作者/楊濤、唐超、鄭俊強(qiáng)、陳強(qiáng)，貴州航天林泉電機(jī)有限公司；國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心

一種發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

作者/楊濤、唐超、鄭俊強(qiáng)、陳強(qiáng)，貴州航天林泉電機(jī)有限公司；國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心

機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)由主軸自轉(zhuǎn)單元、主軸伸縮單元、主軸啟動(dòng)單元等構(gòu)成，因其控制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)可靠性高，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)。本文介紹了自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)研制的啟動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明，啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案合理，試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)確。

啟動(dòng)系統(tǒng)、伸縮單元、自轉(zhuǎn)單元、主軸啟動(dòng)

引言

本文涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)為地面設(shè)備，以某箱式起飛的無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)功能、性能需求進(jìn)行分析，提出自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的要點(diǎn)、各單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型方法等進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1. 啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)主要由主軸自轉(zhuǎn)單元、主軸伸縮單元、啟動(dòng)單元、主軸離合單元和測(cè)速機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而各部分功能均可獨(dú)立完成功能測(cè)試。其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 系統(tǒng)三維圖

根據(jù)啟動(dòng)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，主軸伸縮單元，由一臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力；主軸自轉(zhuǎn)由一臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力；啟動(dòng)單元由一臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，共計(jì)需要三臺(tái)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸達(dá)到啟動(dòng)預(yù)定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入下一個(gè)工作流程需要一個(gè)切換信號(hào)，因此需要一臺(tái)測(cè)速電機(jī)為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速信號(hào)。主軸自轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)兩個(gè)功能單元工作過(guò)程中動(dòng)力之間的相互傳遞會(huì)影響功能的實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)由一臺(tái)電磁離合器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的隔斷與連接。

1.2 啟動(dòng)系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)啟動(dòng)工作，主軸自轉(zhuǎn)電機(jī)和主軸伸縮電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，主軸自轉(zhuǎn)的同時(shí)，向前伸出，其主要目的是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口對(duì)接。主軸伸出到位與否，以安裝在主軸前端的微動(dòng)開(kāi)關(guān)送出信號(hào)為準(zhǔn)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)接入電機(jī)控制電路，當(dāng)主軸到達(dá)預(yù)定位置，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電機(jī)供電，從而使主軸到達(dá)預(yù)定位置并停止，等待下一個(gè)工作環(huán)節(jié)的啟動(dòng)。當(dāng)主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口對(duì)接完畢，啟動(dòng)單元投入工作，由啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)主軸上卡口與發(fā)動(dòng)機(jī)軸連接，拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸快速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，主軸伸縮電機(jī)啟動(dòng)工作，縮回主軸，從而與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口脫離，自此發(fā)動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)工作。

2. 關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)

2.1 自轉(zhuǎn)單元?jiǎng)恿鬟f設(shè)計(jì)

自轉(zhuǎn)單元的工作是為了找正主軸橫銷(xiāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口上的卡槽，方便主軸伸縮單元驅(qū)動(dòng)主軸伸出，使主軸橫銷(xiāo)卡入發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口，為后續(xù)主軸啟動(dòng)創(chuàng)造條件。自轉(zhuǎn)單元的動(dòng)力傳遞采用了凸輪斷續(xù)傳遞的方式進(jìn)行，在凸輪脫離與主軸動(dòng)力傳遞的同時(shí)具備對(duì)自轉(zhuǎn)電機(jī)自動(dòng)斷電的功能。通過(guò)對(duì)凸輪位置的調(diào)整，該設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自轉(zhuǎn)電機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)鏈斷開(kāi)和連接控制。

采用凸輪斷續(xù)動(dòng)力傳遞方式，可有效降低伸縮單元負(fù)載，同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能單元的順序停止，自轉(zhuǎn)單元主要應(yīng)用于主軸自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁直流電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能。

2.2 主軸伸縮單元設(shè)計(jì)

主軸伸縮單元的工作是為了驅(qū)動(dòng)主軸伸出和縮回，實(shí)現(xiàn)主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口的連接和脫離。主軸伸縮單元與自轉(zhuǎn)單元之間的工作邏輯亦如上述分析。主軸伸縮單元的設(shè)計(jì)需要考慮其快速響應(yīng)特性，即應(yīng)能快速完成伸出和收回動(dòng)作。

主軸伸出過(guò)程中：當(dāng)主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口上的卡槽對(duì)正時(shí)主軸能夠快速伸入發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口；當(dāng)主軸橫銷(xiāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)接口上的卡槽未對(duì)正時(shí)，伸縮單元的伸出力在發(fā)動(dòng)機(jī)接口端面產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩必須受控，應(yīng)小于自轉(zhuǎn)單元對(duì)主軸的驅(qū)動(dòng)力矩。主軸收回動(dòng)作時(shí)應(yīng)能夠全力快速收回。

主軸伸縮單元電機(jī)與絲杠動(dòng)力傳動(dòng)鏈之間設(shè)置了單向摩擦離合器摩擦離合器為單向工作模式，通過(guò)壓縮波形墊圈提供摩擦力，與彈簧滑銷(xiāo)組件和螺旋槽組合實(shí)現(xiàn)其單向工作特性。

當(dāng)主軸伸出時(shí)，大齒輪沿著螺旋槽上升方向旋轉(zhuǎn)，摩擦離合器起動(dòng)工作，當(dāng)輸出力矩大于摩擦離合器限定力矩，摩擦離合器打滑，滑銷(xiāo)壓縮彈簧收入擋板上的三個(gè)銷(xiāo)柱內(nèi)，從而保護(hù)電機(jī)不出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)工況，保護(hù)電機(jī)；當(dāng)主軸縮回時(shí)，大齒輪沿著螺旋槽下沉方向旋轉(zhuǎn)，滑銷(xiāo)在彈簧力的作用下嵌入螺旋槽深處，由滑銷(xiāo)和擋板傳遞動(dòng)力，摩擦離合器不工作，電機(jī)動(dòng)力全力輸出，縮回主軸。

2.3 啟動(dòng)單元設(shè)計(jì)

啟動(dòng)單元是自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的主要功能單元，其功能是拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)直至發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)單元工作需要產(chǎn)生較大的力矩和較高的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)具有較大的容量，相對(duì)于主軸自轉(zhuǎn)單元和主軸伸縮單元的驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量來(lái)說(shuō)，相差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。二者功能上有差別，而啟動(dòng)單元和主軸自轉(zhuǎn)單元的動(dòng)力向主軸的傳遞為分時(shí)共用主軸部件，因此在主軸與二者驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)鏈上都要進(jìn)行動(dòng)力快速隔斷、連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

啟動(dòng)電機(jī)與主軸之間采用電磁離合器進(jìn)行動(dòng)力傳遞模式，通過(guò)對(duì)電磁離合器的通斷電實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)鏈的隔斷、連接控制。當(dāng)自轉(zhuǎn)單元工作時(shí)，電磁離合器斷電，自轉(zhuǎn)電機(jī)與主軸之間的動(dòng)力傳動(dòng)鏈隔斷，自轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸做低速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)力不會(huì)向啟動(dòng)電機(jī)軸端傳遞，從而有效的降低自轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率；當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，電磁離合器通電，自轉(zhuǎn)電機(jī)與主軸之間的傳動(dòng)鏈連接，啟動(dòng)電機(jī)動(dòng)力通過(guò)電磁離合器向主軸傳遞。

前述自轉(zhuǎn)單元采用凸輪斷續(xù)的動(dòng)力傳遞方式，自轉(zhuǎn)電機(jī)斷電停轉(zhuǎn)狀態(tài)，凸輪與主軸脫離嚙合，因此啟動(dòng)電機(jī)動(dòng)力也不會(huì)向自轉(zhuǎn)電機(jī)傳遞。

2.4 系統(tǒng)工作過(guò)程狀態(tài)分析

自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的工作過(guò)程是通過(guò)繼電器和微動(dòng)開(kāi)關(guān)形成簡(jiǎn)單控制電路，與接插件各節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的通電時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的。系統(tǒng)工作過(guò)程中控制電路中的各器件的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 控制電路各器件狀態(tài)表

3. 系統(tǒng)性能測(cè)試

自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)順序時(shí)序控制系統(tǒng)，對(duì)于各單元的分析主要側(cè)重于定性的分析。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的側(cè)重在于各單元功能的匹配。對(duì)于系統(tǒng)功能、性能的檢測(cè)也主要側(cè)重于能夠完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作流程。檢測(cè)原理圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 檢測(cè)原理圖

系統(tǒng)實(shí)測(cè)情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能表

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求。電機(jī)的選型合理。

4. 結(jié)論

本文介紹了某型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)各單元的特性設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，針對(duì)應(yīng)用特性進(jìn)行了電機(jī)類(lèi)型的選擇。從實(shí)測(cè)指標(biāo)來(lái)看，啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案合理。系統(tǒng)性能測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。本啟動(dòng)系統(tǒng)的研制成功，為此類(lèi)產(chǎn)品的研制積累了經(jīng)驗(yàn)，為同類(lèi)產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

＊ [1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2001.

＊ [2] [日]三浦宏文.機(jī)電一體化實(shí)用手冊(cè).北京：科技出版社，2001.

＊ [3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z]. 機(jī)械工業(yè)出版社.