一種大型升降支撐系統(tǒng)的液壓抱軌準(zhǔn)停裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙虔

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程技術(shù)部，四川成都610091)

0 前言

某大型微波暗室測(cè)試平臺(tái)主要用于完成飛機(jī)關(guān)鍵部件的電磁兼容試驗(yàn)、隱身測(cè)試等重要工作，設(shè)有定位轉(zhuǎn)臺(tái)及升降支撐系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)試目標(biāo)的架設(shè)、升降及旋轉(zhuǎn)等功能，以滿足被測(cè)試目標(biāo)的動(dòng)態(tài)多維度測(cè)試需求。該測(cè)試平臺(tái)主要由定位轉(zhuǎn)臺(tái)、支撐桿、支撐桿支撐平臺(tái)、支撐配重、齒條、齒輪箱等組件組成，并采用中心定位、邊緣摩擦驅(qū)動(dòng)及支撐桿升降的結(jié)構(gòu)形式，利用伺服電控系統(tǒng)、齒輪箱配合齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，將被測(cè)試目標(biāo)沿垂直方向升降至任意測(cè)試位置并定位。定位轉(zhuǎn)臺(tái)與升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定位轉(zhuǎn)臺(tái)與升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

支撐系統(tǒng)主要由支撐桿、支撐桿支撐平臺(tái)、導(dǎo)向?qū)к?、定滑輪、鋼絲繩、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒條、齒輪箱等部件組成。通過(guò)高強(qiáng)度螺栓、法蘭、雙頭螺柱將支撐框架、配重框架、轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面緊固相連，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其整體精度。支撐桿及支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)質(zhì)量約為15 t、配重20 t，能夠承載25 t，在高負(fù)載的情況下升降支撐系統(tǒng)能夠在任意位置自鎖并定位，以保證轉(zhuǎn)臺(tái)及升降支撐系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合消隙齒輪箱與齒條嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向的垂直升降運(yùn)動(dòng)功能。系統(tǒng)設(shè)置有光柵尺，位移精度等級(jí)為±5 μm，保證支撐桿向定位精度及重復(fù)定位精度滿足使用需求，以將被測(cè)試目標(biāo)安全可靠地提升至相應(yīng)的測(cè)試高度。同時(shí)，該系統(tǒng)中還采用支撐配重，保證支撐桿升降過(guò)程中向運(yùn)動(dòng)和機(jī)械配重相匹配，實(shí)現(xiàn)空載與負(fù)載狀態(tài)下向驅(qū)動(dòng)功率的一致性。因此，支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)嚴(yán)重影響被測(cè)試目標(biāo)的安全性及可靠性。

1 支撐系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

1.1 支撐系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題

該支撐系統(tǒng)建成之后，進(jìn)行首次載重25 t全行程測(cè)試，通過(guò)專(zhuān)用工裝搭載25 t標(biāo)準(zhǔn)配重設(shè)施，并在配重底部放置安全防護(hù)托架，避免配重意外掉落。工作人員完成相應(yīng)準(zhǔn)備、架設(shè)工作后，操作支撐系統(tǒng)同步慢速上升，由支撐系統(tǒng)完全承載25 t配重后，兩套支撐桿同步上升，將25 t配重頂升至離開(kāi)專(zhuān)用工裝20 mm處停止后，現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)兩套支撐桿均出現(xiàn)低速下滑現(xiàn)象，支撐系統(tǒng)同步超差報(bào)警并立即停止運(yùn)行，切斷電源后，25 t標(biāo)準(zhǔn)配重明顯傾斜。隨后，工作人員利用專(zhuān)用工裝的手動(dòng)升降功能，將25 t配重安全承載并移出支撐平臺(tái)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該問(wèn)題造成1號(hào)支撐桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪箱之間的聯(lián)接T形換向器輸出軸斷裂。

1.2 原因分析

針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員集中討論分析，并查看系統(tǒng)運(yùn)行軟件記錄，發(fā)現(xiàn)兩套支撐桿正常停止后，下滑位移量明顯不一致，其中1號(hào)、2號(hào)支撐桿下降距離分別為8、6 mm，均已超出支撐桿同步性5 mm的安全距離設(shè)計(jì)范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)同步超差自動(dòng)報(bào)警并切斷電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作。同時(shí)，支撐系統(tǒng)發(fā)生故障，在瞬間下滑的過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，造成齒輪箱傳動(dòng)扭矩過(guò)大，導(dǎo)致1號(hào)支撐桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱聯(lián)接的T形換向器的傳動(dòng)軸斷裂，如圖2所示。

圖2 T形換向器傳動(dòng)軸斷裂示意

1.3 支撐系統(tǒng)工作過(guò)程負(fù)載計(jì)算

支撐系統(tǒng)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖3所示，包括升降機(jī)構(gòu)、齒條、傳動(dòng)導(dǎo)軌、導(dǎo)向?qū)к壍炔考?其中升降機(jī)構(gòu)用于向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。

圖3 支撐系統(tǒng)Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

支撐系統(tǒng)在向運(yùn)動(dòng)負(fù)載狀態(tài)下，支撐系統(tǒng)質(zhì)量15 t、配重20 t、升降過(guò)程中齒輪力方向向上，如圖4所示。

圖4 負(fù)載工作狀態(tài)受力示意

驅(qū)動(dòng)齒輪受力最大工況應(yīng)在加速度達(dá)到最大值的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻或急停時(shí)刻，計(jì)算中忽略滑輪阻力等因素，認(rèn)為鋼絲繩拉力處處相等。上升和下降的最大受力狀況見(jiàn)表1。

表1 負(fù)載狀態(tài)下受力分析

從表1可以看出：在負(fù)載條件下，設(shè)備加速下降、急停、停止時(shí)，齒輪、斜齒條、減速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩均較大?？紤]到該設(shè)備傳動(dòng)部件均按3倍安全使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以造成此次設(shè)備下滑的主要原因是：系統(tǒng)按照設(shè)定高度穩(wěn)定停止后，向伺服電機(jī)減速機(jī)制動(dòng)和電磁剎車(chē)同時(shí)停止，齒輪箱傳動(dòng)扭矩過(guò)大而造成瞬間傳動(dòng)部件力矩偏大，導(dǎo)致升降支撐系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最脆弱的T形換向器輸出軸斷裂，引起支撐桿發(fā)生不同程度的下滑現(xiàn)象。

2 優(yōu)化方案

針對(duì)上述問(wèn)題，在設(shè)備已經(jīng)設(shè)計(jì)成型且已安裝完畢的基礎(chǔ)之上，增加一套液壓輔助精準(zhǔn)固定裝置，安裝于升降系統(tǒng)各傳動(dòng)導(dǎo)軌，以保證支撐桿及其移動(dòng)平臺(tái)在向急停、加速下降、停止運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地固定在適當(dāng)位置上，同時(shí)提高支撐系統(tǒng)的固定剛性與穩(wěn)定性，解決設(shè)備在急停、停止時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩偏大的問(wèn)題，避免由于沖擊等造成兩支撐桿不同步以及安全問(wèn)題。

經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的專(zhuān)用液壓制動(dòng)器需滿足夾持力10 000 N、工作壓力15～16 MPa以解決上述問(wèn)題。該系統(tǒng)適用于大型數(shù)控機(jī)床向主軸定位，能夠代替配重。該系統(tǒng)采用特殊的壓力膜技術(shù)，性能可靠且不會(huì)出現(xiàn)壓力損失和泄漏，制動(dòng)閘的夾持面與導(dǎo)軌面契合，能夠最大程度保證軸向剛性。此外，該液壓制動(dòng)器不作用于導(dǎo)向?qū)к壍恼?，而是通過(guò)側(cè)面夾持，減少對(duì)導(dǎo)軌面的沖擊和損傷，同時(shí)降低了液壓制動(dòng)(抱軌器)引起的支撐桿晃動(dòng)幅度。因此，針對(duì)升降支撐系統(tǒng)，在兩套支撐系統(tǒng)導(dǎo)向?qū)к壍膫?cè)面分別增加4套液壓制動(dòng)器(如圖5所示)，同時(shí)在支撐系統(tǒng)底部的外側(cè)增加一套液壓控制系統(tǒng)，以提供15～16 MPa的工作壓力。即該套液壓系統(tǒng)的夾持力能夠達(dá)到80 000 N，能夠解決在負(fù)載情況下，支撐系統(tǒng)加速下降、急停時(shí)齒輪、斜齒條、減速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩較大的問(wèn)題，保證升降支撐系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、安全、可靠、準(zhǔn)確地固定在停止位置。

圖5 抱軌器結(jié)構(gòu)

2.1 液壓抱軌器液壓系統(tǒng)工作原理

所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)工作原理如圖6所示。系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，由PLC控制程序啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，電機(jī)泵5啟動(dòng)后液壓系統(tǒng)自動(dòng)加壓，電磁溢流閥8將系統(tǒng)回路壓力溢流至工作壓力，通過(guò)單向閥9將液壓油提供給液壓回路；利用壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)10檢測(cè)系統(tǒng)壓力，低壓信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)泵5，高壓信號(hào)停止電機(jī)泵5，蓄能器12儲(chǔ)存液壓能以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定；溢流閥14進(jìn)行二次溢流，達(dá)到液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件工作壓力，隨后通過(guò)減壓閥15減壓至液壓抱軌器工作壓力；電磁換向閥17通過(guò)閥芯位置變化控制液壓抱軌器工作及停止，電磁換向閥常態(tài)位置時(shí)液壓抱軌器處于夾緊狀態(tài)，電磁閥線圈工作時(shí)液壓抱軌器處于松開(kāi)狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)液壓抱軌器的正常打開(kāi)、關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)液壓抱軌器對(duì)垂直方向的運(yùn)行導(dǎo)軌的側(cè)面夾持，減少對(duì)導(dǎo)軌面的沖擊和損傷。此外，在工作過(guò)程中，如液壓系統(tǒng)工作異常，該系統(tǒng)停止工作，液壓抱軌器自動(dòng)鎖緊，待故障情況解決后，重新啟動(dòng)液壓系統(tǒng)后，設(shè)備可以正常運(yùn)行。

圖6 液壓系統(tǒng)原理

2.2 液壓抱軌器(制動(dòng)器)液壓系統(tǒng)電氣控制

支撐系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)電路如圖7所示，液壓系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，液壓抱軌器打開(kāi)，通過(guò)壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給PLC，PLC通過(guò)比較壓力值與所設(shè)定的正常值，輸出3種數(shù)字信號(hào)，分別為正常、大于、小于。

圖7 液壓抱軌器PLC控制系統(tǒng)電路

3 實(shí)際實(shí)施效果

系統(tǒng)應(yīng)用專(zhuān)用液壓抱軌器裝置后(如圖8所示)，在空載情況下升降支撐系統(tǒng)正常啟動(dòng)上電，液壓泵正常啟動(dòng)，液壓系統(tǒng)所含的各元器件正常工作，壓力達(dá)到設(shè)定狀態(tài)，液壓制動(dòng)器(抱軌器)正常加壓打開(kāi)，工作人員設(shè)定升降支撐系統(tǒng)正常上升或下降指令，升降系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)正常工作，升降支撐系統(tǒng)到達(dá)正常設(shè)定位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，液壓系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，液壓制動(dòng)器(抱軌器)失壓關(guān)閉，緊緊地將導(dǎo)向?qū)к壍膫?cè)面完全夾持，減少對(duì)導(dǎo)軌面的沖擊和損傷，提高支撐系統(tǒng)的安全性和可靠性，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)

隨后，在25 t標(biāo)準(zhǔn)配重重載的情況下，升降支撐系統(tǒng)通過(guò)多次上升、下降、停止、急停驗(yàn)證，系統(tǒng)均穩(wěn)定可靠，且未出現(xiàn)支撐系統(tǒng)下滑及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪、齒條、減速箱、聯(lián)軸器的損壞及磨損現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 所設(shè)計(jì)的升降支撐系統(tǒng)25 t標(biāo)準(zhǔn)配重測(cè)試

4 結(jié)論

在已設(shè)計(jì)成型且安裝完畢的設(shè)備上增加專(zhuān)用液壓抱軌器，降低了升降支撐系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、齒條等關(guān)鍵部件的沖擊和損傷，提高了升降支撐系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)際運(yùn)行效果良好。該裝置應(yīng)用效果顯著，保證了飛機(jī)關(guān)鍵部件的電磁兼容試驗(yàn)、隱身測(cè)試、紅外測(cè)試等重要試驗(yàn)的順利進(jìn)行。