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目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒論 5
1.1課題背景 5
1.2 本章小結(jié) 6
2 閥殼油封軸承壓裝機(jī)的技術(shù)路線 6
2.1 閥殼油封軸承壓裝機(jī)研究現(xiàn)狀 6
2.2 主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)框架 7
2.3 設(shè)計(jì)要求 8
2.4 研究目的和意義 8
2.5 本章小結(jié) 9
3 總體方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選型計(jì)算 9
3.1 總體方案設(shè)計(jì) 9
3.2氣缸的選型 10
3.2.1減震器壓裝機(jī)定位機(jī)構(gòu)氣缸的選擇 10
3.2.2 氣缸的理論輸出力 11
3.2.3氣缸的負(fù)載率 11
3.2.4計(jì)算和選型 12
3.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 14
3.4 螺栓強(qiáng)度校核 14
3.4.1受橫向載荷鉸制孔螺栓連接強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì) 14
3.4.2受橫向載荷緊螺栓連接強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì) 15
3.5 本章小結(jié) 17
4 運(yùn)用CAD進(jìn)行建模 17
4.1軟件概述 17
4.2總體結(jié)構(gòu)建模 18
4.3 關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì) 19
4.3.1底板的設(shè)計(jì) 19
4.3.2 支撐軸座與支撐軸的設(shè)計(jì) 19
4.3.3 壓塊連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.3.4 壓緊部件上板的設(shè)計(jì) 21
4.4 裝配 22
5 總結(jié)與展望 23
5.1 總結(jié) 23
5.2 展望 24
參考文獻(xiàn) 25
緒論
本文主要是對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)設(shè)計(jì)，通過對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其可以實(shí)現(xiàn)閥殼油封軸承的壓裝。根據(jù)軸承進(jìn)行工藝分析，將壓裝分成2部。在設(shè)計(jì)中分別叫做Ⅰ工位和Ⅱ工位。本文第一章，首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究背景，闡述了本設(shè)計(jì)的主要意義；第二章，主要介紹閥殼油封軸承壓裝機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后闡述閥殼油封軸承壓裝機(jī)的分類和工作原理；第三章，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核；第四章，通過第三章的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)進(jìn)行主要部件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠處理實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是我對(duì)大學(xué)這幾年所學(xué)到的指示進(jìn)行了一次系統(tǒng)的分析與應(yīng)用，鍛煉我對(duì)制圖軟件的熟練應(yīng)用程度，鍛煉了獨(dú)自解決問題的能力，為今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：軸承 壓裝機(jī) 機(jī)械
Abstract
This article is mainly about the design of the valve housing oil seal bearing press machine. Through the design of its mechanical structure, it can realize the press fit of the valve housing oil seal bearing. According to the process analysis of the bearing, the press-fitting is divided into two parts. In the design, they are called I station and II station respectively. The first chapter of this article first introduces the research background of the valve housing oil seal bearing press and explains the main significance of the design; the second chapter mainly introduces the development trend of the valve housing oil seal bearing press and the current research status at home and abroad, and then explains the valve The classification and working principle of the shell oil seal bearing press machine; Chapter 3 is mainly for design calculation and strength check; Chapter 4 is for the main component design and structural design of the valve shell oil seal bearing press machine through the design calculation in Chapter 3. So that it can deal with the goals of practical applications. Through this graduation project, I carried out a systematic analysis and application of the instructions I have learned in the past few years, exercised my proficiency in 3D drawing software and 2D drawing software, and exercised my ability to solve problems alone. , Laying a good foundation for future work.
Keywords: Bearing Press Machine Machinery
III
附 錄
1 開題報(bào)告
1.1課題背景
在中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中機(jī)械占有重要地位，機(jī)械制造是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)。新中國(guó)成立后，特別是改革開放30年來，我國(guó)的機(jī)械工業(yè)發(fā)展迅速，各種機(jī)械產(chǎn)品層出不窮。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，第一個(gè)要滿足一定的要求，在一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也必須遵循某種方法。機(jī)械產(chǎn)品的基本要求取決于其所處的地位、作用及工作條件，主要考慮以下要求：功能要求、壽命要求、工藝性要求、價(jià)格要求、可靠性要求以及維護(hù)要求和標(biāo)準(zhǔn)化要求。
自1960年代以來，中國(guó)的軌道車輛一直在安裝無軸滾動(dòng)軸承。在1970年代有了固定軸承，他們分別是移動(dòng)式液壓機(jī)和固定軸承，并在1980年代記錄了壓力時(shí)間曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)。 1989年之后，使用固定的兩缸軸承來通過單個(gè)微型計(jì)算機(jī)芯片記錄壓力和保持時(shí)間。在1990年代，計(jì)算機(jī)控制的固定式內(nèi)置鋼制兩缸軸承以及整體結(jié)構(gòu)內(nèi)置的軸承開始進(jìn)入鐵路生產(chǎn)和維修服務(wù)部門。隨著時(shí)間的不斷發(fā)展，淘汰舊產(chǎn)品和出現(xiàn)新產(chǎn)品是歷史的必然。 1970年代的移動(dòng)式液壓機(jī)滿足了滾動(dòng)軸承的最基本要求，但是工作強(qiáng)度高，工作效率低。壓力測(cè)量使用手動(dòng)測(cè)量誤差。在相應(yīng)的數(shù)據(jù)中，以手動(dòng)填充為準(zhǔn)。這些缺點(diǎn)非常重要。出現(xiàn)在1980年代的固定式軸承機(jī)可以自動(dòng)測(cè)量和記錄每個(gè)車輪軸承組的技術(shù)參數(shù)，自動(dòng)測(cè)量和打印軸承壓力，停止按壓力，并隨時(shí)間自動(dòng)改變按壓力。曲線連接，其外觀很快就消除了移動(dòng)式液壓機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限性以及軸承軸承工藝開發(fā)人員缺乏了解，經(jīng)過十多年的制造實(shí)踐，軸承滾動(dòng)壓力機(jī)中記錄的時(shí)間和壓力曲線的缺點(diǎn)變得越來越明顯
滾動(dòng)軸承在鐵路部門有非常重要的作用，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到車輛形勢(shì)的安全性，一直是中國(guó)鐵道部門的工作重點(diǎn)。但是，在過去的一段時(shí)間，密封裝置，潤(rùn)滑和保持架的質(zhì)量一直影響軸承的質(zhì)量，不能滿足貨運(yùn)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需求。熱軸將在車輪對(duì)工作期間產(chǎn)生，壓縮時(shí)的偏心載荷是軸端的變形。灼熱的地雷非常有害，從車輛的正常暴露，造成數(shù)十萬的經(jīng)濟(jì)損失到發(fā)生爆炸事故，都炸毀了威脅乘客和機(jī)組人員安全的車輛。壓機(jī)的固定過程對(duì)軸承的可靠性具有決定性的影響。壓缸的設(shè)計(jì)主要是為了確保軸承正確安裝，車軸工作正常以及汽車性能最大化。壓力機(jī)的殼體由底座，支架，供油的主缸，輔助缸和一對(duì)輪對(duì)組成。與以前相比，該機(jī)器的機(jī)身和支架的強(qiáng)度和剛度得到了極大的提高。主缸設(shè)計(jì)獨(dú)特，具有良好的特性。
1.2 本章小結(jié)
本章首先對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究背景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并結(jié)合當(dāng)今社會(huì)的現(xiàn)狀分析了研究的目的及意義，為后續(xù)論文的進(jìn)行奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)。
2 閥殼油封軸承壓裝機(jī)的技術(shù)路線
2.1 閥殼油封軸承壓裝機(jī)研究現(xiàn)狀
與老式的壓裝機(jī)相比，現(xiàn)在的滾動(dòng)軸承軸承機(jī)具有更高的壓力機(jī)輸出固定力，并通過自動(dòng)化和信息技術(shù)大大提高了壓力機(jī)的精度，不僅提供了壓力機(jī)技術(shù)等級(jí)的自動(dòng)控制。壓力機(jī)的沖壓質(zhì)量高，并且壓力機(jī)的固定效率提高。
壓力機(jī)的殼體由底座，支架，供油的主缸，輔助缸和一對(duì)輪對(duì)組成。與以前相比，該機(jī)器的機(jī)身和支架的強(qiáng)度和剛度得到了極大的提高。主缸設(shè)計(jì)獨(dú)特，具有良好的特性。液壓站液壓控制的結(jié)構(gòu)和原理經(jīng)過多年的測(cè)試，密封性能良好，可靠。集成單元的主體是通過六個(gè)側(cè)面的鍛造和磨削制成的?？刂婆_(tái)是計(jì)算機(jī)控制臺(tái)的一種流行結(jié)構(gòu)，電氣盒的強(qiáng)弱安裝，很容易發(fā)生障礙。
（1） 鐵路滾動(dòng)軸承的發(fā)展與現(xiàn)狀
在鐵道部門的積極配合下，解決了許多制約滾動(dòng)軸承發(fā)展的狹窄問題。1978年，中國(guó)鐵路開始使用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承。鐵道部制定的主要技術(shù)政策是用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，這樣一來起動(dòng)阻力和列車行駛阻力都減小了，增加列車牽引噸位，減少軸燃燒事故。為確保行車安全，提高速度，減少火車上的阻力85％，行駛中的阻力約10％，加速車流，節(jié)省油脂，白金屬和其他材料，降低運(yùn)營(yíng)成本，延長(zhǎng)車的保養(yǎng)周期。開始使用大量的卡車，當(dāng)時(shí)使用的是軸承軸承，例如97720、197720、197726、197726和97730。其中，從日本進(jìn)口的兩軸承圓錐滾子軸承197726和國(guó)產(chǎn)軸承。在測(cè)試過程中，它主要符合中國(guó)使用的環(huán)境條件和線性條件。 1978年，鐵道部決定在中國(guó)的有軌電車上安裝197726型軸承，并于1980年開始裝載大量新卡車。這種軸承已成為中國(guó)貨車的主要產(chǎn)品。 1992年10月5日，鐵道部發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布鐵路貨車197726滾動(dòng)軸承檢修會(huì)議紀(jì)要的通知》和“鐵路車輛197726軸承檢修措施”。在大修期間，在維護(hù)期間可能發(fā)生沒有用過的軸的圓柱滾子軸承。1998年1月，鐵道部鐵路局在第一階段批準(zhǔn)了由中外合資經(jīng)營(yíng)的197726型軸承對(duì)北京南科夫軸承SKF鐵路軸承有限公司的改進(jìn)設(shè)計(jì)。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)主要包括使用塑料鋼保持架制造軸承和內(nèi)部微觀幾何尺寸，而傳統(tǒng)的滾子線模仿具有完全凸度的弧形。 SKF197726型軸承的生產(chǎn)始于1998年1月1日，用于車輛，與此同時(shí)工廠停止了197726軸承的生產(chǎn)。
（2）軸承的設(shè)計(jì)及現(xiàn)狀
隨著鐵路車輛軸承的發(fā)展，壓機(jī)也得到了升級(jí)。近幾十年來，中國(guó)最常見的手推車軸承壓力機(jī)是移動(dòng)式機(jī)器，具有優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，易于移動(dòng)和易于操作，但隨著橋梁和軸承的發(fā)展，軸承和軸承的配合要求越來越高：工作進(jìn)展用于裝配壓力機(jī)無軌電車的移動(dòng)式機(jī)械性能差，故障率高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，正逐漸被固定的機(jī)床所取代。迄今為止，固定壓力機(jī)的功能非常強(qiáng)大：在開始按壓時(shí)，操作員可以在控制系統(tǒng)中輸入軸號(hào)，軸類型，軸承號(hào)以及左右兩端。自動(dòng)匹配系統(tǒng)使用主控制機(jī)器上的傳感器和測(cè)量設(shè)備來獲得各種技術(shù)。
2.2 主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)框架
第一章，首先對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究背景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并結(jié)合當(dāng)今社會(huì)的現(xiàn)狀分析了研究的目的及意義，為后續(xù)論文的進(jìn)行奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)。
第二章，本章首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究現(xiàn)狀，并提出今后閥殼油封軸承壓裝機(jī)的發(fā)展方向，然后介紹了閥殼油封軸承壓裝機(jī)的開發(fā)的技術(shù)路線，最后對(duì)本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了介紹，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展工作做了鋪墊。
第三章，主要是設(shè)計(jì)計(jì)算，首先對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)氣缸進(jìn)行了選型，然后又對(duì)直線軸承進(jìn)行了計(jì)算與選項(xiàng)，并對(duì)其中所用的螺栓進(jìn)行了選型與校核，最后對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的整體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與校核，為后續(xù)對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。
第四章，主要利用二維制圖軟件對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制出了它的重要零部件的二維圖紙， 并對(duì)其主要零部件的功能及材料進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)它的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。
第五章，結(jié)論與展望，總結(jié)了全文，并且對(duì)本設(shè)計(jì)中研究的主要成果進(jìn)行概括總結(jié)，并且提出本設(shè)計(jì)中的不足之處，以及后續(xù)需要改進(jìn)的地方。
2.3 設(shè)計(jì)要求
閥殼油封軸承壓裝機(jī)應(yīng)滿足的要求，如表2-1所示。
表2-1 設(shè)計(jì)要求
要求
內(nèi)容
經(jīng)濟(jì)性要求
在滿足使用要求的前提下，要盡可能的降低成本，在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)濟(jì)性的重要性體現(xiàn)在制造、維修和銷售等各個(gè)方面。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮它的經(jīng)濟(jì)性。
安全性要求
安全性是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器是最重要的指標(biāo)，需要保證機(jī)器安全穩(wěn)定的運(yùn)行，也要保證在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的人員的人身安全。
可靠性要求
可靠性就是是指它在運(yùn)行的過程中的穩(wěn)定性，可靠性越高運(yùn)行過程中發(fā)生故障的可能性就會(huì)越小，它的使用壽命就會(huì)越長(zhǎng)。
操作使用方便性要求
測(cè)試裝置使用時(shí)便捷性也十分重要，操作方便可以有效的提高實(shí)驗(yàn)效率。。
2.4 研究目的和意義
在本課題的設(shè)計(jì)中，采用三維制圖軟件完成整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)集成先進(jìn)制造技術(shù)，開辟一種新的設(shè)計(jì)思維，有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究課題參考?jí)貉b試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)，通過對(duì)壓裝機(jī)工作原理深度研究，對(duì)比現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)中的不足之處，對(duì)其中所存在的問題進(jìn)行改正，總結(jié)分析并研究出一種全新的結(jié)構(gòu)，提升裝置的通用性、可靠性及穩(wěn)定性。本裝置可以更有效的提高加工效率，對(duì)我國(guó)減震器護(hù)蓋裝配技術(shù)發(fā)展有著重要借鑒意義。
通過在對(duì)本裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，能夠巧妙地利用大學(xué)四年所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)，完成裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷的鞏固理論知識(shí)，完成對(duì)大學(xué)這幾年的理論知識(shí)的梳理與復(fù)習(xí)，在借助繪圖軟件過程中，使我們對(duì)軟件的運(yùn)用更加熟練，為以后參加工作，培養(yǎng)自主完成項(xiàng)目的能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2.5 本章小結(jié)
本章首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了總結(jié)與歸納，最后對(duì)本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了介紹。
3 總體方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選型計(jì)算
3.1 總體方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是閥殼油封軸承壓裝機(jī)，本次設(shè)計(jì)通過下方的定位塊固定工件，通過氣缸的伸出和縮回來實(shí)現(xiàn)壓頭的上下運(yùn)動(dòng)，以直線軸承和導(dǎo)桿實(shí)現(xiàn)壓頭的精準(zhǔn)定位，用限位塊實(shí)現(xiàn)壓塊的伸出位置的限位，通過以上結(jié)構(gòu)的整體裝配，保證設(shè)備的精準(zhǔn)度。
閥殼油封軸承壓裝機(jī)主要包括一下幾部分：工作平臺(tái)、定位裝置、壓頭裝置、機(jī)體安裝座、動(dòng)力裝置等。
具體設(shè)計(jì)參數(shù)：
1. Ⅰ工位氣缸： MDB1F100-150-Z73L -XC12
2. 總行程： 150mm
3.力行程： 15mm
4.最大沖壓力： 5600N/0.6Mpa
5.Ⅱ工位氣缸： MDB1F100-150-Z73L -XC12
6.總行程： 150mm
7.力行程： 15mm
8.最大沖壓力： 23000N/0.6Mpa
9.作業(yè)高度 750（工作臺(tái)面高度）
10.生產(chǎn)節(jié)拍： 40S
11.外形尺寸： 1780mm×1670mm×600mm
為了滿足以上的裝配要求，我采用立式壓裝機(jī)。壓裝裝置采用液壓缸，這樣可得到足夠大的壓入力，從而使系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。定位裝置采用、V型塊等定位元件來實(shí)現(xiàn)活塞桿的準(zhǔn)確定位。（如下圖）
圖3.1 閥殼油封軸承壓裝機(jī)總體方案圖
3.2氣缸的選型
3.2.1減震器壓裝機(jī)定位機(jī)構(gòu)氣缸的選擇
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣，并將存儲(chǔ)在氣缸，電動(dòng)機(jī)或其他設(shè)備中的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。但是，當(dāng)工業(yè)應(yīng)用中對(duì)能量的要求不高時(shí)，使用壓縮空氣是唯一具有成本效益的選擇。氣動(dòng)“敏捷手指”用于在短距離內(nèi)高速移動(dòng)小物體，例如夾緊，運(yùn)輸，擰緊螺釘以及其他工業(yè)，貿(mào)易或醫(yī)療任務(wù)。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括空氣壓縮和處理、控制（通過閥門）和輸出驅(qū)動(dòng)（缸或電機(jī)）。這些組件在運(yùn)行期間幾乎不需要維護(hù)，因此使用壽命會(huì)延長(zhǎng)。壓縮空氣易于獲取，不會(huì)引起火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)。然而，壓縮空氣的生產(chǎn)和制備可能非常昂貴，并且必須抑制排氣的刺耳噪音。優(yōu)點(diǎn)是壓縮空氣對(duì)溫度變化不敏感。如果有泄漏，則不會(huì)影響機(jī)器的安全，也不會(huì)污染環(huán)境。在很寬的范圍內(nèi)，可以簡(jiǎn)單地控制致動(dòng)器的速度和力，但是可能難以獲得恒定且均勻的活塞速度。
在了解了各驅(qū)動(dòng)方式之后，對(duì)減震器壓裝機(jī)定位部分進(jìn)行選擇。
由于定位機(jī)構(gòu)中，定位的動(dòng)作為夾緊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且在定位過程中需要有一定的力。所以選擇氣動(dòng)作為減震器壓裝機(jī)定位部分的驅(qū)動(dòng)方式。
定位機(jī)構(gòu)為通過直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，所以選擇的氣缸類型為雙作用的直線氣缸，并且為了保證氣缸的活塞桿不受徑向力，所以有相應(yīng)的限位機(jī)構(gòu)，最終選擇氣缸的類型為單導(dǎo)桿的雙作用直線氣缸作為定位機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件，直線的位移行程為150mm。接下來對(duì)氣缸的缸徑進(jìn)行計(jì)算和選型。
3.2.2 氣缸的理論輸出力
普通雙作用氣缸的理論推力（N）為：
式中, D一缸徑(mm)，p一氣缸的工作壓力(MPa)。
理論拉力(N)為：
式中,d一活塞桿直徑（mm）時(shí),估算時(shí)可令d=0.4D。
3.2.3氣缸的負(fù)載率
氣缸的負(fù)載率=實(shí)際負(fù)載力F/理論輸出力F0
當(dāng)負(fù)載情況變化，實(shí)際負(fù)載力也變化。
氣缸的實(shí)際負(fù)載是由工況決定，如果確定了負(fù)載率η，那么氣缸的理論出力也隨之確定，負(fù)載率η的選取與氣缸的負(fù)載性能及氣缸的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)（見下表）
負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
靜負(fù)載
如夾緊、
低速壓鉚
動(dòng)載荷
氣缸速度
＜100mm/s
氣缸速度
100~500mm/s
氣缸速度
＞500mm/s
負(fù)載率η
≤80％
≤65％
≤50％
≤30％
3.2.4計(jì)算和選型
本課題中舉升氣缸的軸向負(fù)載力：
F =μmg=0.3×104×9.8=306N
氣缸的平均速度：
V=s/t=100/0.8=125mm/s，按上表中，取負(fù)載率η=0.5；
理論輸出力：
F0=F/η=306/0.5=612N
由式和得：D=13.5mm；d=5.6mm
考慮安全系數(shù)后，根據(jù)下表得氣缸理論輸出力表，選擇缸徑為100mm的單導(dǎo)桿氣缸，行程為150mm，最終型號(hào)為MDB1F100-150-Z73L -XC12。
3.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副
直線導(dǎo)軌的距離額定壽命可用下式計(jì)算：
式中：——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于58HRC，故通常可?。?
——溫度系數(shù)，工作溫度<，?。?
——接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為2，取；
——精度系數(shù)，精度等級(jí)為2，??；
——載荷系數(shù)，無外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，??；
——額定動(dòng)載荷（N）；
F——計(jì)算載荷（N）。
由此可計(jì)算出導(dǎo)軌的距離額定壽命為
一般把滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的距離額定壽命定位50km，故滿足要求。
3.4 螺栓強(qiáng)度校核
3.4.1螺栓連接強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)
受橫向載荷鉸制孔螺栓連接的基本形式如圖3.3所示：
圖3.3受橫向載荷鉸制孔螺栓連接
受橫向載荷鉸制孔螺栓連接的基本計(jì)算公式：
按擠壓強(qiáng)度校核計(jì)算：
按抗剪強(qiáng)度校核計(jì)算：
按擠壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：
按抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：
式中： ――受橫向載荷，N； ――受剪直徑，（＝螺紋小徑），mm，查表獲得； ――受擠壓高度，取 、 中的較小值，mm；m――受剪面?zhèn)€數(shù)。
許用應(yīng)力的計(jì)算公式分兩組情況，如表3-2：
表3-2許用應(yīng)力計(jì)算公式
強(qiáng)度計(jì)算
被連接件材料
靜載荷
動(dòng)載荷
擠壓強(qiáng)度
鋼
鑄鐵
抗剪強(qiáng)度
鋼和鑄鐵
表中： 為材料的屈服極限，由螺栓機(jī)械性能等級(jí)所決定。
3.4.2受橫向載荷緊螺栓連接強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)
受橫向載荷緊螺栓連接的基本形式如圖3.4所示：
圖3.4 受橫向載荷緊螺栓連接
受橫向載荷緊螺栓連接強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)的基本公式如下：
?????? （1）預(yù)緊力計(jì)算公式：
?????? （2）校核計(jì)算公式：
?????? （3）設(shè)計(jì)計(jì)算公式：
?。?）許用應(yīng)力計(jì)算公式：
式中： ――橫向載荷，N； ――螺栓預(yù)緊力，N； ――可靠性系數(shù)，取1.1~1.3；m――接合面數(shù)；f――接合面摩擦因數(shù)，根據(jù)不同材料而定。鋼對(duì)鋼時(shí)，為0.15 左右； ――螺紋小徑，從表中獲??； ――螺栓屈服強(qiáng)度，MPa，由螺栓材料機(jī)械性能等級(jí)決定； ――安全系數(shù)，按表3-3選用。
表3-3 預(yù)緊螺栓連接的安全系數(shù)
材料種類
靜載荷
動(dòng)載荷
M6~M16
M16~M30
M30~M60
M6~M16
M16~M30
M30~M60
碳鋼
4~3
3~2
2~1.3
10~6.5
6.5
6.5~10
合金鋼
5~4
4~2.5
2.5
7.5~5
5
6~7.5
根據(jù)以上計(jì)算，最終選取連接螺栓的為四個(gè)8.8級(jí)的M8螺栓進(jìn)行連接，可以有效的整體裝置的強(qiáng)度及穩(wěn)定性和可靠性。
3.5 本章小結(jié)
本章主要是設(shè)計(jì)計(jì)算，首先對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的總體方案機(jī)器工作原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)其中涉及到的設(shè)備進(jìn)行計(jì)算選型，首先對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的氣缸進(jìn)行了計(jì)算選型，然后又對(duì)直線軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)其中所用螺栓進(jìn)行了選型與校核，為后續(xù)對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。
4 運(yùn)用CAD進(jìn)行建模
4.1軟件概述
Autocad是Autodesk計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，在1982年由Autodesk首次開發(fā)?？捎糜?D工程圖，詳細(xì)的技術(shù)圖像，基本設(shè)計(jì)和3D設(shè)計(jì)文件。它的多媒體設(shè)計(jì)文檔使不使用計(jì)算機(jī)的專業(yè)人員可以快速學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)。在持續(xù)重復(fù)期間，最好研究各種技能和發(fā)展技能的要求，以不斷提高工作效率。 Autocad具有廣泛的兼容性，可以在微型計(jì)算機(jī)和工作站上的各種操作系統(tǒng)中使用。主要任務(wù)是完成完整的攝影作品。詳細(xì)而有力的工作。有很多方法可以聚在一起。他們可以改變形狀圖的多樣性，并具有很強(qiáng)的交流性。支持多種設(shè)備。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，適合所有類型的用戶。此外，autocad2000系統(tǒng)還包含一個(gè)autocad設(shè)計(jì)（adc），用于多個(gè)文檔的項(xiàng)目環(huán)境（mde），一個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，一個(gè)新的目標(biāo)功能，一個(gè)預(yù)定義功能以及一個(gè)打開和一個(gè)分區(qū)一個(gè)啟示。該程序的好處在于，現(xiàn)在可以輕松管理順暢的遷移和遷移管理。您可以使用當(dāng)前圖像導(dǎo)出PDF文件中的幾何圖形，填充，排序和分組文本。 pdf數(shù)據(jù)可以來自附加到現(xiàn)有圖像的PDF或指定的PDF文件。
4.2總體結(jié)構(gòu)建模
根據(jù)前文的計(jì)算以及相關(guān)參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)二維圖紙的繪制，閥殼油封軸承壓裝機(jī)的二維數(shù)模如圖4.1所示，裝配體在實(shí)際安裝的過程中要注意各個(gè)零部件的公差配合和尺寸精度是否滿足要求，在裝配前要檢查零件是否有加工缺陷，是否在運(yùn)輸過程中有劃傷等現(xiàn)象出現(xiàn)。要保證各零部件具有夠用的剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低成本，加工方便，并提高在使用時(shí)的便捷性及保證穩(wěn)定性可靠性。
圖4.1總裝圖
4.3 關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)
4.3.1底板的設(shè)計(jì)
底板為整個(gè)耐久試驗(yàn)設(shè)備的支撐裝置，能夠承受裝置所需承受的最大壓力而不產(chǎn)生變形，并且能夠滿足工作壓力面的尺寸要求。底板的材料選擇Q235-A，通過數(shù)控機(jī)床加工，保證表面的粗糙度和孔的位置公差以及行位公差，如圖4.2所示。
圖4.2底板
4.3.2 支撐軸座與支撐軸的設(shè)計(jì)
在本次設(shè)計(jì)中整體框架通過二根支撐軸和二個(gè)支撐軸連接座作為框架，通過螺栓把接的方式，將其固定在連接板上，這二個(gè)軸和二個(gè)支撐軸座在整體中間位置，下方連接有支撐下板，也是通過螺栓把接的方式連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低成本，加工方便，并提高在使用時(shí)的穩(wěn)定性可靠性。支撐軸座和支撐軸的三維數(shù)模分別如圖4.3、4.4所示
圖4.3 支撐軸座的
圖4.4 支撐軸
4.3.3 壓塊連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在本次設(shè)計(jì)中，壓塊連接件是用來安裝和支撐壓塊，因?yàn)閴簤K的強(qiáng)度要求比較高，對(duì)其加工精度還是有一定要求，須嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行加工，如圖4.5所示。
圖4.5 支撐軸
4.3.4 壓緊部件上板的設(shè)計(jì)
在本次設(shè)計(jì)中，壓緊部件上板選用的材料為Q235，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，進(jìn)行淬火的熱處理，壓緊部件上板安裝在支撐桿上，通過螺母把接的方式，能有效的保證其穩(wěn)定性，壓緊部件上板上安裝氣缸，將氣缸固定在上面。所以壓緊部件上板所需的強(qiáng)度比較高，并且對(duì)其中間的孔要求加工精度較高，不能有加工缺陷，其零件圖如圖4.6所示。
圖4.6 壓緊部件上板
4.4 裝配
組裝是按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝零件：按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝零件，然后進(jìn)行調(diào)試和檢查以使其成為合格產(chǎn)品的過程始于裝配圖的設(shè)計(jì)。組件必須具有定位和夾緊的兩個(gè)基本條件。定位是確定零件正確位置的過程。定位后立即夾緊并固定零件。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，裝配工作可分為零件裝配，零件裝配和總裝。
（1）組件裝配：將若干零件連接成組件或?qū)⑷舾闪慵徒M件連接成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜一些的組件的工藝過。
（2）部件裝配：將若干零件和組件連接成部件的過程，稱為部件裝配。
（3）總裝配：將若干零件和部件裝配成最終產(chǎn)品的工藝過程，稱為總裝配。
因?yàn)檠b配工作的主要任務(wù)是保證產(chǎn)品在裝配后達(dá)到規(guī)定的各項(xiàng)精度要求，所以一定采取合理的裝配方法。
裝配體是由幾個(gè)零件組成的零部件。它表達(dá)了組件的工作原理和裝配關(guān)系。這在設(shè)計(jì)，組裝，調(diào)整，檢查，安裝，實(shí)用性和維護(hù)過程中非常重要。在CAD中，零件可以位于零件，零件和子裝配體，同軸配合，垂直配合，平行配合，距離配合，角度配合等之間。頂升機(jī)構(gòu)的裝配體如4.7所示:
圖4.7總裝圖
5 總結(jié)與展望
5.1 總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過分析軸承壓裝機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種閥殼油封軸承壓裝機(jī)，通過分析其工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本次論文首先介紹了閥殼油封軸承壓裝機(jī)的研究背景及本次設(shè)計(jì)的主要意義，然后提出閥殼油封軸承壓裝機(jī)的基本設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念，對(duì)閥殼油封軸承壓裝機(jī)進(jìn)行主要零部件設(shè)計(jì)，設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后，閥殼油封軸承壓裝機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。另外，通過這個(gè)設(shè)計(jì)，可以了解機(jī)械設(shè)計(jì)的一般流程：設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、發(fā)送裝置的整體設(shè)計(jì)、發(fā)送部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算、組裝設(shè)計(jì)、部件的加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)范的制作。在設(shè)計(jì)過程中完成的同時(shí)，需要在時(shí)間內(nèi)進(jìn)行溝通與指導(dǎo)人員進(jìn)行商談。各階段結(jié)束后，應(yīng)謹(jǐn)慎檢查，慎重保持正確錯(cuò)誤，并保持改進(jìn)。畢業(yè)項(xiàng)目的各個(gè)階段互相關(guān)聯(lián)著。在設(shè)計(jì)上，零件和部件的結(jié)構(gòu)尺寸不能完全通過計(jì)算來決定，也應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)，技術(shù)，經(jīng)濟(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化，串聯(lián)化的要求。影響部件和部件尺寸的因素很多，隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展需要考慮的課題需要綜合且合理，因此后期階段的設(shè)計(jì)應(yīng)該對(duì)前期設(shè)計(jì)中不合理的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行必要的修改。因此，需要計(jì)算設(shè)計(jì)，同時(shí)繪制，反復(fù)修正，交替進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和附圖。標(biāo)準(zhǔn)化、串聯(lián)化、通用化應(yīng)在設(shè)計(jì)中進(jìn)行，以確保可互換性、成本降低、設(shè)計(jì)周期縮短，這是機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)之一。在設(shè)計(jì)上，我們要注意的是，如果要使用標(biāo)準(zhǔn)部件，就必須熟練、正確地使用所有種類的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉了我對(duì)三維及二維軟件的應(yīng)用能力和設(shè)計(jì)制圖能力，對(duì)大學(xué)這么多年自己的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行了很好的總結(jié)和凝聚，為今后走向工作，實(shí)現(xiàn)快速接軌社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。
5.2 展望
本次的設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)與我個(gè)人來說實(shí)屬很難，很難，尤其是這個(gè)設(shè)計(jì)很復(fù)雜，尤其在于本次的設(shè)計(jì)過程中，一直以來自己能力有限。確實(shí)無法完成本次的設(shè)計(jì)，最后在老師與同學(xué)的熱情幫助下，我經(jīng)歷各種問題，最后實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)思路的設(shè)定，最后完成這個(gè)自動(dòng)打箔機(jī)的設(shè)計(jì)，完成一個(gè)主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到最后的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)過程。其實(shí)一個(gè)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到最后，成型到最后加工要經(jīng)歷一個(gè)全新的過程，這個(gè)過程很漫長(zhǎng)也很長(zhǎng)久，經(jīng)過這個(gè)過程我也努力的完成了自己的想法與夢(mèng)想。未來我希望自己能在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域創(chuàng)造出屬于自己的天地。本次的設(shè)計(jì)，讓給我感觸很深，本次設(shè)計(jì)對(duì)我的鍛煉也很多，讓自己更加清楚自己的能力，設(shè)計(jì)就是從發(fā)現(xiàn)問題到最后解決問題的一個(gè)過程，本次完成設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)自己也是一個(gè)極大的認(rèn)可。
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Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 178 DOI: 10.3384/ecp09430040 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 179 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 180 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 181 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 182 Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22, 2009 The Modelica Association, 2009 183 畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯）
第七屆會(huì)議論文集Modelica語言，科莫，意大利，9月20日至22日，2009
基于Modelica半實(shí)物仿真的
飛機(jī)反推力裝置液壓系統(tǒng)
趙建軍1 李自強(qiáng)1 丁劍烷1 陳利平1 王祈福1
陸清2王宏鑫2吳爽2
1：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中心，機(jī)械學(xué)院，華中科技大學(xué)。科技及技術(shù)。湖北省武漢市，中國(guó)，430074
2：上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，中國(guó)商用飛機(jī)集團(tuán)有限公司，上海，200436
{jjzhao168, willhave, jwdingwh, chenliping.ty}@gmail.com wangqf@hust.edu.cn
lq70300@126.com whongxin@sina.com wushuanga@sohu.com
摘要：本文介紹了一個(gè)解決方案來建立一個(gè)硬件在環(huán)（HIL）仿真系統(tǒng)與Modelica語言為基礎(chǔ)的民間飛機(jī)推力逆向仿真平臺(tái)系統(tǒng) -機(jī)電工程在Windows系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件在環(huán)仿真平臺(tái)“機(jī)電工程”，以模型和模擬的推力反向器的液壓系統(tǒng)，并采取硬件- 作為模擬輸入PLC的輸出信號(hào)。建模模塊，通信模塊，解決模塊，動(dòng)畫模塊和控制模塊包括硬件在環(huán)仿真平臺(tái)中，其關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施細(xì)節(jié)規(guī)定。HIL系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力。它可以模擬液壓系統(tǒng)在正常狀態(tài)，故障狀態(tài)以及其他工作條件，以驗(yàn)證控制邏輯和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，從而幫助減少了實(shí)驗(yàn)成本，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)推力反向器的液壓系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真，硬件在環(huán)，Modelica
1. 簡(jiǎn)介
推力反向器[1]作為飛機(jī)引擎的一部分，是飛機(jī)著陸減速裝置，它可以有效地縮短了滑行距離。推力反向器是一個(gè)典型的復(fù)雜物理系統(tǒng)，涉及機(jī)械，電子，液壓，控制等領(lǐng)域。為了驗(yàn)證推力反向器的控制邏輯，我們可以進(jìn)行地面試驗(yàn)及飛行的推力反向器真正件實(shí)驗(yàn)，但這種方法具有較高的成本和安全性差，而且只限于不同的自然條件。此外，這種方法，對(duì)極端條件下的測(cè)試是非常困難的。Modelica語言為基礎(chǔ)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可以解決上述問題。首先，基于Modelica[2，3]是一個(gè)免費(fèi)的，面向?qū)ο蟮拇笮停瑥?fù)雜和異構(gòu)的物理系統(tǒng)的語言formodeling。這是適合多領(lǐng)域建模。在數(shù)學(xué)描述Modelica語言模型是由微分，代數(shù)和離散方程。Modelica語言，我們可以在整個(gè)反推模型，它涉及機(jī)械，電子，液壓和控制領(lǐng)域。其次，HIL系統(tǒng)同時(shí)使用真實(shí)邏輯控制元件和反推力模型來實(shí)現(xiàn)模擬。HIL系統(tǒng)可以驗(yàn)證這在varietyof工作條件的控制邏輯，它的成本非常低。此外，有了這個(gè)系統(tǒng)，就沒有必要考慮安全性。
本文介紹了一個(gè)解決方案來建立一個(gè)模擬平臺(tái)與基于Modelica語言反推力HIL模擬系統(tǒng) –機(jī)電工程[4]與Windows操作系統(tǒng)的普通電腦。它使用為例，先進(jìn)的區(qū)域噴氣飛機(jī)的推力反向器在21世紀(jì)（ARJ21的），這是設(shè)計(jì)和公司的中國(guó)商用飛機(jī)有限公司（專員）制造。首先，它介紹了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的總體框架，然后詳細(xì)說明了仿真平臺(tái)，這是建模模塊，解決，溝通，動(dòng)畫及和記控制的幾個(gè)重要模塊，最后演示了該系統(tǒng)的成功應(yīng)用ARJ21的推力反向器模擬。
2系統(tǒng)概述
一般來說，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由主機(jī)上的Windows操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行的PC運(yùn)行的操作系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)功能，但非常昂貴。ARJ21飛機(jī)的推力反向器是由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它主要是由六電磁液壓閥，其國(guó)家所有的推力反向器控制開關(guān)取決于控制。在模擬實(shí)驗(yàn)中，PLC作為反推控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，液壓閥6根據(jù)的推力反向器控制開關(guān)和反饋信號(hào)從模擬平臺(tái)的狀態(tài)。和反饋信號(hào)將只用于故障觸發(fā)。因此，模擬不需要很高的實(shí)時(shí)能力。
該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，在這篇文章中討論，不需要昂貴的“真正的“實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它可以運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的普通計(jì)算機(jī)和采樣頻率可以達(dá)到50赫茲，這是足夠的推力反向器模擬的要求。
在圖1所示的系統(tǒng)的概述。HIL仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于PLC和仿真平臺(tái)“機(jī)電工程”，這五個(gè)軟件模塊組成- 建模模塊，解決模塊，通信模塊，動(dòng)畫模塊和硬件在環(huán)控制模塊。
圖1：系統(tǒng)概述
PLC中，作為在HIL系統(tǒng)的硬件部分使用，接收電子信號(hào)控制開關(guān)，以及模擬反饋信號(hào)，并發(fā)送控制信號(hào)的邏輯運(yùn)算后的仿真平臺(tái)。機(jī)電工程，以Modelica語言為基礎(chǔ)的綜合開發(fā)環(huán)境，是用來作為建模和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。推力反向器是模擬對(duì)象，這是基于Modelica模型。根據(jù)該模型，求解模塊產(chǎn)生的疑問，這是實(shí)時(shí)計(jì)算工作。通訊模塊是實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換和PLC負(fù)責(zé)。該動(dòng)畫模塊接收從解決模塊和驅(qū)動(dòng)器的三維動(dòng)畫的結(jié)果數(shù)據(jù)。囪基發(fā)展控制模塊，它的面板，如圖2所示，為啟動(dòng)和終止仿真，仿真參數(shù)設(shè)置負(fù)責(zé)，展現(xiàn)與其他模塊進(jìn)行通信，以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
圖2：半實(shí)物仿真系統(tǒng)
仿真過程如下：
1) 在分析了反推力系統(tǒng)，組件模型和系統(tǒng)模型）創(chuàng)建于Modelica語言。
2) 在設(shè)置與控制模塊的硬件在環(huán)仿真面板參數(shù)，模擬開始：HIL模式轉(zhuǎn)換控制模塊，然后生成一個(gè)求解器模塊解決，這將是在一個(gè)新的程序調(diào)用。
3) 通信模塊是由所謂的硬件在環(huán)控制模塊接收來自PLC的控制信號(hào)。經(jīng)過翻譯，這些信號(hào)會(huì)顯示在面板上，并傳送到求解程序。
4) 在求解過程中接收控制信號(hào)并在每個(gè)周期計(jì)算。當(dāng)計(jì)算完成后，解算器發(fā)送的結(jié)果到HIL控制模塊，并等待下一個(gè)周期。
5) HIL控制模塊接收來自求解過程的結(jié)果，并顯示在HIL控制模塊的硬件面板，并交付給動(dòng)畫模塊來驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)畫。與此同時(shí)，HIL控制模塊命令通訊模塊發(fā)送結(jié)果反饋信號(hào)給PLC。
6) PLC采用反饋信號(hào)和控制作為輸入開關(guān)狀態(tài)，邏輯運(yùn)算后，發(fā)送控制信號(hào)到仿真平臺(tái)。
7) 重復(fù)步驟3，直到終止循環(huán)的模擬。
3關(guān)鍵技術(shù)
3.1建模
在分析了ARJ21飛機(jī)的推力反向器的液壓系統(tǒng)，我們開發(fā)了一個(gè)專用液壓庫：Hydrau -Comac，這是在HyLibLight的液壓庫。Hydrau_Comac庫提供ARJ21的推力反向器和輔助液壓元件庫，如隔離控制閥（側(cè)腦室），兜帽鎖（氯），方向控制閥（直流電壓），液壓執(zhí)行器，管，負(fù)載，以及流體的特性。這些模型是根據(jù)自身構(gòu)造方程及其參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果判定是否有必要校準(zhǔn)。為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，Hydrau_Comac庫還提供簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)組件模型。Hydrau_Comac庫的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3：Hydrau_Comac庫的結(jié)構(gòu)
在HyLibLight庫和Hydrau_Comac庫的基礎(chǔ)上，我們模擬ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)，提供簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型（圖4）實(shí)時(shí)硬件在環(huán)仿真，以及詳細(xì)的系統(tǒng)模型進(jìn)行離線仿真（圖5）。
圖4：實(shí)時(shí)反推力系統(tǒng)模型
圖5：離線系統(tǒng)模型與管道
3.2求解
HIL仿真模型的模型解決與離線模擬解決不同。HIL仿真解決不僅需要與外部硬件交換數(shù)據(jù)，而且還保證物理時(shí)間之間在現(xiàn)實(shí)世界中的模擬和邏輯時(shí)間同步。為了識(shí)別輸入和輸出數(shù)據(jù)，我們使用“輸入“和“輸出’”前綴修改輸入變量和輸出變量，因此，我們可以保證計(jì)算順序-從輸入變量到輸出變量。此外，根據(jù)Modelica的規(guī)范，輸入變量和輸出變量可用于外部通信，因此，外部交換數(shù)據(jù)需要在配置文件中記錄。根據(jù)在配置文件中記錄，聯(lián)營(yíng)的解決模塊輸入/輸出共享內(nèi)存變量。求解器模塊從共享內(nèi)存中讀取輸入數(shù)據(jù)，并寫入輸出數(shù)據(jù)到那里。 HIL控制模塊寫入輸入數(shù)據(jù)從PLC的共享內(nèi)存中，并從哪里讀取輸出數(shù)據(jù)。
實(shí)時(shí)流程圖解決是如圖6所示。在每一個(gè)采樣周期，如果他們的數(shù)據(jù)變動(dòng)，解決模塊將會(huì)從共享內(nèi)存中提取輸入數(shù)據(jù)并檢查。如果更改，這意味著會(huì)導(dǎo)致事件的外面環(huán)境改的變化，從而使解決模塊需要做事件循環(huán)。然后，解決模塊計(jì)算，并寫入所要求的輸出數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存。
圖6：流動(dòng)的實(shí)時(shí)圖表求解
我們使用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)同步。通過調(diào)用查詢性能頻率（）函數(shù)，我們可以得到，并調(diào)用查詢性能計(jì)數(shù)器（）在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)功能的機(jī)器內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘頻率，我們可以得到一個(gè)計(jì)數(shù)。隨著頻率和數(shù)量，我們可以知道這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的精確時(shí)間。利用這種方法，我們可以知道在一個(gè)周期內(nèi)所花費(fèi)的時(shí)間并把這時(shí)間稱為一個(gè)變量的物理循環(huán)時(shí)間。在下一個(gè)周期開始時(shí)物理循環(huán)時(shí)間超過采樣周期。這種方法的計(jì)時(shí)誤差小于1ms。
在每個(gè)周期中，模塊檢查是否解決在計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)于采樣周期。如果計(jì)算超過采樣周期，但不超過可接受的時(shí)間，該模塊將報(bào)告一個(gè)警告。而如果計(jì)算超出可接受的時(shí)間，該模塊將報(bào)告錯(cuò)誤并退出。因此，為了實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性，仿真系統(tǒng)需要運(yùn)行在高性能計(jì)算機(jī)，以確保解決的速度。
3.3通訊
在HIL仿真中，如何溝通仿真平臺(tái)和PLC，以及如何保證精確的通信頻率是實(shí)時(shí)能力的關(guān)鍵因素。通過使用通訊模塊，仿真平臺(tái)采用PLC通過RS232串行端口通信。通訊參數(shù)如下：57.6kbps的傳輸速率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)和固定字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)該指定，從模擬平臺(tái)傳輸?shù)絇LC的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀。然后，PLC將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換幀檢索內(nèi)容。通訊模塊調(diào)用Windows API函數(shù)進(jìn)行串口通訊：調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開串口，writeFile（）函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入到串行端口，用readfile（）函數(shù)來讀取串口數(shù)據(jù)。
PLC采用高速串口通信模塊CP341來實(shí)現(xiàn)通信。FB7的CP341功能塊負(fù)責(zé)接收從模擬平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并且FB8的CP341功能塊是將數(shù)據(jù)發(fā)送到模擬平臺(tái)負(fù)責(zé)。通過使用定時(shí)器，串行口通信的頻率可以被控制。串口通信的頻率是相同的采樣頻率。PLC使用其內(nèi)部定時(shí)器，其最小時(shí)間間隔可為10ms。由于PLC是電路工作，因此，定時(shí)精度取決于PLC控制程序運(yùn)行周期。在正常情況下，PLC控制程序運(yùn)作周期可小于1毫秒，精度可以達(dá)到1毫秒。通訊模塊在于Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用多媒體定時(shí)器 “時(shí)間設(shè)置事件（）“定時(shí)控制，并實(shí)現(xiàn)串口讀寫回調(diào)功能操作，精度也能達(dá)到1毫秒。
3.4動(dòng)畫
一般來說，基于Modelica多體動(dòng)畫的實(shí)施有3個(gè)步驟：首先，求解計(jì)算模型生成的結(jié)果數(shù)據(jù)，然后將被用來形成動(dòng)畫數(shù)據(jù)；其次，幾何模型建立；第三，幾何模型的動(dòng)畫數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并在屏幕上顯示出來。對(duì)于實(shí)時(shí)仿真，我們需要在每個(gè)周期的最新的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，但它需要較長(zhǎng)時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。幸運(yùn)的是，反推只有一個(gè)自由議案，也就是驅(qū)動(dòng)可以來回移動(dòng)。因此，我們可以首先創(chuàng)建一個(gè)離線的動(dòng)畫，然后用執(zhí)行器來部署可變長(zhǎng)度變量使該離線動(dòng)畫顯示，從而保證動(dòng)畫的同步性。具體過程如下：
首先，建立了推力反向器多體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并執(zhí)行離線仿真，使仿真結(jié)果文件生成；其次，閱讀模擬結(jié)果的文件并創(chuàng)建三維動(dòng)畫；第三，建立一對(duì)一的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的映射關(guān)系的長(zhǎng)度和脫機(jī)部署動(dòng)畫幀變量；最后，進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真，獲得該變量的值，并用它來驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫。
4應(yīng)用
HIL仿真系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力。仿真平臺(tái)的用戶界面如圖7所示。邏輯控制部分的硬件實(shí)現(xiàn)與西門子S7- 300系列PLC類似，其中包括電源模塊，CPU模塊，離散輸入模塊，離散輸出模塊，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，串口通信模塊和觸摸屏。PLC控制程序的開發(fā)和STEP7一樣以及觸摸屏界面（圖7）開發(fā)與Flexcible2005一起。采用可編程控制器控制開關(guān)的推力反向器，或從觸摸屏作為輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番邏輯運(yùn)算，它輸出數(shù)據(jù)相當(dāng)于仿真平臺(tái)的控制信號(hào)。
圖7：觸摸面板的PLC
機(jī)電工程運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)。我們與仿真平臺(tái)機(jī)電工程計(jì)算機(jī)是一種具有英特爾酷睿2 2.8G的CPU，2G內(nèi)存，ATI的3450HD顯卡和19英寸液晶顯示器戴爾桌面。在這種配置中，ARJ21的反推力液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真周期可以達(dá)到20毫秒。結(jié)果數(shù)據(jù)和HIL仿真系統(tǒng)生成曲線與試驗(yàn)基本吻合，所不同的也是可以接受的。（表1，圖8，圖9）。
表1：部署時(shí)間及充填時(shí)間的執(zhí)行器
圖8：執(zhí)行器壓力試驗(yàn)曲線
9：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力仿真曲線
HIL仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。通過對(duì)ARJ21飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真反推力，我們可以驗(yàn)證在各種工況的控制邏輯，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，使數(shù)量和測(cè)試成本可降低，以及ARJ21的設(shè)計(jì)優(yōu)化飛機(jī)液壓系統(tǒng)及測(cè)試可以提供依據(jù)。
5結(jié)論
本文演示了以Modelica為基礎(chǔ)的HIL硬件仿真專為??飛機(jī)液壓系統(tǒng)研制反推力的解決方案。HIL硬件仿真系統(tǒng)，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)的普通計(jì)算機(jī)上，通過與外部硬件進(jìn)行串行端口通信。HIL仿真系統(tǒng)的成本非常低，而且其采樣周期可長(zhǎng)達(dá)20毫秒，因此特別適合用于對(duì)那些不需要非常高的實(shí)時(shí)功能的情況下。該仿真原型應(yīng)用ARJ21的推力反向器的模擬表明，該HIL硬件仿真系統(tǒng)，它采用基于Modelica語言模型飛機(jī)推力反向器的液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)連接，能大大提高測(cè)試效率，減少測(cè)試數(shù)量和測(cè)試成本。
今后的工作是要加強(qiáng)與一般的Windows計(jì)算機(jī)模擬實(shí)時(shí)功能，以及使用機(jī)電工程生成目標(biāo)代碼，它可以用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
致謝
這項(xiàng)工作得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)No.60704019和Grant No.60874064）。
特別感謝Medelon公司認(rèn)可使用HyLibLight庫。
縮略語
ARJ21的：21世紀(jì)先進(jìn)的支線飛機(jī)
申訴專員：中國(guó)工商有限公司飛機(jī)公司
發(fā)光：兜帽鎖
側(cè)腦室：隔離控制閥
直流電壓：方向控制閥
PLC：可編程邏輯控制器
HIL發(fā)展：硬件在半實(shí)物
參考文獻(xiàn)
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