大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

張惠，吳敬濤，劉海燕，李喜明

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大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

張惠，吳敬濤，劉海燕，李喜明

（中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

目的設(shè)計(jì)出滿足氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的上部運(yùn)輸系統(tǒng)。方法根據(jù)國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)驗(yàn)室使用條件的上部運(yùn)輸系統(tǒng)方案。結(jié)果設(shè)計(jì)出的上部運(yùn)輸系統(tǒng)直接參與各環(huán)境試驗(yàn)的運(yùn)輸、吊裝工作，滿足氣候?qū)嶒?yàn)室的環(huán)境條件，且具有安全可靠、便于操作維護(hù)等特點(diǎn)。結(jié)論設(shè)計(jì)出的上部運(yùn)輸系統(tǒng)滿足氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的使用要求。

上部運(yùn)輸系統(tǒng)；氣候?qū)嶒?yàn)室；電動(dòng)葫蘆；轉(zhuǎn)軌器

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室具備模擬高溫、低溫、溫度/濕度、太陽輻射、淋雨、降霧、降雪、凍雨、吹雨、低速吹風(fēng)等氣候條件的能力，二期可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開車及凍云/結(jié)冰試驗(yàn)[1-2]。

由于考慮到實(shí)驗(yàn)室的保溫，氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室地面采用泡沫玻璃支撐混凝土的結(jié)構(gòu)形式。在此結(jié)構(gòu)形式下地面承載能力有限，需要上部運(yùn)輸系統(tǒng)參與大部件的承載運(yùn)輸，而且實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬系統(tǒng)的運(yùn)輸、吊裝工作也需要上部運(yùn)輸系統(tǒng)的參與。因此，設(shè)計(jì)滿足氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的上部運(yùn)輸系統(tǒng)勢在必行。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的溫度范圍為-55～+74 ℃，相對濕度范圍為10%～100%，送風(fēng)溫度為-60～+80 ℃。上部運(yùn)輸系統(tǒng)需要耐受的環(huán)境溫度為-60～+80 ℃，相對濕度為10%～100%。上部運(yùn)輸系統(tǒng)除了滿足整體環(huán)境指標(biāo)要求外，應(yīng)具有安全可靠、便于操作維護(hù)的特點(diǎn)。其性能好壞決定了相關(guān)試驗(yàn)安裝的便捷性、有效性、省時(shí)性以及安全性。

1 國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室

國內(nèi)在建的氣候?qū)嶒?yàn)室對標(biāo)美國的麥金利實(shí)驗(yàn)室，美國麥金利實(shí)驗(yàn)室的主室尺寸為77 m×62 m×21.3 m，額外增加一個(gè)尺寸為18 m×26 m×23 m的小室區(qū)域，來容納C-5運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾[3-5]。國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室大室尺寸為72 m×60 m×22 m，小室尺寸為27 m×30 m×22 m[1]。麥金利實(shí)驗(yàn)室大小室之間沒有隔離門，麥金利實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)的軌道直接連接大、小室區(qū)域，如圖1所示。國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室為了減少能耗，節(jié)約成本，在大小室之間設(shè)有隔離門。在大、小室單獨(dú)使用時(shí)，隔離門關(guān)閉，使得兩室斷開。上部運(yùn)輸系統(tǒng)的軌道在大、小室隔離門處處于斷開狀態(tài)。大、小室聯(lián)合使用時(shí)，需要轉(zhuǎn)軌器使得大、小室之間軌道連接成一整體。俯視圖如圖2所示。

由于國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的特殊性，上部運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以參考。因此，針對上部運(yùn)輸系統(tǒng)的工作環(huán)境與儲(chǔ)存環(huán)境，考慮其實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)出了特殊的上部運(yùn)輸系統(tǒng)。

2 上部運(yùn)輸系統(tǒng)總體方案

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室（Climatic Environmental Test Facility，CETF）能滿足飛機(jī)在室內(nèi)完成氣候環(huán)境試驗(yàn)的需求[6]。環(huán)境實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)是環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的主要組成部分之一，該系統(tǒng)直接參與各環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)輸、吊裝工作?？蓾M足太陽輻照、淋雨、積冰/凍雨、降霧等環(huán)境模擬系統(tǒng)的運(yùn)輸、吊裝需求。上部運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮吊裝試驗(yàn)單元的升降、運(yùn)輸、拼接、換裝等功能[7-8]，其側(cè)視圖如圖3所示。環(huán)境實(shí)驗(yàn)室上部運(yùn)輸系統(tǒng)采用共用設(shè)計(jì)原則，上部運(yùn)輸系統(tǒng)在滿足整體環(huán)境指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)具有安全可靠、便于操作維護(hù)的特點(diǎn)。

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室分為大環(huán)境室和小環(huán)境室，大、小環(huán)境室中間設(shè)有隔離門。大、小環(huán)境室既可單獨(dú)運(yùn)行，也可聯(lián)合運(yùn)行。在單獨(dú)使用大環(huán)境室時(shí)，大、小室之間的軌道斷開，隔離門關(guān)閉，雙梁電動(dòng)葫蘆將起升段分系統(tǒng)起升到與大環(huán)境室懸掛運(yùn)輸梁相同的高度，升降軌道與懸掛運(yùn)輸梁通過轉(zhuǎn)軌器連接，驅(qū)動(dòng)小車和吊具小車將試驗(yàn)?zāi)K運(yùn)輸?shù)街付ǖ脑囼?yàn)區(qū)域后，驅(qū)動(dòng)小車和吊具小車脫開并實(shí)現(xiàn)吊具小車在軌道上制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)小車退回并進(jìn)行下一模塊的起吊。拆裝模塊時(shí)逆序進(jìn)行。

3 上部運(yùn)輸系統(tǒng)的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上部運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括吊車分系統(tǒng)、起升段分系統(tǒng)、懸掛分系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等，如圖4所示。其中吊車系統(tǒng)包括吊車軌道、起重機(jī)；起升段系統(tǒng)包括升降軌道、驅(qū)動(dòng)小車、吊具小車等；懸掛系統(tǒng)包括懸掛運(yùn)輸梁和轉(zhuǎn)軌器。

3.1 上部運(yùn)輸系統(tǒng)工作原理

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備前，地面運(yùn)輸系統(tǒng)如叉車等先將實(shí)驗(yàn)設(shè)備從設(shè)備間運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室的軌道下方，然后上部運(yùn)輸系統(tǒng)開始工作。上部運(yùn)輸系統(tǒng)起吊、安裝試驗(yàn)?zāi)K的過程分為三步。

1）起吊試驗(yàn)?zāi)K：將升降軌道降至地面，在地面將驅(qū)動(dòng)小車、吊具小車及試驗(yàn)?zāi)K懸掛好，檢查安全無誤后，軌道升降段方可起升，起吊過程如圖5所示。

2）軌道對接：軌道起升到與要對接的懸掛運(yùn)輸梁相同高度時(shí)，升降軌道定位銷此時(shí)剛好插銷完畢，接收開關(guān)反饋信號，起升驅(qū)動(dòng)停止工作，制動(dòng)，完成對軌。軌道對接到位如圖6所示。

3）試驗(yàn)?zāi)K運(yùn)輸：轉(zhuǎn)軌器接軌成功后，驅(qū)動(dòng)小車方可驅(qū)動(dòng)吊具小車駛向目標(biāo)位置，試驗(yàn)?zāi)K在懸掛運(yùn)輸梁上的行走示意圖見圖7。

3.2 上部運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

美國麥金利實(shí)驗(yàn)室建設(shè)年代久遠(yuǎn)，其總體布局決定了其不需要使用轉(zhuǎn)軌器來連接大、小室之間的軌道。其起重機(jī)采用最為簡單的卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，此上部運(yùn)輸系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境條件下，使用年限短。

為了提高上部運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性、安全性，國內(nèi)設(shè)計(jì)的上部運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件采用非標(biāo)設(shè)計(jì)的電動(dòng)葫蘆[9]、驅(qū)動(dòng)小車以及轉(zhuǎn)軌器。這些部件方案設(shè)計(jì)的合理性將會(huì)影響上部運(yùn)輸系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)。

3.2.1 電動(dòng)葫蘆設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)葫蘆需要耐受的儲(chǔ)存環(huán)境溫度為-60～+80 ℃，工作環(huán)境溫度為-20～+40 ℃，相對濕度環(huán)境為10%～100%。標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)葫蘆可以耐受的環(huán)境溫度為-20～+40 ℃，所以需要對電動(dòng)葫蘆進(jìn)行非標(biāo)改進(jìn)[9]。

實(shí)驗(yàn)室有水或水汽，需要提高電動(dòng)葫蘆的防護(hù)能力，所以電動(dòng)葫蘆的起升電機(jī)的防護(hù)等級設(shè)計(jì)到IP55等級。為了提高電機(jī)耐濕熱能力，選擇絕緣等級F級。電動(dòng)葫蘆的起升卷筒以及卷筒支座選用耐低溫沖擊的鋼材料Q345E[10-13]。

采用起升電機(jī)、減速器、制動(dòng)器三合一驅(qū)動(dòng)單元。起升結(jié)構(gòu)、電控柜、工業(yè)空調(diào)內(nèi)置機(jī)和機(jī)艙加熱器放置在隔熱框內(nèi)，起重機(jī)運(yùn)行部分及工業(yè)空調(diào)外置機(jī)放置在隔熱框外。低溫情況下，電動(dòng)葫蘆的鋼絲繩彎曲應(yīng)力變化較大，同時(shí)鋼絲繩中潤滑油受影響程度較大[14-16]。因此，鋼絲繩必須選用耐低溫材質(zhì)，同時(shí)在編織鋼絲繩時(shí)將耐低溫油質(zhì)噴淋于鋼絲繩內(nèi)部。通過對電動(dòng)葫蘆進(jìn)行非標(biāo)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出的電動(dòng)葫蘆參數(shù)見表1。

表1 電動(dòng)葫蘆參數(shù)

3.2.2 驅(qū)動(dòng)小車設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動(dòng)小車主要是為吊具小車提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)小車的工作環(huán)境溫度為-20～+40 ℃，環(huán)境相對濕度為10%～100%。驅(qū)動(dòng)小車能夠?qū)崿F(xiàn)與吊具小車的自動(dòng)對接和脫離，并且能夠給出連接反饋信號。為保證驅(qū)動(dòng)小車能夠在軌道上安全流暢地運(yùn)行，避免“啃軌”現(xiàn)象發(fā)生，驅(qū)動(dòng)小車兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪可以根據(jù)下翼緣板調(diào)整行走軌跡，保證承重輪始終位于下翼緣板中間位置。驅(qū)動(dòng)小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2.3 轉(zhuǎn)軌器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軌器的主要作用是實(shí)現(xiàn)大小室軌道之間的對接，使得驅(qū)動(dòng)小車和吊具小車通行無影響，收回后保證隔離門可以正常關(guān)閉無干涉，并且能夠耐受-60～+80 ℃的環(huán)境溫度和10%～100%的環(huán)境濕度。

轉(zhuǎn)軌器是由回轉(zhuǎn)支承軸承帶動(dòng)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道，需要兩端聯(lián)通時(shí)可以通過控制轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軌器將隔離門兩側(cè)軌道聯(lián)通，以保證驅(qū)動(dòng)小車及吊具小車安全通過，實(shí)現(xiàn)大、小室驅(qū)動(dòng)小車及吊具小車的共用。轉(zhuǎn)軌器兩端設(shè)有機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)，保證驅(qū)動(dòng)小車和吊具小車安全通過。電控箱外側(cè)附有保溫板，內(nèi)置加熱與溫度控制系統(tǒng)，以控制電控箱內(nèi)部的環(huán)境溫度不低于－30 ℃。

圖6 轉(zhuǎn)軌器

轉(zhuǎn)軌器接軌工作原理：操作轉(zhuǎn)軌開關(guān)，轉(zhuǎn)軌電機(jī)啟動(dòng)，通過主齒輪帶支承軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，軌道隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)軌到位，觸發(fā)行程開關(guān)，轉(zhuǎn)軌電機(jī)停止工作；插銷電機(jī)啟動(dòng)，執(zhí)行插銷動(dòng)作；插銷到位觸發(fā)插銷開關(guān)，插銷電機(jī)停止工作。

4 結(jié)語

上部運(yùn)輸系統(tǒng)是氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵設(shè)備，是氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室多項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)的共用系統(tǒng)，其性能決定了相關(guān)實(shí)驗(yàn)安裝的便捷性、有效性、省時(shí)性以及安全性。對電動(dòng)葫蘆的防護(hù)等級和材料進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)耐受環(huán)境的驅(qū)動(dòng)小車以及自動(dòng)轉(zhuǎn)軌器，提高上部運(yùn)輸系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的性能，以滿足上部運(yùn)輸系統(tǒng)的功能特點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

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Schematic Design of Equipment Support System for Large Climatic Environmental Test Facility

ZHANG Hui, WU Jing-tao, LIU Hai-yan, LI Xi-ming

(Avic Aircraft Strength Research Institute, Xian 710065, China)

Objective To design a proper equipment support system meeting the usage condition in climatic environmental test facility. Methods According to the design experience on actual use at home and broad, a scheme for equipment support system in climatic environmental test facility was designed. Results The equipment support system designed was engaged directly with transportation, hoisting of environmental test. It met environmental conditions of the climatic environment test facility. It was safe, reliable and convenient for operation and maintenance. Conclusion The equipment support system designed can satisfy the utilization demands of climate environmental test laboratory.KEY WORDS: equipment support system; climatic environmental test facility; hoist; transition device

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.008

TJ089

A

1672-9242(2017)09-0039-04

2017-04-25；

2017-05-17

張惠（1988—）女，湖北天門人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闅夂颦h(huán)境。

劉海燕（1968—），男，陜西戶縣人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)闅夂颦h(huán)境。