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一种航空发动机减震包装箱的开发设计 |
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作者：沈阳黎明航空发动机集团 崔峰 齐晓松 |
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摘要：文章描述了一种航空发动机减震包装箱的设计过程，从减震包装箱的实际应用意义到包装箱的设计总体思想到试验分析等环节，指出了这种包装箱设计过程的主要环节和突出特点，提出了设计难点重点的解决途径，通过试验数据对比分析，证实了效果显著减震功能，表明了一种新的航空产品的诞生。
关键词：航空发动机减震 包装箱
一、背景
航空发动机包装箱虽然属于航空产业的附属产品，却是运输发动机必不可少的载体。一台发动机由出厂到送达使用单位，其状态控制基本由包装箱保证。
引入航空发动机包装箱减震技术，是避免发动机转子承力系统因为运输振动而发生故障的主要途径，是国外航空公司多年来普遍采用的方法。然而在国内，航空发动机包装箱减震技术研究应用亟待推广。
二、总体方案制定
航空发动机包装箱固定支架的设计应保证航空发动机包装箱持续保障发动机在运输、贮存过程中保持出厂状态，使其能够安全可靠的投入使用。
经过论证，将发动机固定在托架上，在托架和箱底之间布置若干个减震装置，从而使发动机悬浮在具有减震功能的减震装置上，其总体结构设计如图1所示。
图1 减震包装箱总体设计简图
此发动机包装箱采用了二级减震措施。由两种减震器构成。一种是钢丝绳减震器，其同时具有前后、上下、左右6 个自由度约束，减震性能良好，安全性高。一种是金属橡胶减震器，也具有前后、上下、左右6个方向的减震功能。综合这两种减震器的优点，确定在每个钢丝绳减震器下方配置一个金属橡胶减震器组成一组减震装置，作为减震包装箱的二级减震装置。
分析发动机的总体结构发现，中介机匣外部两侧支点和喷管前部两侧的吊点可作为发动机的安装点。因此，选择这两处作为支点，将发动机支撑固定在悬浮托架上。
三、详细方案设计
1.托架结构设计
托架采用方钢焊接结构，方钢的具体型号根据所装载发动机需要达到的各项力学性能要求来选型。
通过缩短托架上支撑发动机的支点立柱长度来实现降低发动机的质心；降低托架的质心，是通过选择合适的托架结构来实现的。经过分析，托盘型托架结构既可以最大限度的降低托架质心，并且结构紧凑，适合安装减震装置，因此将托架结构设计为托盘形状，具体结构如图2 所示。
2.减震装置设计
由于发动机前后长度较长，质量较重，计算分析认为选配8 组减震装置（4对）比较合理。将8 组减震装置成对分布在托架和箱底间，形成发动机和托架作为一个整体悬浮在4对减震装置上（见图2）的状态。该包装箱选用的是具有两组相互成“八”字型倾斜缠绕的特殊材质钢丝绳制成的钢丝绳减震器（详细结构见图5）。为了增强减震装置的减震功能，同时为了利用空间，降低托架的质心，将分列在发动机两侧的4对钢丝绳减震器分别向内侧倾斜45 度，这样不但在六个方向同时对发动机具有减震作用，又增强了减震装置的承力能力。
图2 托架结构及减震器布局
3.质心确定
(1)发动机在水平面上的质心
为发动机的装运、贮存提供技术条件，为包装箱的承力支架和减震装置的设计提供依据，需要发动机在包装箱内的质心位置，此数据可直接获得。
(2)托架在水平面上的质心
按照托架初步结构设计简图，估算托架重量，确定托架质心。图3 为托架受力分析图，其中：
M1 为托架第一道横梁的质量；
M2 为托架第二道横梁及其上两个支柱的质量；
M3 为托架第三道横梁的质量；
M4 为托架第四道横梁的质量；
M5 为托架第五道横梁及其上两个支柱的质量；
G为计算质心时所取的托架简化质量，G= M1+M2+ M3+ M4+ M5；
X为托架质心距托架中心线的距离。
根据力矩平衡原则计算得出托架在水平面上的质心位置为距托架中心线左方的距离X。
图 3 托架受力分析图
(3)发动机和托架整体在水平面的质心
图4为将托架和发动机作为一个整体时确定其质心的力矩平衡图，其中：
M1 为托架质量；
M2 为发动机质量；
G为托架和发动机的总质量，G= M1+ M2；
根据力矩平衡原则计算得出将托架和发动机作为一个整体时，其质心在距托架中心线右侧偏移X。
图 4 托架和发动机整体的力矩平衡图
4.减震器选型
根据发动机和托架的总质量和质心位置，按选配8 组减震装置来对减震器进行选型，要求每个减震器的额定承力范围大于发动机和托架总质量的1/8，以保证既承载可靠又能发挥出最佳的减震性能。此外考虑公路运输随机振动量级和抗冲击能力，对整个承力系统进行固有频率校核。
经过市场调研，选配合适的钢丝绳减震器和金属橡胶减震器型号。根据发动机包装箱使用技术要求、发动机和托架质量、质心参数以及减震包装箱的实际需要，厂家专门定做了钢丝绳减震器（见图5）。
图5 钢丝绳减震器结构样图
金属橡胶减震器选择比钢丝绳减震器额定负载高一级别的型号（见图6）。钢丝绳减震器与金属橡胶减震器共同构成减震装置，其具体结构如图7 所示。
图6 金属橡胶减震器结构样图
图7 减震装置结构图
5. 减震装置布局校核计算
为避免减震器因为受力过大而失效的情况，设计托架结构时尽力做到每组减震装置受力相等，产生的变形量也相等，需要对减震装置的布局进行力矩校核计算。图8为4组减震装置与托架与发动机整体的力矩平衡图，其中：
由于要求4对减震装置受力均匀，则F=G/4，且托架与发动机的整体质心距托架中心线向右偏移118mm。
根据力矩平衡原则，得出第2、3组减震装置距托架中心线距离X1和X2 之间的换算关系。如此布局，使得减震装置实际力矩中心距理想位置（托架与发动机的整体质心位置）符合设计要求。
图 8 减震装置布局力矩平衡图
6.工程化设计
新型减震包装箱的箱底和箱盖沿用传统木质结构。图9 为减震包装箱工程化整体外观前视图。
图 9 包装箱前视图
四、首件加工制造
在完成工程化图纸后，完成了首件试验用包装箱的制造工作。在首件产品的制造过程中，随时根据具体加工情况修正、改进了结构。
五、公路运输对比试验
1.试验方案
试验的目的在于考核新包装箱在运输过程中的减震性能。对传统包装箱与新型减震包装箱两个试件进行试验，记录试验数据，进行对比分析，为减震包装箱的鉴定提供了依据。
试验设备及辅助用品主要有运输发动机用的载重汽车、BK4514-001 加速度传感器、B&K7537/3038 数据采集分析系统、便携计算机、交直流逆变器、车载电源、橡皮泥、尺、502 胶水、记号笔、胶带等。
根据试验随机振动类型的测试原理，采用频谱分析方法，即将一个时间域的振动信号经过付立叶积分转换成频率函数。即是将新、旧包装箱上指定位置的振动物理量通过BK4514-001 加速度传感器转换成电信号，通过B&K7537/3038 数据采集分析系统进行采集和分析。
按照相关试验标准要求，当振动的主要频率成分在60Hz 以下，包装箱上的振动加速度值在2g以下时，发动机上的振动加速度值应不超过1g。因此，试验中记录的试验数据只选取振动频率在60Hz 以下，并且包装箱上的振动加速度值在2g 以下时新、旧包装箱中发动机和托架上的振动加速度值。
2.公路运输对比试验
为考核新型航空发动机减震包装箱在实际运输条件下承受振动和冲击的能力，按照实际运输状态装载真正的发动机，选定真实的运输路面后，进行了新型减震包装箱和传统包装箱的公路运输对比试验，对实际运输状态进行模拟，涵盖了市内普通路面运输和高速公路运输两种路况。
公路运输试验中分别采集新、旧包装箱在相同运输状态下发动机和托架上相同位置的7个测试点（图10 所示）和汽车上2 个测试点（图11所示）的振动数据进行对比分析。
1）相同车速、相同路况振动对比试验结果
经试验测得以下数据，测试结果见图表1-3，A为均值。
以上试验数据说明：
a)在三种路况下，新包装箱受到的冲击值均大于旧包装箱。
b)在相同车速相同路况下比较，新包装箱减振效果比旧包装箱好。
2）以汽车车体水平和垂直振动量为标准进行对比
选取装载包装箱的汽车车体垂直或水平方向上的最大振动加速度为参考点，在新旧包装箱参考点数值一致的时刻下，进行新旧包装箱的振动对比分析，及包装箱系统加速度传递率分析。
取新、旧包装箱汽车车体垂直方向振动量均为4.44 m/s2那一时刻的各测点数据进行对比，结果如图表4 所示。
图表4 以车体垂直方向加速度值为参考包装箱振动对比示意图
取新、旧包装箱汽车车体水平方向振动量均为3.11 m/s2那一时刻的各测点数据进行对比，结果如图表5 所示。
图表5 以汽车车体水平方向加速度值为参考包装箱振动对比
根据加速度传递率计算方法：μ=A响应/A激励，以发动机上测点到汽车车体测点的加速度传递率为标准进行新、旧包装箱的减振和抗振性能对比分析。
以车体垂直方向振动量为4.44 为参考，新包装箱上各测点的加速度传递率为：1#测点μ=0.6/4.44=0.14；4#测点μ=0.41/4.44=0.09。旧包装箱上各测点的加速度传递率为：1#测点μ=0.82/4.44=0.18；4#测点μ=0.56/4.44=0.13。
以车体水平方向振动量为3.11 为参考，新包装箱上各测点的加速度传递率为：1#测点μ=0.61/3.11=0.2；4#测点μ=0.45/3.11=0.14。旧包装箱上各测点的加速度传递率为：1# 测点μ=0.79/3.11=0.25；4#测点μ=0.5/3.11=0.16。数据分析得出：
a)以新、旧包装箱汽车车体垂直及水平向振动加速度值为参考量进行比对，新包装箱测点的振动值要明显小于旧包装箱。说明新包装箱的减振和抗振效果优于旧包装箱。
b）以传递率推算：当汽车车体垂直方向振动量为2g 时，新、旧包装箱发动机上的振动量分别为0.28g和0.36g。当车体水平方向振动量为2g时，振动量分别为0.4g和0.5g。由此可见，新包装箱系统的加速度传递率相对较小，新包装箱的减振和隔振效果更好。
六、总结
公路运输对比试验数据说明，新型航空发动机减震包装箱无论在高速公路还是在市内路面运输，相对于传统包装箱都有较强的减震功能，实现了预期设计。
新型航空发动机减震包装箱通过了相关的鉴定试验，减震效果显著，表明产品成功研制，打破了国内航空发动机几十年一贯的传统包装运输形式，改变了人为保障发动机运输质量的历史，标志着又一种具有广阔市场推广前景的航空产品的诞生。(end)
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(7/31/2012) |
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