西安升降机械制造(基于剪叉式举升机构的航空发动机智能安装平台设计)

张攀1赵宁1高旭涛1王自静2

1中国民航大学航空工程学院天津3003002天津市天大精益科技有限公司天津300070

摘要：针对飞机维修过程中航空发动机拆装入位困难、效率低、设备自动化程度低的问题，设计了一种飞机发动机智能安装平台结构。该安装平台由麦克纳姆轮组、剪叉式举升机构、六自由度调姿平台组成，可实现发动机安装精准入位，具有调姿精度高、自动化程度高、安装效率高等特点，同时还可以实现发动机厂内运输。

关键词：剪升机构；航空发动机；安装平台；智能；设计

中图分类号：TH211.6文献标识码：A文章编号：1001-0785（2020）17-0037-05

0引言

航空发动机的安装是飞机维修中重要的环节之一，其安装的质量与工作性能直接相关[1，2]，但航空发动机质量大、体积大、结构复杂、安装间歇小，在安装过程中很难精准入位。航空发动机的安装方式主要有吊装和托架式安装[3]。吊装式安装是较传统的安装方式，采用大型起重机将发动机运输到安装位置，然后手动将发动机与飞机连接固定，但吊装式安装存在安装精度低、劳动强度大、危险系数高等缺点。托架安装是使用具有自由提升和支撑功能的安装托架或框架结构将发动机运送到安装位置，发动机的起落经由手动驱动液压作动筒来实现。目前大型航空公司多采用托架式安装方式，虽相

对于吊装式安装减轻了少许人力，但也存在安装自由度少、安装精度和效率低、自动化程度低等问题[4]。在航空发动机安装前和安装过程中，不仅要能够始终保证航空发动机俯仰姿态调整与机身安装舱的轴心对准，还需要对其绕轴线的转动进行调整，为了实现发动机的高效精准安装，航空发动机自动安装应实现对发动机空间六自由度位置姿态的精准调整[5]。国外大型航空改装厂家和科研机构围绕发动机安装装备的智能化积极谋划，加速技术革新[6]，而目前国内的相关研究都还处于起步阶段，发动机安装设备智能化程度与国外相比还有很大差距，先进的发动机安装设备完全依赖进口，成本高昂[7]。

针对上述问题，本文设计了一种新型航空发动机智能安装架平台结构，可集发动机运输、升降、精准调姿一体化，为航空发动机安装设备智能化研发、生产提供参考。

1智能安装平台的设计

1.1总体设计

如图1所示，安装平台主体结构由麦克纳姆轮移动平台、剪式举升机构和六自由度平台等三部分组成。首先，通过麦克纳姆轮全向移动平台，在厂内将发动机运输到飞机位置，通过前后、左右调整移动到机翼下部；其次，通过剪叉式举升机构实现发动机沿竖直方向的升降，以此来接近发动机舱；最后采用六自由度平台对航空发动机进行前后、左右、上下、俯仰、滚转、偏航等六个自由度姿态微调，以达到高精度安装入位的目的。

机构的运动通过自动控制实现，运动范围如下：

1）剪叉式举升机构垂直运动沿Z轴升降，调整范围为0～700mm。

2）六自由度平台可实现六自由度姿态调整，包括水平、垂直、俯仰、偏航和滚转等。水平最大行程为200mm，垂直最大行程为200mm，俯仰角度为20°，偏航角度为20°，滚转角度为20°。

1.移动平台2.剪升机构3.六自由度平台

图1安装平台结构

1.2基于麦克纳姆轮的全向移动平台设计

根据整体结构设计要求，移动平台需有高精度定位和较大的承重能力。因此，选择基于麦克纳姆轮的全方位移动平台。为了使整车的移动控制更加方便，采用四轮驱动方式，且每个轮子都有单独的驱动电机[8，9]，见图2。

图2四轮驱动全向移动平台

如图3所示，使用麦克纳姆轮可实现全向移动功能，但仍需对其加装减震装置，减少在启动和停止时出现的不可控滑动，使麦克纳姆轮更加贴紧地面获得更大滑动摩擦力。

图3麦克纳姆轮减震装置

1.3剪叉式举升机构设计

剪叉式升降结构设计如图4所示，由整车设计要求可知，剪升机构用来控制航空发动机大幅度升降，且设计最大高度为700mm，平台可在这个范围内任意升降。

图4剪升机构

为了增加剪升机构的承载性能[10]，采用3液压缸支撑结构，机构额定载重量为3000kg，台面尺寸为1560mm×900mm，底座尺寸为1460mm×800mm，台面上升最大高度为700mm,起升时间为30s。

1.4六自由度调姿平台设计

六自由度平台其结构包括下平台、上平台、液压缸组件和关节铰链[11，12]。上平台又称底座，用剪升机构固定；上平台也称为移动平台，通过支架与航空发动机连接，完成航空发动机的精确安装；液压缸组件连接上下平台，共6组电控液压缸，每组液压缸收到控制系统的驱动信号，完成位置变化，从而达成调姿的目的；液压缸与上、下平台通过虎克铰链或球形铰链连接，完成三自由度转动副运动。六自由度平台机构可进行X、Y、Z、滚动、俯仰、偏航六个自由度的运动，X、Y、Z三个方向最大行程为±200mm，滚动、俯仰、偏航最大角度为±20°，X、Y、Z三个方向最大速度为±20mm/s，滚动、俯仰、偏航最大角速度为±2°/s，最大负载2500kg，位移定位精度≤0.2mm，角度定位精度≤0.02°。

2剪升机构的运动学分析

剪升机构平台结构如图5所示，平台由支臂AC、BD、上平台、下平台和液压缸等组成，A点和B点为固定铰链，C点和D点为滑动铰链，AC和BD中点通过销轴铰接在E点，EC长度为l，P点为液压缸在支臂的安装位置，PE长度为a，PC长度为d，F点为液压缸在基座安装位置，AF长度为b，α为AC和BD的夹角，β为AD与下平台的夹角，对于发动机安装平台，液压缸安装在下平台上，所以β＝0°，γ为PC与AC的夹角，θ为AC和BD的夹角，d、α、γ、θ根据图中可计算出，即

式中：h为平台的升降高度。

式中：ω为支臂BD瞬心的角速度，α为AC和BD的夹角，根据瞬心法可求的BD的瞬心为C点。由此可得

在液压缸速度已知的情况下，即可计算出平台的升降速度vB，即

由此可知，平台的升降速度与液压缸速度、平台设计参数以及升降高度相关，剪升平台要求工作时速度平稳，特别是防范起始阶段活塞作用力较大引起的平台速度波动。

3剪叉式举升机构的仿真分析

3.1剪升机构的运动仿真

剪升机构设计完成后，需要得出升降平台的位移、速度，现通过SolidWorksMotion进行运动仿真，设置液压缸的位移，忽略平台承受载荷，来求解平台的各运动参数。

通过SolidWorksMotion分析中的结果和图解功能得出平台的位移图和速度图，见图6。

（a）位移图

（b）速度图

图6剪升机构运动仿真图

通过位移曲线图可以得出在设定的30s内，液压缸伸长200mm，而上平台上升700mm，完全符合最初的设计目标。

通过速度曲线图可知在剪式举升机构上升过程中最大速度出现在6～9s，且最大值为34mm/s，即表示上升过程中不会出现太大的速度变化，可以实现发动机稳定的上升。

3.2剪升机构的静力学分析

剪升机构作为主要承力机构需要对两组支架进行受力分析，模型简化如图7所示。

图7模型简化

通过对左边支架和液压缸添加固定铰链约束，对右边支架添加滑动约束，对支架交点处添加销钉约束，并对举升轴处添加固定约束；对支架上切点处添加载荷，按照上述结构设计部分，最大承载重量预计为3000kg；设定材料为合金钢；生成网格，运行此算例并生成应力图和应变图，如图8所示。

（a）应力图

（b）应变图

图8剪升机构静力仿真图

从图8中可知，在各构件中的应力应变都比较小，可以承受更长时间的载荷冲击，疲劳寿命也会相应变久，结构的承载能力符合预期要求，设计方案可行。

4结论

本文提出一种集移动、升降、调姿于一体的航空发动机智能安装平台，可实现发动机厂内运输，安装过程可实现空间六自由度调姿，满足航空发动机快速精确安装的需求。设计了基于麦克纳姆轮移动平台、剪式举升机构和六自由度平台的智能安装平台构型，并对剪叉式举升机构进行了运动分析、运动仿真和力学仿真，仿真结果证明满足设计要求。研究可为航空发动机安装智能安装平台的机械合计和结构优化设计提供参考依据。

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