一種發(fā)動機(jī)自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計與分析

作者/楊濤、唐超、鄭俊強、陳強，貴州航天林泉電機(jī)有限公司；國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心

一種發(fā)動機(jī)自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計與分析

作者/楊濤、唐超、鄭俊強、陳強，貴州航天林泉電機(jī)有限公司；國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心

機(jī)械式發(fā)動機(jī)自動啟動系統(tǒng)由主軸自轉(zhuǎn)單元、主軸伸縮單元、主軸啟動單元等構(gòu)成，因其控制簡單、結(jié)構(gòu)可靠性高，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的自動啟動。本文介紹了自動啟動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計過程，并對研制的啟動系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試。結(jié)果表明，啟動系統(tǒng)的設(shè)計方案合理，試驗驗證系統(tǒng)設(shè)計方法準(zhǔn)確。

啟動系統(tǒng)、伸縮單元、自轉(zhuǎn)單元、主軸啟動

引言

本文涉及的發(fā)動機(jī)啟動系統(tǒng)為地面設(shè)備，以某箱式起飛的無人機(jī)發(fā)動機(jī)啟動系統(tǒng)為研究對象，對自動啟動系統(tǒng)功能、性能需求進(jìn)行分析，提出自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計方案，并針對自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計過程中應(yīng)注意的要點、各單元驅(qū)動電機(jī)選型方法等進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1. 啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

發(fā)動機(jī)自動啟動系統(tǒng)主要由主軸自轉(zhuǎn)單元、主軸伸縮單元、啟動單元、主軸離合單元和測速機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，而各部分功能均可獨立完成功能測試。其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 系統(tǒng)三維圖

根據(jù)啟動系統(tǒng)的功能設(shè)計，主軸伸縮單元，由一臺電機(jī)提供動力；主軸自轉(zhuǎn)由一臺電機(jī)提供動力；啟動單元由一臺電機(jī)提供動力，共計需要三臺電動機(jī)。當(dāng)發(fā)動機(jī)軸達(dá)到啟動預(yù)定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入下一個工作流程需要一個切換信號，因此需要一臺測速電機(jī)為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速信號。主軸自轉(zhuǎn)和發(fā)動機(jī)啟動兩個功能單元工作過程中動力之間的相互傳遞會影響功能的實現(xiàn)，因此系統(tǒng)由一臺電磁離合器實現(xiàn)動力傳遞的隔斷與連接。

1.2 啟動系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)啟動工作，主軸自轉(zhuǎn)電機(jī)和主軸伸縮電機(jī)同時運行，主軸自轉(zhuǎn)的同時，向前伸出，其主要目的是實現(xiàn)自動啟動系統(tǒng)主軸與發(fā)動機(jī)啟動接口對接。主軸伸出到位與否，以安裝在主軸前端的微動開關(guān)送出信號為準(zhǔn)，微動開關(guān)接入電機(jī)控制電路，當(dāng)主軸到達(dá)預(yù)定位置，開關(guān)斷開電機(jī)供電，從而使主軸到達(dá)預(yù)定位置并停止，等待下一個工作環(huán)節(jié)的啟動。當(dāng)主軸與發(fā)動機(jī)啟動接口對接完畢，啟動單元投入工作，由啟動電機(jī)拖動主軸旋轉(zhuǎn)，通過主軸上卡口與發(fā)動機(jī)軸連接，拖動發(fā)動機(jī)軸快速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到發(fā)動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)啟動。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后，主軸伸縮電機(jī)啟動工作，縮回主軸，從而與發(fā)動機(jī)啟動接口脫離，自此發(fā)動機(jī)完成啟動工作。

2. 關(guān)鍵特性設(shè)計

2.1 自轉(zhuǎn)單元動力傳遞設(shè)計

自轉(zhuǎn)單元的工作是為了找正主軸橫銷與發(fā)動機(jī)啟動接口上的卡槽，方便主軸伸縮單元驅(qū)動主軸伸出，使主軸橫銷卡入發(fā)動機(jī)啟動接口，為后續(xù)主軸啟動創(chuàng)造條件。自轉(zhuǎn)單元的動力傳遞采用了凸輪斷續(xù)傳遞的方式進(jìn)行，在凸輪脫離與主軸動力傳遞的同時具備對自轉(zhuǎn)電機(jī)自動斷電的功能。通過對凸輪位置的調(diào)整，該設(shè)計方案可以實現(xiàn)對自轉(zhuǎn)電機(jī)和主軸之間的傳動鏈斷開和連接控制。

采用凸輪斷續(xù)動力傳遞方式，可有效降低伸縮單元負(fù)載，同時有助于實現(xiàn)兩個功能單元的順序停止，自轉(zhuǎn)單元主要應(yīng)用于主軸自轉(zhuǎn)的驅(qū)動，因此驅(qū)動電機(jī)采用永磁直流電機(jī)即可實現(xiàn)功能。

2.2 主軸伸縮單元設(shè)計

主軸伸縮單元的工作是為了驅(qū)動主軸伸出和縮回，實現(xiàn)主軸與發(fā)動機(jī)啟動接口的連接和脫離。主軸伸縮單元與自轉(zhuǎn)單元之間的工作邏輯亦如上述分析。主軸伸縮單元的設(shè)計需要考慮其快速響應(yīng)特性，即應(yīng)能快速完成伸出和收回動作。

主軸伸出過程中：當(dāng)主軸與發(fā)動機(jī)啟動接口上的卡槽對正時主軸能夠快速伸入發(fā)動機(jī)啟動接口；當(dāng)主軸橫銷與發(fā)動機(jī)啟動接口上的卡槽未對正時，伸縮單元的伸出力在發(fā)動機(jī)接口端面產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩必須受控，應(yīng)小于自轉(zhuǎn)單元對主軸的驅(qū)動力矩。主軸收回動作時應(yīng)能夠全力快速收回。

主軸伸縮單元電機(jī)與絲杠動力傳動鏈之間設(shè)置了單向摩擦離合器摩擦離合器為單向工作模式，通過壓縮波形墊圈提供摩擦力，與彈簧滑銷組件和螺旋槽組合實現(xiàn)其單向工作特性。

當(dāng)主軸伸出時，大齒輪沿著螺旋槽上升方向旋轉(zhuǎn)，摩擦離合器起動工作，當(dāng)輸出力矩大于摩擦離合器限定力矩，摩擦離合器打滑，滑銷壓縮彈簧收入擋板上的三個銷柱內(nèi)，從而保護(hù)電機(jī)不出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)工況，保護(hù)電機(jī)；當(dāng)主軸縮回時，大齒輪沿著螺旋槽下沉方向旋轉(zhuǎn)，滑銷在彈簧力的作用下嵌入螺旋槽深處，由滑銷和擋板傳遞動力，摩擦離合器不工作，電機(jī)動力全力輸出，縮回主軸。

2.3 啟動單元設(shè)計

啟動單元是自動啟動系統(tǒng)的主要功能單元，其功能是拖動發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)直至發(fā)動機(jī)啟動。啟動單元工作需要產(chǎn)生較大的力矩和較高的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動電機(jī)設(shè)計具有較大的容量，相對于主軸自轉(zhuǎn)單元和主軸伸縮單元的驅(qū)動電機(jī)容量來說，相差了兩個數(shù)量級。二者功能上有差別，而啟動單元和主軸自轉(zhuǎn)單元的動力向主軸的傳遞為分時共用主軸部件，因此在主軸與二者驅(qū)動電機(jī)的傳動鏈上都要進(jìn)行動力快速隔斷、連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

啟動電機(jī)與主軸之間采用電磁離合器進(jìn)行動力傳遞模式，通過對電磁離合器的通斷電實現(xiàn)對傳動鏈的隔斷、連接控制。當(dāng)自轉(zhuǎn)單元工作時，電磁離合器斷電，自轉(zhuǎn)電機(jī)與主軸之間的動力傳動鏈隔斷，自轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動主軸做低速自轉(zhuǎn)運動，自轉(zhuǎn)電機(jī)動力不會向啟動電機(jī)軸端傳遞，從而有效的降低自轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計功率；當(dāng)啟動電機(jī)工作時，電磁離合器通電，自轉(zhuǎn)電機(jī)與主軸之間的傳動鏈連接，啟動電機(jī)動力通過電磁離合器向主軸傳遞。

前述自轉(zhuǎn)單元采用凸輪斷續(xù)的動力傳遞方式，自轉(zhuǎn)電機(jī)斷電停轉(zhuǎn)狀態(tài)，凸輪與主軸脫離嚙合，因此啟動電機(jī)動力也不會向自轉(zhuǎn)電機(jī)傳遞。

2.4 系統(tǒng)工作過程狀態(tài)分析

自動啟動系統(tǒng)的工作過程是通過繼電器和微動開關(guān)形成簡單控制電路，與接插件各節(jié)點簡單的通電時序?qū)崿F(xiàn)的。系統(tǒng)工作過程中控制電路中的各器件的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 控制電路各器件狀態(tài)表

3. 系統(tǒng)性能測試

自動啟動系統(tǒng)是一個順序時序控制系統(tǒng)，對于各單元的分析主要側(cè)重于定性的分析。實現(xiàn)系統(tǒng)工作的側(cè)重在于各單元功能的匹配。對于系統(tǒng)功能、性能的檢測也主要側(cè)重于能夠完成發(fā)動機(jī)啟動工作流程。檢測原理圖見圖3所示。

圖3 檢測原理圖

系統(tǒng)實測情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能表

系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)各單元的設(shè)計能夠滿足發(fā)動機(jī)啟動要求。電機(jī)的選型合理。

4. 結(jié)論

本文介紹了某型無人機(jī)發(fā)動機(jī)自動啟動系統(tǒng)的設(shè)計方法，對各單元的特性設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析，針對應(yīng)用特性進(jìn)行了電機(jī)類型的選擇。從實測指標(biāo)來看，啟動系統(tǒng)的設(shè)計方案合理。系統(tǒng)性能測試進(jìn)一步驗證了啟動系統(tǒng)設(shè)計方法的準(zhǔn)確性。本啟動系統(tǒng)的研制成功，為此類產(chǎn)品的研制積累了經(jīng)驗，為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

＊ [1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2001.

＊ [2] [日]三浦宏文.機(jī)電一體化實用手冊.北京：科技出版社，2001.

＊ [3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計手冊[Z]. 機(jī)械工業(yè)出版社.