航空發(fā)動(dòng)機(jī)包裝箱設(shè)計(jì)與制備研究

黃新禹，宋志佳，曹學(xué)智，劉旭峰

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)上的重要部件，其開發(fā)過(guò)程分為研發(fā)、采購(gòu)、維護(hù)3個(gè)階段，其中維護(hù)階段費(fèi)用最高，占比50%，維修階段包括零部件的更新、維修服務(wù)、保存和運(yùn)輸?shù)萚1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在保存、運(yùn)輸、外場(chǎng)使用過(guò)程中，一方面要承受惡劣的自然環(huán)境，另一方面要經(jīng)過(guò)多環(huán)節(jié)實(shí)施轉(zhuǎn)運(yùn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)包裝箱具有保存和運(yùn)輸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的地面保障設(shè)備。

作為傳統(tǒng)的有環(huán)境條件限制的木制包裝箱，在運(yùn)輸過(guò)程中振動(dòng)和沖擊載荷大，如果發(fā)動(dòng)機(jī)不能被有效保護(hù)，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件和整機(jī)損傷；包裝箱密封功能失效，也不能很好地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，它的使用不再適應(yīng)現(xiàn)代化保障需求[2]。隨著新技術(shù)、新工藝等領(lǐng)域的發(fā)展，為滿足部隊(duì)在使用包裝箱過(guò)程中操作更便捷、環(huán)境適應(yīng)性更好、在總體結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新、在新材料上有所應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)了復(fù)材包裝箱。復(fù)材包裝箱為帶有減振裝置的密封運(yùn)輸裝置，能有效保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足多種運(yùn)輸方式，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等使用要求。

1 包裝箱結(jié)構(gòu)組成

復(fù)材包裝箱采用鋼材和玻璃鋼復(fù)材制造，包括箱體（包括箱蓋和下箱體）、支撐架、底座、運(yùn)輸附件、維護(hù)附件等[3]，如圖1所示。箱體為玻璃鋼殼體，外形為大圓角的長(zhǎng)方體。支撐架為鋼材焊接件，置于箱體內(nèi)部，用于安裝固定發(fā)動(dòng)機(jī)，底座位于箱體下端，承載整個(gè)包裝箱的質(zhì)量，運(yùn)輸附件用于對(duì)包裝箱的起吊、叉運(yùn)，維護(hù)附件用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和記錄。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)包裝箱組成

發(fā)動(dòng)機(jī)置于包裝箱內(nèi)的支撐架上，箱體與支撐架之間通過(guò)4組鋼絲繩減振器相連接，支撐架懸托在鋼絲繩減振器上，箱體置于底座之上，與底座通過(guò)螺栓連接固定。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于包裝箱后，充入氮?dú)獗ＷC長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

2 包裝箱主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 箱體

箱體包括箱蓋和下箱體，如圖2所示。箱體中間結(jié)合面設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)鎖扣開閉箱體。箱體使用玻璃鋼復(fù)合材料制造，玻璃鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)、比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，滿足溫度、鹽霧等環(huán)境要求，箱體內(nèi)預(yù)埋有金屬骨架，有效提高箱體的剛度。底座位于箱體下端，承載整個(gè)包裝箱的重力。底座為框式焊接鋼結(jié)構(gòu)，底梁上設(shè)置叉車口和系留點(diǎn)，通過(guò)安裝板聯(lián)接下箱體。底座采用Q235鋼金屬結(jié)構(gòu)焊接，采用鍍鋅及涂裝涂料方式解決防腐問(wèn)題。

圖2 包裝箱箱體圖

箱體密封結(jié)構(gòu)設(shè)置在上、下箱體結(jié)合面，上箱體為凸筋結(jié)構(gòu)，下箱體為凹槽結(jié)構(gòu)，采用P型密封膠條，通過(guò)環(huán)形壓板固定在下箱體凹槽內(nèi)。箱體結(jié)合面設(shè)計(jì)防水唇，對(duì)上箱體進(jìn)行限位并起到防雨作用。

吊帶包括上吊帶、下吊帶。吊帶中間開槽，可以在箱體上滑移，吊帶與箱體內(nèi)預(yù)埋金屬連接，吊帶中間用銷連接。吊裝載荷通過(guò)上吊帶傳遞到下吊帶，直至底座。

2.2 支撐架

支撐架置于箱體內(nèi)部，為鋼材焊接件，由支點(diǎn)、支架及減振裝置等組成。支點(diǎn)用來(lái)安裝固定發(fā)動(dòng)機(jī)，減振裝置采用鋼絲繩減振器，它可以確保系統(tǒng)在承受最大安全沖擊條件下具備良好的減振性能。

3 校核分析

3.1 強(qiáng)度校核

1）箱體強(qiáng)度校核。

采用有限元方法對(duì)箱體進(jìn)行承壓強(qiáng)度分析,箱體應(yīng)力如圖3所示，最大變形量位于箱體頂部，最大應(yīng)力滿足材料拉伸強(qiáng)度45 MPa，說(shuō)明箱體強(qiáng)度滿足充氣壓力要求。

圖3 箱體應(yīng)力云圖

2）支架強(qiáng)度校核。

采用有限元方法對(duì)支撐架進(jìn)行強(qiáng)度分析。在發(fā)動(dòng)機(jī)重心位置施加載荷，通過(guò)力分配方式獲得各支點(diǎn)受力情況。在發(fā)動(dòng)機(jī)重心位置分別施加側(cè)向2g、垂向3g和軸向4g載荷。

支撐架材料為Q235鋼，受力分布如圖4所示，側(cè)向過(guò)載和垂向過(guò)載時(shí)對(duì)支撐架主體產(chǎn)生應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度235 MPa以下，軸向過(guò)載時(shí)，除在橫梁和加強(qiáng)筋連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn)，其他部分均在屈服強(qiáng)度235 MPa以下，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)力集中處采用倒角、焊接牢固等方法加強(qiáng)處理。各向最大載荷對(duì)支撐架主體影響在安全范圍內(nèi)。

圖4 支架計(jì)算結(jié)果

3.2 減振系統(tǒng)模態(tài)分析

為保證減振裝置能正常工作，減振系統(tǒng)要有足夠的剛度。GJB 6412《艦船用鋼絲繩隔振器規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)本身不是振動(dòng)源設(shè)備的彈性支承，彈性支承系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率要滿足如下公式：

式中：fG為設(shè)備自身的固有頻率的數(shù)值，Hz；fL為彈性支承系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率的數(shù)值，Hz。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此處將設(shè)備自身的固有頻率簡(jiǎn)化成支撐架的固有頻率，即支撐架的固有頻率與系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率比值需大于3，可認(rèn)為支撐架結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，保證減振系統(tǒng)穩(wěn)定。其中系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率為

式中：m為被隔振對(duì)象的質(zhì)量，即包裝箱支撐架及發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量；K為減振器系統(tǒng)總靜剛度，a為動(dòng)剛度系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率為13 Hz。

模態(tài)由結(jié)構(gòu)材料和本身特性決定，是自由振動(dòng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)特性[4]。支撐架的固有頻率可由一階模態(tài)計(jì)算得到。利用有限元軟件計(jì)算得到支撐架的一階模態(tài)分析（如圖5），結(jié)果顯示一階模態(tài)為39.6 Hz，即設(shè)備自身的固有頻率滿足上述國(guó)軍標(biāo)的要求，表明支撐架有足夠的剛度，具有抵抗振動(dòng)變形的裕度。

4 箱體的制備及工藝

4.1 箱體的制備

為提高強(qiáng)度減輕質(zhì)量，箱體采用玻璃鋼殼體、金屬骨架復(fù)合結(jié)構(gòu)制作，如圖6所示。金屬骨架置于箱體內(nèi)部，增大箱體剛度，增強(qiáng)箱體抗外脹能力，金屬骨架同時(shí)與箱體吊帶連接，增強(qiáng)穩(wěn)定性。金屬骨架的設(shè)計(jì)包括材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能。通常箱體內(nèi)預(yù)埋件的強(qiáng)度要大于復(fù)材箱體的強(qiáng)度，本箱體選擇的預(yù)埋件材料為Q235鋼。金屬骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)避免出現(xiàn)尖銳的部位，盡量棱邊倒圓角或使用帶圓角的型材，防止在脫模和使用過(guò)程中預(yù)埋金屬件劃傷鋪層材料。通常在箱體內(nèi)預(yù)埋金屬骨架有兩種方式：一種是在箱體成型時(shí)，將金屬骨架固定在模具上，然后進(jìn)行鋪層、真空導(dǎo)入，成型后金屬骨架就嵌在箱體中；另一種是在復(fù)材箱體脫模完成后采取粘接的方式將金屬骨架嵌入。本方案的預(yù)埋金屬骨架采用矩形鋼管，由于前者預(yù)埋方式的金屬骨架不能為空管，否則樹脂會(huì)填滿空管增加質(zhì)量，因此箱體內(nèi)金屬骨架的預(yù)埋成型采用后者方式。

圖6 箱體結(jié)構(gòu)圖

箱體殼體材料為玻璃鋼，它是一種復(fù)合材料，由玻璃纖維制品作為增強(qiáng)材料，樹脂作為基體材料，共固化后形成。殼體厚度為20 mm，增強(qiáng)材料采用高強(qiáng)玻纖布和碳纖維布，結(jié)構(gòu)泡沫采用PVC結(jié)構(gòu)泡沫，基體材料采用環(huán)氧樹脂，鋪層方案如圖7所示。

圖7 鋪層方案

4.2 箱體成型工藝及流程

箱體成型工藝采用手糊加真空袋壓輔助工藝，手糊玻璃鋼成型工藝環(huán)境操作溫度15 ℃以上，空氣濕度不大于80%。工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程圖

1）箱體母模加工。母模加工使用木制多層板及鋼制骨架制作胎型，分段加工，組合安裝，胎型外壁涂敷不飽和樹脂進(jìn)行封閉，樹脂固化后涂敷環(huán)氧糊狀代木進(jìn)行增厚，糊狀代木干燥后，進(jìn)行數(shù)控加工，型面精度由數(shù)控加工中心保證，表面進(jìn)行清理、打磨處理。

2）模具翻模加工。運(yùn)用手糊工藝進(jìn)行模具加工，固化完成后采用鋼制骨架加強(qiáng)。在模具內(nèi)表面涂敷脫模蠟或脫模水等脫模材料。

3）膠衣層噴涂。待脫模劑干燥后，在模具表面噴涂屏障膠衣，使用膠衣的氣密特征，提高箱體氣密要求。

4）鋪敷增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料按照模具尺寸進(jìn)行裁剪，按照?qǐng)D7所示鋪層方案在模具上鋪設(shè)增強(qiáng)材料。

5）鋪敷真空輔助材料?？紤]到環(huán)氧樹脂凝固時(shí)間較長(zhǎng)，采用真空袋壓實(shí)，保證鋪放料片不移位，同時(shí)增加成型壓力。

6）抽真空。完成增強(qiáng)材料和真空輔助材料鋪設(shè)后，導(dǎo)入軟管需夾緊。采用真空泵抽真空，負(fù)壓不小于-0.9 MPa。

7）調(diào)配樹脂。當(dāng)真空袋內(nèi)壓力滿足要求后，根據(jù)制品厚度、環(huán)境條件、鋪敷面積等調(diào)配樹脂、固化劑和促進(jìn)劑，樹脂液需達(dá)到黏度、凝膠時(shí)間及固化度等指標(biāo)。

樹脂用量（含固化劑）計(jì)算公式如下：

式中：a為纖維布長(zhǎng)度，b為纖維布寬度，n為纖維布層數(shù)，λ為纖維布單位面積質(zhì)量，ω為含膠量，m為樹脂用量（含固化劑）。

8）樹脂導(dǎo)入。將調(diào)配好的樹脂導(dǎo)入真空泵，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆虿㈧o置10 min排除樹脂內(nèi)氣泡后，包裝箱的厚度是通過(guò)調(diào)整泵入壓力，進(jìn)而控制樹脂導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)的[5]。真空吸附工藝工作原理如圖9所示。樹脂從底層反滲透至表層，說(shuō)明充分浸潤(rùn)。

圖9 真空吸附工藝示意圖

9）固化脫模。樹脂導(dǎo)入完成后，需放置一段時(shí)間使樹脂固化，脫模后，采取必要的支撐措施，避免產(chǎn)生變形，圖10為下箱體成功脫模圖，驗(yàn)證了成型工藝的可行性。

圖10 下箱體脫模圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了具有減振和密封功能的復(fù)材包裝箱，利用有限元軟件對(duì)包裝箱箱體、支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與支撐架構(gòu)成的減振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，箱體制備后成功脫模，包裝箱箱體成型工藝及流程得到了驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：1）箱體強(qiáng)度滿足充氣要求，包裝箱的密封功能可以有效保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)；2）包裝箱支撐架具有足夠的強(qiáng)度，減振系統(tǒng)具備足夠的剛性儲(chǔ)備，能夠滿足包裝箱多環(huán)節(jié)運(yùn)輸發(fā)動(dòng)機(jī)。