機(jī)載設(shè)備前置A型緊定器設(shè)計*

楊 剛，羅炳華

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000)

機(jī)載設(shè)備前置A型緊定器設(shè)計*

楊 剛，羅炳華

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000)

為實現(xiàn)機(jī)載電子設(shè)備的可靠鎖緊及方便拆卸，文中介紹了一種符合國軍標(biāo)通用性要求的機(jī)載前置A型緊定器，對其原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論證和設(shè)計，采用Matlab編程軟件對緊定簧的參數(shù)進(jìn)行了人工優(yōu)化及增強(qiáng)設(shè)計，最后采用有限元法對緊定器的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析驗證。理論分析及實際使用效果表明：該緊定器能經(jīng)受嚴(yán)酷的機(jī)載環(huán)境考驗，且符合人機(jī)工程學(xué)原理，易裝易拆。

緊定器;機(jī)載電子設(shè)備;隨機(jī)振動

引 言

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)動性能越來越高，在飛機(jī)的起落和巡航過程中，機(jī)載電子設(shè)備需承受較大量級的復(fù)雜的振動、沖擊載荷, 因此要求每一種機(jī)載電子設(shè)備具有良好的緊固措施。為此，GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》規(guī)定了多種嚴(yán)格的環(huán)境試驗方法( 如振動、沖擊、加速度等)以考驗機(jī)載設(shè)備的防松脫能力，而機(jī)載設(shè)備防松脫能力的強(qiáng)弱與其緊定裝置息息相關(guān)，因此，必須研制能快速可靠鎖緊的機(jī)載電子設(shè)備緊定器。同時，為簡化設(shè)計程序，加快設(shè)備的改型換代及重新投入作戰(zhàn)的過程，提高設(shè)備的可靠性和可維修性, 縮短維修時間, 簡化后勤保障，要求機(jī)載電子設(shè)備緊定器實現(xiàn)“三化”(通用化、 系列化、 模塊化)。GJB 441—1988《機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱、安裝架的安裝形式和基本尺寸》以及GJB 780—1989《機(jī)載電子設(shè)備的安裝架及其附件的基本尺寸》對機(jī)載電子設(shè)備的緊定器作了較詳盡的說明[1]。在GJB 441—1988 中, 緊定裝置被分為前緊定裝置和后緊定裝置2大類。后緊定一般通過矩形電連接器或后緊定銷實現(xiàn)，所以前緊定裝置的設(shè)計在緊定裝置的整體設(shè)計中往往起著關(guān)鍵作用[2]。本文介紹了一種符合GJB 441—1988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通用A型前緊定器的設(shè)計。

1 前置A型緊定器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計依據(jù)

GJB 441—1988以圖紙的形式, 規(guī)定了機(jī)載電子設(shè)備用安裝架及其附件結(jié)構(gòu)的基本尺寸，適用于裝在飛機(jī)電子設(shè)備艙內(nèi)的機(jī)載電子設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前緊定裝置主要有A、B、C 3種類型。A 型緊定裝置是由滾花螺母和安裝在設(shè)備上的前緊定鉤構(gòu)成的螺旋緊定機(jī)構(gòu), 其典型裝置如圖1 所示。

為使機(jī)載緊定器符合“三化”要求，該設(shè)計遵循GJB 441—1988規(guī)定的前置式A型緊定器樣式和基本尺寸，以緊定器的鎖緊裝置為重點，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計。

圖1 A型前緊定裝置典型結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，該緊定器包括螺栓、環(huán)扣、螺母、棘輪、鎖緊彈簧和圓環(huán)。螺栓呈柱體六方結(jié)構(gòu)，加工有螺紋，底端帶有銷孔。

圖2 A型前緊定裝置的結(jié)構(gòu)組成

螺母包括依次相連的大直徑部、小直徑部和卡接配合部，卡接配合部的一端鉚接圓環(huán)，如圖3所示。

圖3 螺母的結(jié)構(gòu)形式

棘輪呈環(huán)形，套在螺母上，其一端內(nèi)凹形成卡接部，卡接部卡接在螺母的卡接配合部上，棘輪上有4個鉛絲孔，如圖4所示。

圖4 棘輪結(jié)構(gòu)形式

圓環(huán)的一端均勻分布著棘齒，可以和棘輪上的棘齒相互咬合，另一端內(nèi)凹，工作時嵌入緊定鉤。圓環(huán)中心為六邊形通孔，其尺寸比螺栓的六邊形柱稍大。因此圓環(huán)可在螺栓上上下滑動。圓環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 圓環(huán)結(jié)構(gòu)形式

2 結(jié)構(gòu)原理

如圖2～圖5所示，緊定器包括螺栓、環(huán)扣、螺母、棘輪、鎖緊彈簧和圓環(huán)。其相互配合關(guān)系為：環(huán)扣內(nèi)部為六方孔形，套在六方形螺栓上，六方孔配合限制環(huán)扣，使之只能沿螺拴軸向滑動而不能轉(zhuǎn)動；螺母旋合在螺栓上；棘輪呈環(huán)形，套在螺母上，其一端內(nèi)凹形成卡接部，棘輪的卡接部卡接在螺母的卡接配合部上，且設(shè)有卡接部的一端抵接環(huán)扣，棘輪與螺母之間無轉(zhuǎn)動自由度；螺母卡接配合部的一端鉚接環(huán)(見圖2)后，與棘輪組成組合體，限制棘輪沿螺母的中心軸線方向做有限移動；鎖緊彈簧套在棘輪內(nèi)部的螺母上，其一端抵接大直徑部，另一端抵接棘輪，鎖緊彈簧裝配后有一定的預(yù)緊力，使鎖緊彈簧始終保持壓縮狀態(tài)，提供持續(xù)的緊定力。

棘輪與環(huán)扣抵接的端面上均勻分布著棘齒，它們相互咬合，且棘輪的齒向與螺母的旋合方向相反。工作時螺母與環(huán)扣相互鎖死，因而不能在螺栓上旋動。緊定機(jī)載電子設(shè)備時，滑動緊定器上的環(huán)扣，使之扣在緊定鉤上。旋轉(zhuǎn)棘輪與螺母組合體，使之與環(huán)扣相對擰緊，壓迫環(huán)扣，使之與緊定鉤扣緊，限制環(huán)扣沿螺栓軸線方向的運動。此時棘輪上的棘齒與環(huán)扣上的棘齒相互咬合，使螺母與環(huán)扣相互鎖死而不能在螺栓上轉(zhuǎn)動。棘輪和螺母之間有鎖緊彈簧預(yù)壓力，因此棘輪和環(huán)扣上的棘齒在工作工程中總是咬合在一起，另外配合鉛絲防松，即可實現(xiàn)對機(jī)箱的可靠鎖緊。

拆卸下機(jī)箱時，先卸下鉛絲，拉起并逆時針旋轉(zhuǎn)棘輪，帶動螺母旋轉(zhuǎn)，即可解除棘輪與環(huán)扣的咬合，進(jìn)而松開環(huán)扣，卸下機(jī)箱。

2.1 彈簧鎖緊力設(shè)計

鎖緊彈簧是整個緊定器可靠緊定的重要因素，從可靠性的角度出發(fā)，緊定力越大越可靠。而另一方面，松開緊定器時需克服緊定彈簧拉出棘輪，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，成年人拇指與食指成環(huán)的最大拉力約為50 N。緊定彈簧為圓柱螺旋彈簧，因受緊定器尺寸的限制，彈簧線徑d的大小范圍為0.5 mm ≤d≤ 2 mm。根據(jù)GB/T1239.6—1992[3]，上述線徑的彈簧旋繞比C為5 ≤C≤ 14。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，彈簧的中徑D約為10 mm。因此，彈簧的線徑可進(jìn)一步縮小到0.6 mm ≤d≤ 1.6 mm。彈簧的剛度系數(shù)K為

式中：G為彈簧的材料切變模量；n為彈簧的有效圈數(shù)。采用Matlab編程軟件進(jìn)行計算，以彈簧線徑d為變量，0.6 mm ≤d≤ 1.6 mm，步長為0.1 mm，計算結(jié)果為多維數(shù)組，每行分別為彈簧的線徑、剛度系數(shù)及旋繞比。數(shù)據(jù)量較小，因而可輕易地進(jìn)行人工優(yōu)化，選擇合適的線徑1.4 mm，此時剛度系數(shù)為4.14 N/mm，中徑為10 mm，有效圈數(shù)為8，旋繞比為8，符合國標(biāo)GB/T 1239.6—1992的相關(guān)要求。

緊定時彈簧的設(shè)計壓縮長度為7 mm，算出的緊定力約為29 N。松開緊定器時，需進(jìn)一步壓縮緊定簧4 mm，此時拇指與食指成環(huán)的拉力為45.5 N，符合人機(jī)工程學(xué)原理。

2.2 緊定器動力學(xué)特性分析

機(jī)載緊定器承受的主要載荷為飛機(jī)的振動與沖擊載荷。在較大振動激勵作用下，緊定器可能的失效方式主要有以下2種：

1) 緊定簧發(fā)生較大變形，使緊定器松動失效;

2) 振動應(yīng)力較大，緊定器產(chǎn)生疲勞破壞。

以上2個問題分別屬于動剛度與動強(qiáng)度問題。

2.2.1 緊定器動剛度設(shè)計

緊定器的動剛度問題，可以通過合理選材、采用增強(qiáng)剛度的結(jié)構(gòu)形式、提高緊定力等措施得到改善。然而因受結(jié)構(gòu)尺寸、人機(jī)工程學(xué)等的限制，以上措施無法達(dá)到較高的可靠性。因此，在采用以上措施的同時，還設(shè)計了鉛絲保險繩裝置，在相鄰安裝的2個緊定器的棘輪之間通過鉛絲保險繩互鎖，有效彌補了動剛度不足的問題，大大提高了可靠性，并經(jīng)過了多平臺的實際檢驗。

2.2.2 緊定器動強(qiáng)度分析

采取措施提高動剛度的同時，也顯著提高了緊定器的動強(qiáng)度。本文采用某螺旋槳飛機(jī)耐久振動PSD譜線，對增強(qiáng)設(shè)計的緊定器進(jìn)行了設(shè)備主振方向上的隨機(jī)振動分析。隨機(jī)振動分析以模態(tài)分析為基礎(chǔ)，由于非線性模態(tài)的相關(guān)理論尚不完善，在進(jìn)行模態(tài)分析時對模型中的非線性問題都進(jìn)行了線性化，如用綁定約束代替接觸、忽略阻尼等，該簡化方式對模態(tài)分析的影響較小。模態(tài)分析中考慮了緊定簧的緊定力，即進(jìn)行了含預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，相關(guān)分析結(jié)果圖6和圖7所示。

圖6 緊定器均方根應(yīng)力云圖

圖7 緊定器均方根位移云圖

從隨機(jī)振動分析可以看出：緊定器的最大均方根加速度響應(yīng)為21.5g，最大均方根應(yīng)力為11.87 MPa，遠(yuǎn)小于不銹鋼材質(zhì)的強(qiáng)度極限520 MPa，具有較高的安全裕度；緊定器的最大均方根位移較小，為0.016 5 mm。因此，該機(jī)載緊定器滿足特定環(huán)境下的動強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語

這種前置A型緊定器的結(jié)構(gòu)尺寸符合GJB 441—1988的規(guī)定，符合軍用機(jī)載電子設(shè)備及其附件的“三化”要求。目前，該緊定器已經(jīng)成功用于多種電子設(shè)備，安裝在不同的機(jī)載平臺上。理論分析及實際環(huán)境使用證明：該前置緊定器裝配、拆卸方便，鎖緊牢靠，具有較高的可靠性和安全系數(shù)。

[1] 顧世敏. GJB 441—1988 機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱、安裝架的安裝形式和基本尺寸[S]. 北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部, 1988.

[2] 鄒鵬文. 一種機(jī)載電子設(shè)備前緊定裝置的研制[J]. 電子機(jī)械工程, 2003, 19(2): 21-22.

[3] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

楊 剛 (1978-),男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

羅炳華(1985-),男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design of A Type Airborne Front Tighter

YANG Gang，LUO Bing-hua

(SichuanJiuzhouATCTechnologyCo.,Ltd.，Mianyang621000,China)

To achieve reliable locking and easy removal of the airborne electronic equipment, the A type airborne front tighter is introduced in this paper. The principle and structure of the tighter are discussed under the military standard. The Matlab software is used to optimize parameters of the tight spring and to enhance the tighter. Finally, the tighter is verified by finite element method. The theoretical analysis and practice indicate that the tighter can withstand the harsh environment and is easy to assemble and disassemble.

tighter; airborne electronic equipment; random vibration

2014-01-17

TN957.8

A

1008-5300(2014)03-0027-03