)正常加壓打開，工作人員設(shè)定升降支撐系統(tǒng)正常上升或下降指令，升降系統(tǒng)向驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)正常工作，升降支撐系統(tǒng)到達(dá)正常設(shè)定位置，驅(qū)動電機(jī)停止工作，液壓系統(tǒng)自動關(guān)閉，液壓制動器(抱軌器)失壓關(guān)閉，緊緊地將導(dǎo)向?qū)к壍膫?cè)面完全夾持，減少對導(dǎo)軌面的沖擊和損傷，提高支撐系統(tǒng)的安全性和可靠性，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)

隨后，在25 t標(biāo)準(zhǔn)配重重載的情況下，升降支撐系統(tǒng)通過多次上升、下降、停止、急停驗證，系統(tǒng)均穩(wěn)定可靠，且未出現(xiàn)支撐系統(tǒng)下滑及驅(qū)動電機(jī)、齒輪、齒條、減速箱、聯(lián)軸器的損壞及磨損現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 所設(shè)計的升降支撐系統(tǒng)25 t標(biāo)準(zhǔn)配重測試

4 結(jié)論

在已設(shè)計成型且安裝完畢的設(shè)備上增加專用液壓抱軌器，降低了升降支撐系統(tǒng)運(yùn)行過程中各驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、齒條等關(guān)鍵部件的沖擊和損傷，提高了升降支撐系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)際運(yùn)行效果良好。該裝置應(yīng)用效果顯著，保證了飛機(jī)關(guān)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(jìn)行。