渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)短艙起落架交點(diǎn)間距超差分析與公差優(yōu)化

鄭 煒，陳金祥，郭超朋，余成信，許軍亮，陳旭濤

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

起落裝置是飛機(jī)起降、滑行的重要承力部件，其質(zhì)量與飛機(jī)起降的安全性密切相關(guān)。起落裝置的故障事件在飛機(jī)試驗(yàn)、生產(chǎn)、使用過程中多次發(fā)生，學(xué)者針對(duì)起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)故障進(jìn)行了深入機(jī)理分析[1–3]。起落裝置運(yùn)動(dòng)副間隙是起落架收放運(yùn)動(dòng)的主要影響因素，起落架位置誤差偏大會(huì)導(dǎo)致起落裝置故障頻發(fā)[4–5]。

公差分析的目的是合理定義和分配零件及產(chǎn)品公差。公差分析是計(jì)算機(jī)輔助公差（CAT）技術(shù)研究中發(fā)展較早的分支[6]，國外已成功開發(fā)商業(yè)化軟件，如VSA、3DCS等[7]。復(fù)雜裝配尺寸鏈分析計(jì)算成為裝配精度分析研究熱點(diǎn)，應(yīng)用于產(chǎn)品制造裝配中偏差分析，以提高產(chǎn)品精度[8–10]。3DCS軟件是目前最常用的尺寸公差分析軟件，其強(qiáng)調(diào)數(shù)字化裝配的幾何變動(dòng)模擬，可準(zhǔn)確確定和傳達(dá)裝配需求，簡(jiǎn)化產(chǎn)品驗(yàn)證工藝[11]。

起落架位置誤差控制是降低起落架故障頻率的有效方法。如圖1（a）所示，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)支柱式起落架與短艙主承力框連接，主承力框上起落架交點(diǎn)間距直接影響起落架機(jī)構(gòu)整體位置，故起落架交點(diǎn)間距在短艙裝配中作為關(guān)鍵尺寸控制，短艙裝配中起落架交點(diǎn)位置尺寸依據(jù)裝配型架定位器確定。但在短艙裝配下架后，測(cè)量發(fā)現(xiàn)短艙主承力框的起落架交點(diǎn)間距多次出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)公差要求的現(xiàn)象。

本文基于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)短艙起落架交點(diǎn)定位過程，構(gòu)建起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)的多層次裝配信息模型，計(jì)算起落架交點(diǎn)定位尺寸鏈。以裝配信息模型為基礎(chǔ)，構(gòu)造結(jié)構(gòu)容差信息表，應(yīng)用3DCS軟件建立起落架交點(diǎn)定位裝配仿真模型，分析起落架交點(diǎn)間距超差的關(guān)鍵尺寸。在滿足實(shí)際制造水平條件下，對(duì)關(guān)鍵零組件尺寸公差進(jìn)行優(yōu)化。

1 裝配信息模型

針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝配，建立裝配信息模型，明確表達(dá)零件之間相互尺寸或位置關(guān)系，便于直觀分析結(jié)構(gòu)裝配尺寸鏈[8，12]。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)短艙裝配中A框、B框的起落架交點(diǎn)分別由工裝定位器定位。交點(diǎn)定位器的制造、安裝精度高。起落架交點(diǎn)與定位器整體視為裝配結(jié)構(gòu)，且單框左右側(cè)交點(diǎn)及工裝定位結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則可利用裝配尺寸鏈計(jì)算工裝上理論交點(diǎn)間距。

依據(jù)短艙起落架交點(diǎn)與工裝定位器的組合結(jié)構(gòu)（圖1（b）），從裝配層、零件層、特征層、尺寸層等4個(gè)方面建立短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)組合件的裝配信息模型，包含起落架交點(diǎn)定位的尺寸、公差信息及結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系信息，形成起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)尺寸鏈（圖2中，A1~A5為組成環(huán)中各環(huán)的基本尺寸；ES為組成環(huán)尺寸上偏差；EI為組成環(huán)尺寸下偏差）。

圖1 短艙起落架交點(diǎn)間距和定位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of landing gear intersection distance and positioning structure in nacelle

2 尺寸鏈計(jì)算

以B框?yàn)槔?，短艙左?cè)起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)如圖3所示，右側(cè)定位結(jié)構(gòu)與左側(cè)對(duì)稱。起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)形成的線性尺寸鏈見圖4，其中A0EESI0為短艙起落架交點(diǎn)

圖3 起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Positioning structure of landing gear single joint

0在裝配工裝定位后形成的起落架交點(diǎn)間距尺寸，其余尺寸如圖2和3所示。

圖2 短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)裝配信息模型Fig.2 Assembly information model for positioning structure of landing gear joint in nacelle

圖4尺寸鏈中，以A0EESI0作為封閉環(huán)，則、、為增環(huán)；為減環(huán)。

針對(duì)起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)尺寸鏈，利用極值法計(jì)算起落架交點(diǎn)定位后間距尺寸。各組成環(huán)尺寸為裝配工裝設(shè)計(jì)尺寸。圖4尺寸鏈中各尺寸極限偏差值表1。

表1 組成環(huán)尺寸極限偏差值Table 1 Permissible deviation of composition loop dimension mm

圖4 起落架交點(diǎn)定位尺寸鏈Fig.4 Dimensional chain of landing gear assembly joint

起落架交點(diǎn)間距尺寸的計(jì)算如下。

（1）起落架交點(diǎn)間距基本尺寸為

式中，i= 1，2，3；j= 2，5。

（2）起落架交點(diǎn)間距最大極限尺寸為

式中，i= 1，3，4；j= 2，5。

（3）起落架交點(diǎn)間距最小極限尺寸為

式中，i= 1，3，4；j= 2，5。

為更準(zhǔn)確地模擬短艙起落架交點(diǎn)間距裝配后超差情況并分析尺寸鏈中零組件各特征尺寸對(duì)間距影響，利用3DCS軟件對(duì)起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 裝配仿真分析

3DCS是集成于CATIA V5環(huán)境的公差分析軟件，其基于分析的零部件幾何尺寸、公差和定位基準(zhǔn)、裝配順序等裝配參數(shù)，模擬分析對(duì)象的裝配過程，利用蒙特卡洛法對(duì)參與裝配零件或子裝配體的公差進(jìn)行分析、優(yōu)化，控制分析對(duì)象的裝配測(cè)量尺寸超差率。

結(jié)合短艙起落架交點(diǎn)定位尺寸鏈，運(yùn)用3DCS軟件對(duì)短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配仿真，分析起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)中各尺寸公差對(duì)交點(diǎn)間距測(cè)量項(xiàng)的貢獻(xiàn)度，得出影響交點(diǎn)間距的關(guān)鍵零組件尺寸公差。短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)建模仿真過程如下。

（1）分析裝配信息模型中各零件尺寸特征，構(gòu)建裝配結(jié)構(gòu)容差信息（表2）。

（2）建立短艙起落架交點(diǎn)定位裝配組件特征點(diǎn)和DCS點(diǎn)。

（3）建立短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)裝配方式，完成結(jié)構(gòu)裝配后，依據(jù)結(jié)構(gòu)容差信息表添加零組件公差。

（4）建立短艙起落架交點(diǎn)（襯套端面）間距測(cè)量項(xiàng)。

（5）設(shè)置仿真參數(shù)，對(duì)構(gòu)建的容差分析模型進(jìn)行計(jì)算仿真。

在短艙起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)裝配仿真中設(shè)定模擬裝配次數(shù)10000，以“6σ”原則統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果，輸出起落架交點(diǎn)（襯套端面）間距A0測(cè)量項(xiàng)偏差，以B框交點(diǎn)間距測(cè)量分析為例，仿真結(jié)果見圖5。

圖5中橫坐標(biāo)為測(cè)量項(xiàng)計(jì)算值，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)測(cè)量計(jì)算值樣本次數(shù)。起落架交點(diǎn)間距測(cè)量項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差為STD = 0.03 mm；下偏差公差超差率（L– OUT）% 為 0，上偏差公差超差率（H– OUT）% = 27.57%，總超差率為（Tot – OUT）% = 27.57%。由計(jì)算結(jié)果知，短艙起落架交點(diǎn)間距超差風(fēng)險(xiǎn)很大，裝配后實(shí)際間距值大于理論最大間距值。間距測(cè)量仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)裝配后間距超差情況吻合。

圖5 裝配間距測(cè)量仿真結(jié)果Fig.5 Result of assembly simulation

圖6為各零件尺寸公差對(duì)間距測(cè)量項(xiàng)的貢獻(xiàn)度計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯鬃N合面平面度、定位軸貼合面平面度、墊片厚度公差等6項(xiàng)關(guān)鍵尺寸對(duì)間距測(cè)量項(xiàng)貢獻(xiàn)度最大且相等，均為16.17%。表2中階梯軸同軸度、襯套內(nèi)徑及端面平面度、定位軸與底座、襯套同軸度公差對(duì)間距測(cè)量項(xiàng)的貢獻(xiàn)度為0。

圖6 結(jié)構(gòu)特征尺寸公差貢獻(xiàn)度仿真結(jié)果Fig.6 Result of dimension tolerance contribution simulation

基于短艙起落架交點(diǎn)定位裝配仿真分析結(jié)果，起落架交點(diǎn)間距尺寸超差主要原因是底座、定位軸、墊片 （表2）的3個(gè)零件的部分尺寸公差設(shè)計(jì)不合理，短艙A、B框在工裝上定位裝配后起落架交點(diǎn)間距超差。

表2 結(jié)構(gòu)容差信息表Table 2 Positioning structure tolerance information table

4 公差優(yōu)化

為降低短艙起落架交點(diǎn)間距超差率，結(jié)合貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，在滿足當(dāng)前制造能力及裝配條件下，對(duì)底座貼合面平面度、定位軸貼合面平面度、墊片厚度等6項(xiàng)公差進(jìn)行優(yōu)化，尋找適當(dāng)公差值使交點(diǎn)間距超差率降低至1%以內(nèi)。

在起落架交點(diǎn)定位尺寸鏈 （圖4）中，底座貼合面平面度、定位軸貼合面平面度影響A2、A5尺寸，兩尺寸為減環(huán)，墊片厚度公差A(yù)3、A4為增環(huán)。起落架交點(diǎn)間距上偏差超差 （圖5），即封閉環(huán)尺寸偏大。通過對(duì)尺寸鏈分析，可采取如下措施以減小封閉環(huán)尺寸。

（1）減小底座貼合面平面度和定位軸平面度公差，間接增大減環(huán)尺寸。

（2）減小墊片厚度（增環(huán)）尺寸。

綜上所述，設(shè)計(jì)解決方案，優(yōu)化6項(xiàng)公差值，降低交點(diǎn)間距測(cè)量超差率，見表3。

表3 6項(xiàng)關(guān)鍵尺寸公差值Table 3 Tolerance value of 6 key dimensions mm

基于控制變量思想，先保持墊片厚度公差不變，調(diào)整底座貼合面平面度、定位軸貼合面平面度公差，合理選取平面度公差試驗(yàn)值，利用3DCS軟件計(jì)算封閉環(huán)尺寸超差率。當(dāng)封閉環(huán)尺寸超差率達(dá)到最低時(shí)，再優(yōu)化墊片厚度公差，直至起落架交點(diǎn)間距超差率滿足要求。

4.1 平面度公差優(yōu)化

平面度公差Pz、Px設(shè)計(jì)選取公差等級(jí)為IT11 （GB/T—1182），綜合考慮加工難度和成本，選取IT8~IT10等級(jí)平面度公差值作為部分試驗(yàn)值。同時(shí)，平面度公差Pz、Px借鑒“二分法”[13]優(yōu)化公差的思想，在平面度公差（0.1mm）范圍內(nèi)利用“二分法”設(shè)置公差試驗(yàn)值。平面度公差全部試驗(yàn)值見表4。

表4 平面度公差試驗(yàn)值Table 4 Trial value of flatness tolerance mm

結(jié)合表4，Pz與Px公差試驗(yàn)值共有25種組合，在3DCS軟件中分別對(duì)25種組合公差進(jìn)行仿真分析，繪制間距測(cè)量項(xiàng)超差率折線圖，見圖7。

由圖7可知，當(dāng)Pz、Px均為0.025 mm時(shí)，短艙起落架交點(diǎn)間距測(cè)量項(xiàng)超差率最低為2.14%。因此，底座貼合面平面度Pz、定位軸貼合面平面度Px選取0.025 mm時(shí)最優(yōu)。

圖7 裝配間距測(cè)量項(xiàng)超差率仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Simulation test results of out-of-tolerance rate of assembly spacing measurement items

4.2 墊片厚度尺寸公差優(yōu)化

3DCS仿真軟件中幾何因子影響分析模塊可以分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)影響。幾何因子是指該零件因?yàn)閹缀涡螤詈痛笮《鸬墓畋壤糯蠡蚩s小的程度[11]。

墊片厚度公差優(yōu)化可結(jié)合3CS軟件幾何因子影響分析結(jié)果，在滿足實(shí)際制造水平前提下，依據(jù)軟件計(jì)算墊片厚度公差的6–Sigma值修正相應(yīng)尺寸公差，更新模型仿真測(cè)量項(xiàng)超差率。當(dāng)Pz= 0.025 mm、Px= 0.025 mm時(shí)，起落架交點(diǎn)間距測(cè)量項(xiàng)幾何因子影響分析結(jié)果見圖8?？梢钥闯觯瑝|片厚度尺寸公差6–Sigma值為0.02 mm。墊片厚度尺寸，為減小封閉環(huán)尺寸，需減小墊片厚度尺寸（增環(huán)）。因此，嘗試將墊片厚度調(diào)整為，公差帶寬度不變，墊片制造難度不變。

圖8 間距測(cè)量項(xiàng)幾何因子影響分析結(jié)果Fig.8 Result of geometrical factor eあect

當(dāng)Pz= 0.025 mm、Px= 0.025 mm，墊片厚度為時(shí)，利用3DCS對(duì)短艙起落架交點(diǎn)間距測(cè)量項(xiàng)超差率進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果見圖9?？梢钥闯?，短艙起落架交點(diǎn)間距總超差率（Tot – OUT）% = 0，短艙起落架交點(diǎn)間距超差風(fēng)險(xiǎn)很低，滿足起落架交點(diǎn)間距超差率要求。

圖9 優(yōu)化后裝配間距測(cè)量仿真結(jié)果Fig.9 Result of assembly simulation after optimization

按照表5優(yōu)化后尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)更改零件圖樣，并返修結(jié)構(gòu)裝配工裝，統(tǒng)計(jì)短艙起落架交點(diǎn)結(jié)構(gòu)裝配后間距尺寸20組實(shí)測(cè)值，繪制折線圖，如圖10所示。可以看出，在部分零件尺寸公差優(yōu)化后，短艙A框、B框起落架交點(diǎn)間距基本滿足設(shè)計(jì)尺寸公差要求。但個(gè)別間距實(shí)測(cè)尺寸超出理論尺寸下偏差。產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定當(dāng)短艙起落架交點(diǎn)間距小于理論尺寸時(shí)，允許對(duì)單個(gè)交點(diǎn)襯套端面進(jìn)行修磨，修磨量不大于0.5 mm。

表5 關(guān)鍵尺寸公差優(yōu)化前后對(duì)比表Table 5 Comparison of tolerance value before and after optimization mm

圖10中A框 （編號(hào)12）、B框 （編號(hào)12、18）超差間距實(shí)測(cè)尺寸與最小極限尺寸偏差值均小于1 mm，通過修配方式保證短艙起落架交點(diǎn)間距滿足產(chǎn)品圖樣要求。

圖10 A框和B框間距實(shí)測(cè)尺寸折線圖Fig.10 Measured the space dimension curve for joint A and joint B

5 結(jié)論

針對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)短艙起落架交點(diǎn)間距超差問題，構(gòu)建起落架交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)的多層次裝配信息模型，應(yīng)用3DCS軟件建立起落架交點(diǎn)定位裝配仿真模型，分析影響交點(diǎn)間距超差率的關(guān)鍵零件尺寸，并對(duì)關(guān)鍵零件尺寸進(jìn)行公差優(yōu)化，控制交點(diǎn)間距超差率。最后統(tǒng)計(jì)公差優(yōu)化后起落架交點(diǎn)間距實(shí)測(cè)尺寸，驗(yàn)證關(guān)鍵零件公差優(yōu)化結(jié)果的合理性。綜合以上分析過程可得如下結(jié)論。

（1）短艙起落架交點(diǎn)結(jié)構(gòu)裝配仿真分析表明，工裝底座貼合面平面度Pz、工裝定位軸貼合面平面度Px、墊片厚度公差是影響交點(diǎn)間距超差的關(guān)鍵尺寸。

（2）對(duì)關(guān)鍵尺寸公差優(yōu)化仿真，得到關(guān)鍵尺寸最佳優(yōu)化結(jié)果為：Px= 0.025 mm、Px= 0.025 mm，墊片厚度，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證關(guān)鍵尺寸公差優(yōu)化結(jié)果的合理性。

（3）基于3DCS的短艙起落架交點(diǎn)間距定位結(jié)構(gòu)的裝配仿真模型避免線性尺寸鏈在間距尺寸超差問題分析方面不足，為飛機(jī)重要交點(diǎn)定位結(jié)構(gòu)公差優(yōu)化提供參考。