滚珠式操纵软轴技术研究.docx

滚珠式操纵软轴技术研究徐 要/中航工业金城南京机电液压工程研究中心航空液压系统部滚珠的外侧是固定杆,两固定杆中心相对外围的金属管中在非电控飞机上,一般是采用连杆、推拉钢索或者滚珠式操纵软轴来操纵发动机主泵调节器,控制发动机各个工 作状态。 飞机(主要指军用飞机)向高性能方向发展对主泵 调节器的机载操纵系统提出了小空间、低重量、易安装、高 可靠性的要求。 以往飞机采用的连杆、推拉钢索由于占用飞机空间大、安装复杂、可靠性不高等原因已不能满足飞 机的发展要求,为此提出了能够满足这一要求的滚珠式操纵软轴。心轴重叠,固定杆锁定在锁紧套上保证钢索整体安全。在芯部滑杆和固定杆之间设置保持架杆,保持架杆上设有很多的小孔,滚珠就安装在其中,保持架使滚珠隔开并保持适 当的距离。产品工作,即操作者推、拉芯部滑杆时,滚珠在固 定杆和芯部滑杆形成的轨道之间滚动,大大减小芯部滑杆滚珠式操纵软轴结构方案基本结构设计操纵软轴功能框图见图 1,其结构图见图 2。产品运动和 力的唯一传 递机构是中 间 的 芯 部111滑杆,为了使产品具有良好的三维定向性能,产品设计成中间对称结构,芯部滑杆采用双滑道结构,其断 面呈“8”字形,芯部滑杆由两排滚珠引导运动。 两排图 1操纵软轴功能框图(2)正常飞行包线下进行正常应急泄压试验。试验结果试验结果见图 1315。试验结果分析通过系统的试验结果可以看出在系统的静态特性试4344图 15 状态转换、流量特变座舱压力控制验中系统的静态误差能控制在25 m;在整个正常飞行包线中座舱速率控制在30 pa s。在进行系统大干扰试验和状态转换的试验中,系统座舱压力变化速率也能控制在40 pa s。完全能够满足系统提出的性能指标,同时也满足或优于国军标的指标要求;在系统故障安全模式试验中 可以看出主备通道的控制器可以做到无缝转换。 通过试验结果可以看出在地面试验状态下系统的动态响应和静态特性都能满足系统的性能要求。图 13正常起降座舱压力控制结束语本文以国内飞机座舱压力调节系统的研制为契机,在 参考了国外，特别是参考了空客公司 a320 飞机座舱压力 控制系统的部分资料。 研究和论述了电子电动式座舱压力5调节系统的组成结构、工作原理和各组成部件的功能划分;分析了系统的控制对象、执行机构,建立了控制系统的数据模型;针对系统座舱压力和座舱压力变化率这两个控 制目标之间存在的耦合关系,在控制规律的建立方面,提出了采用模糊控制规则对两者进行了间接解耦的控制方式,并通过地面试验验证。图 14高原机场降落座舱压力控制jiangsu aviation了 解 决 同 时 由 于 双 扣 式金属管结构的独特性,外 部 的 水 和 油 液 不 容 易 从 金属管渗入到软轴内部, 提 高 了 滚 珠 式 操 纵 软 轴的可靠性。滚 珠 式 操 纵 软 轴2技术难点型材要求高精度21滚珠 式 操 纵 软（1)图 2操纵软轴结构图轴的芯部滑杆、固定杆和运动时的摩擦阻力。 在最外层加上耐高温的保护套,主要是起到保护及密封的作用。保持架细而长,截面尺 寸 可 以 大 概 看 成1100 mm 4 mm 11000 mm,且截 面形 状复杂,设计要求型材 不 但 要 满 足 截 面尺寸要求,还得满足 型 材 在 整 体 长 度 上间隙设计软轴在设计时, 必 须 考 虑 内 部 型 材 与金 属 管 之 间 的 间 隙尺寸,既要保证不 要过大,导致钢球脱 落 , 软 轴 卡 死 ; 又 要 保证不要过小,内部 型材 间 过 紧 导 致 推 拉软轴时,摩擦力超 出指标要求。以 一 种 型 号 的 软轴为例,设计尺寸 见图 3。 分别选取最12的 绕 曲 度 、侧 弯 度较小的要求。(2) 软轴内部由 于冷热环境变化, 会 产生冷凝水,甚至产图 4双扣式金属管剖面图生冰。 这就要求软轴内部的型材光洁度相当高,使冰不能够牢固化,轻轻推拉产品就能使冰脱落,同时也要求了型材 材料必须是具有较高防腐蚀性,否则不但材料容易生锈,而且软轴性能和可靠性得不到保证。(3) 芯部滑杆是滚珠式操纵软轴的主要承力机构,系 统对软轴承受拉、压力要求高,这就 导致芯部滑 杆材料硬 度必须达到一定数值,保证材料的力 学性能满足 拉、 压力 要求;另一方面,高防腐材料的硬度较难达到很高水 平, 且 硬度越高,材料防腐性能越差,同时型材校直越困难, 导 致 型 材 直 线 度 不 够 理想。(4) 保持架(见图5)在滚珠式操纵软轴 的 作 用 相 当 重 要 , 属于重要件。 这是由于 保 持 架 的 好 坏 不 但直 接 影 响 着 软 轴 的图 3径向尺寸链图小间隙和最大间隙的极限情况下各个尺寸的值,然后通过三 维 作 图 或 cad 二 维 作 图 可 以 得 出 最 小 间 隙 为 02mm,最大间隙为 042mm。目前按此间隙研制的软轴性能符合系统提出的技术要求。保持架杆选择保持架杆可以采用塑料保持架或者金属保持架。塑料 保持架具有自润滑性能,可以大大减小软轴的摩擦力,但软 轴超出一定长度后,采用塑料保持架时,滚珠会从塑料保持13架边缘挤出轨道,导致软轴卡死。产生这一现象的主要原因是塑料保持架随着距离的加大传递的力变小,不能保证滚珠在芯部滑杆和固定杆之间的轨道中而不脱轨 。采用金属保持架可以解决滚珠脱轨问题,但是金属保持架加工比较困难,软轴摩擦力性能也不如采用塑料保持架的。综合考虑,选择金属保持架虽然摩擦力较塑料保持架大,但可靠性比塑料保持架高,由于软轴是不可修复产品,更重要是 直接影响飞机发动机的工作状况,因此选择金属保持架较好。一般性能指标,如摩擦力;还有可能导致软轴卡死,无法正常金属管结构金属管的结构性能主要影响软轴的密封性、软轴长度 性能、弯曲半径及摩擦力。 起初软轴设计时,金属管结构选 用螺旋式弹簧结构金属管,试验验证时发现软轴长度数值 变化较大,弹簧结构金属管内径不稳定导致摩擦力超出系 统要求的指标,甚至由于金属管同固定杆发生摩擦而产生 黑色金属粉末。 为了解决这一问题,提出了双扣式金属管, 见图 4。 采用双扣式金属管不但保证了内外直径要求和具 有一定数值的弯曲半径同时,还保证了在承受一定拉(压) 力时产生有限数值的伸长(缩短),软轴长度不确定性 得到工作。 这就要求保持架 直 线 度 必 须 得 到14图 5保持架正反面实物图保证,同时在整长范围内所有孔(如 11m 则有 800 左右 个孔) 的尺寸 也必须全部合格,只要有一个孔的尺寸不合格,保持架则不合格。摩擦力要求严格系统要求推拉滚珠式操纵软轴时,在整个行程范围内 的摩擦力要求非常小。 那么在设计时,就必须考虑内部型 材与金属管之间的间隙尺寸,既要保证不要过大,导致钢球 脱落,软轴卡死;又要保证不要过小,推拉软轴时,摩擦力超22江苏航空/2010. 第 3 期14江 苏 航 空jiangsu aviation出指标要求。 另一方面,要求内部型材的直线度、光洁度必须合格,否则,摩擦力指标也将会超出系统要求。高可靠性指标滚珠式操纵软轴在系统里,尤其是在单发型飞机上至 关重要,其关系着飞机发动机的工作状态,关系着飞机的安 全,产品一旦发生风险,出现卡死或断裂现象, 飞机 发动机 将处于失控状态,飞机的安全不能得到保障。 另一方面,由 于滚珠式操纵软轴具有良好的柔性和三维定向性能,系统 安装软轴的路线一般都会选择空间狭小、弯路较多的线路 以最大化的利用系统空间,而这一点就导致软轴一旦安装 好,就不容易拆卸,也就规定了软轴应具有这一指 标: 与系 统同寿,即 30 年。软轴属于连续工作状态的产品,在工作中,承受着拉力 和压力的循 环作用, 同时 由于软轴 的 安 装 特 殊 性( 对 飞 机 来说,软轴安装位置从驾驶舱至发动机舱),工作时承受着-5至 20冷热温度的冲击,有时还会受到雨水、沙尘以及23图 7极限拉力试验曲线证产品的一致性和尺寸的合格。 在冲孔前增加校直工序,可以保证保持架成型后的直线度。(3)产品装配前,对芯部滑杆进行材料成分和硬度的理 化分析,以及进行荧光检查,确认芯部滑杆无裂纹。 其次,在 生产每批软轴时,需同批检测导杆和芯部滑杆的连接处的 抗拉( 压) 力性 能( 允许 采用试验件),要求经过拉( 压) 力试验后, 连 接 处 通过显微镜观察无裂纹,确 保软轴的可靠性。试验验证基本性能试验通过试验验证,软轴441基 本 性 能( 摩 擦 力 、 空 行程 、 最 大 行 程 等) 能 够 满 足系统提出的要求,与国外同类产品有微小的差距,产生差距的主要原因 是型材技术要求还达不 到国外同类产品。图 6重复性试验曲线图重复性试验42系统其他来源的油液污染,部分软轴还需要经受炮振的考验,因为在军机上软轴安装位置离炮口较近,要在这种恶劣 的工作环境下,软轴需要保证 30 年无故障、不更换,性能无变化,对材料、对结构设计都是很大的考验。对某一型号的软轴平铺在试验台上,软轴中间连续弯3 个弯道,每个弯道半径均约 300mm,将软轴由 0n 状态开 始受拉到 300n 再 慢 慢 回 到 0n, 重 复 试 验 一 次, 试 验 过 程中测量空行程,见图 6。从图中可以 看出, 软轴由 0n 状态开始受 拉到 300n再慢慢回到 0n,空行程由逐渐加大到逐渐缩小,最后空行 程回归 0,且最大空行程控制在很小范围之内。 试验后,软轴两端的位置也恢复到试验前的位置,显示软轴重复性较 好。针对技术难点采取有效措施(1)针对芯部滑杆、固定杆需要在整长(有 12m 甚至更 长)中保持直线,无侧弯,截面结构要符合设计图纸,采用高 精度异型材成型技术对固定杆和芯部滑杆一次成型,成型 长度可达 50m 甚至几百米、几千米。 成型后的型材再经过 冷校、热校、抛光三道工序以保证型材的技术要求合格,其 中:冷校:使用校直机,改善型材的直线度;热校:冷校后,在有惰性气 体保护的高 温炉中热校, 去 除应力;抛光:在热校后,对型材抛光,提高型材表面光洁度。在产品装配前,型材再经过一次校直工序,并按设计图 纸要求截取长度,之后尽量保证型材不再弯曲,如果必须弯3极限拉力试验对某一型号软轴导杆与芯部滑杆连接处进行破坏性 抗拉力试验,生成拉力曲线见图 7。 从图中可以看出,软轴43能够承受至少 336kn 的拉力,求,可以满足系统使用需要。大大超出系统所提出的要结束语经过上述软轴技术的研究, 解决了软轴摩擦力超大、 产生黑色粉末现象以及滚珠脱轨等问题;通过对软轴技术 难点进行分析和攻关,确保了软轴技术性能能够满足系统 要求;最后经过试验验证了软轴的一般性能 、 重复性以及5曲时,弯曲半径要尽量大。这样可以最大程度的保证型材在装配前不会产生应