摘要：航空发动机相当于飞机的“心脏”，它对航空飞机的性能、稳定性和经济性具有不可忽视的影响。发动机的安装工作是飞机装配非常重要的环节，而其重量和体积大，外部布局十分复杂，并且安装空间小，导致其在安装的过程中遇到明显的阻碍。本研究为处理航空发动机安装过程中精度低、安装效率低等问题，设计了优化的安装工艺，并综合本研究提出的新型自动调姿安装方法，完成了对航空发动机自动调姿安装的设计及应用工作。
关键词：航空发动机；自动调姿；设计应用
1航空发动机安装作业难点分析
（1）发动机的重量和占用空间大。常规的发动机规格：总量大概为1500-3000kg，长约3000-5000mm，外径约800-1200mm。发动机通常是偏心装夹在安装架车上，因发动机过大的质量和体积特点，安装架车的机械承载能力和调姿精度都需达到较高的水平，装夹处的微小位移控制量会导致发动机位姿及安装点产生较大的位移。
（2）发动机的外形布局复杂。飞机发动机为了实现其功能及性能，具有很多油缸和气缸，相应地连接了气体管路及油管路，使发动机外表面遍布了大量且不规则的管路，导致了发动机外轮廓并不是一个完整且光滑的圆柱体。在发动机安装及拆卸过程中，极易挤压和破坏到这些导管，一旦导管有损坏，将影响发动机的工作性能，会带来很大的危险。
（3）发动机安装舱内的安装空间小，周边环控、燃油、液压等管路布局复杂导致发动机安装轨迹复杂。作为发动机的安装舱，飞机短舱用于固定和保护发动机，其内部结构虽然简单，但受到空气动力学的影响，在设计时其空间和形状会受到一定的限制。
2航空发动机安装自动调姿系统的分析与设计应用
2.1平台调姿系统的设计
调姿平台系统采用“3+2”自由度的调姿方案，它是实现调姿安装作业的主要组成部分，它能够完成6个自由空间“3+2”自由度的调姿。调姿平台采用双层骨架车架，底部为底盘（相对静止），采用4组高精度麦克纳姆轮构成的行走系统，在地面上实现前后、左右和原地正反转的初步定位与调姿。调姿平台上层为精密平移系统，下层为精密升降系统，调姿平台总体示意如图1所示。
2.2调姿平台上层设计
调姿平台上层需实现纵向及横向两个自由度的平移调姿，将平台上层分为推进系统及侧移系统两部分，调姿平台上层结构示意图如图2所示。
图1调姿平台总体示意图 图2调姿平台上层 图3推进机构示意图
推进系统：应能满足发动机前后移动行程2000mm，自动与手动相结合调整，可无级微调，最小微调满足卡抱孔H8与推力销轴f7的配合精度，且系统要保证发动机稳定的移动，所以推进系统由发动机托架、线性导轨-滑块、推进机构三部分组成。
（1）发动机托架：牢固且稳定的固定航空发动机，并以某型航空发动机手动安装设备的托架作为主要参考，在这个前提下展开调整，进而让托架在稳固发动机的时候能够对自动调姿系统的布置和控制方式进行良好的适应。
（2）线性导轨-滑块：将平行导轨设置于平移底板的两侧，每根导轨都分别设定两块专门的滑块，滑块承载着发动机和发动机托架移动运行。
（3）推进机构（如图1-3所示）由手轮、伺服电机、减速机、电磁离合器、滚珠丝杠等组成。通过手动或自动可使发动机托架沿着导轨前后运动；采用伺服电机-减速机-滚珠丝杠的布置方式，减速机能够支持有效的闭环控制，其运动精度达到较高的水平，并表现出优良的可靠性。除此之外，自动调姿平台是发动机姿态调节过程中非常关键的数控精密调整平台，其采用的控制机制对发动机的安装工作具有不可忽视的影响。调姿平台推进方向行程长，自动速率及精度要求高，选择滚珠丝杆，滚珠丝杆是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，滚珠丝杆使用的是循环滚珠轴承，方便以最大限度减小摩擦并提高运动效率，所以滚珠丝杆同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，将滚珠丝杠设置于底板中轴线位置，伺服电机可以对其进行调控，从而对螺母座实现有效的前后驱动，促使安装板朝着指定方向不断移动，最终实现姿态调整的目的；电磁离合器的作用是启动和释放自锁功能，为发动机精准对位提供微量的柔性余量，即当发动机及推力销通过调姿平台微调到达卡抱位置，调整对位后卡抱抱紧并预紧螺栓，此时的推力销和卡抱之间有可能存在一定应力，若将电磁离合器释放，则其释放的自由度可自适应调整，从而消除部分连接应力。
侧移系统：应能满足发动机左右移动调整量±100mm，自动与手动相结合调整，可无级微调，最小微调量满足卡抱孔H8与推力销轴f7配合精度。由线性导轨-滑块和侧移机构两部分组成。
（1）线性导轨-滑块：将平行导轨设置在底板两侧，每根导轨都分别设定两块专门的滑块，将4个滑块连接于推进平移底板下，承载了推进系统。
（2）侧移机构：同样由手轮、伺服电机、减速机、电磁离合器、滚珠丝杠等组成，带动推进平移底板左右移动，实现侧移方向水平的姿态调姿。调姿平台上层采用2组精密伺服电机及精密直线运动导轨与精密滚珠丝杠组成精密平移系统，通过2组精密伺服电机在高速PLC程序控制下的多种运动合成，实现前后、左右两个水平方向的移动。
2.3调姿范围及精度的设计与分析
（1）调姿平台上层调姿范围及精度
调姿平台上的导轨滑块及其推进机构实现纵向和横向的直线推拉功能。前后主调节机构（发动机推进机构）的前后调整行程2000mm，并可无级微调，最小微调量满足卡抱孔H8与推力销轴f7配合精度，纵向滚珠丝杠2000mm行程上的导程误差为±0.05mm；左右精确调整机构（发动机侧移机构）的左右调整量±100mm，自动与手动相结合调整，可无级微调，最小微调量满足卡抱孔H8与推力销轴f7配合精度；横向滚珠丝杠在200mm行程上的导程误差为±0.01mm。
（2）调姿平台下层调姿范围及精度
各电动伺服缸的升降行程为300mm（-100，+200），并具备机械自锁性能，其微调定位精度±0.3mm，导程误差为±0.1mm，机械变形、机构换算误差等因素引起的调姿误差可忽略不计，因此调姿精度可达到与螺旋升降机同等精度。俯仰精确调整：发动机中心线与发动机舱中心线基本重合时，发动机前端面微调前后俯仰调节角度：±5°，精度为0.1′；横滚精确调整：推力销中心线与卡抱结构中心线基本平行时，沿发动机中轴线旋转时，推力销末端侧向转动调节角度最小范围：±5°精度，精度为0.1′；水平旋转精确调整：发动机中心线与发动机舱中心线基本重合时，发动机前端面微调最小范围±5°，精度为0.1′。通过调姿平台上层和下层的调姿精度分析，能够满足自动调姿系统调姿精度高的要求。
结语
本文针对大型航空发动机安装的数字化发展需求，在分析了航空发动机传统安装工艺存在的诸多问题之后，设计了一类全新的自动调姿安装方法。在这个条件下完成相关的研制工作对姿态进行精准的调节，最终完成自动调姿系统的工艺验证。
参考文献：
[1]韩志仁.大飞机数字化制造关键技术[J].航空制造技术，2016，1：53-57.
[2]齐学智.飞机数字化柔性装配的重点技术和发展[J].科技风，2016，18：22-25.
论文作者:冉祥旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：发动机论文; 精度论文; 滚珠论文; 导轨论文; 平台论文; 系统论文; 精密论文; 《基层建设》2019年第25期论文;