大噸位多自由度接頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王鑫濤

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所?全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西?西安?710065）

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，采用合理先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備是試驗(yàn)高質(zhì)量完成的前提和保證。在飛機(jī)試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)考核部位可能會(huì)存在多個(gè)方向的載荷，且在每個(gè)方向均會(huì)發(fā)生形變[1-2]。試驗(yàn)過程中,一般采用液壓作動(dòng)筒進(jìn)行加載，作動(dòng)筒后端固定，前端通過連接件與試驗(yàn)件連接，保證加載中沿作動(dòng)筒方向的載荷傳遞，同時(shí)不限制試驗(yàn)件的變形以及所引發(fā)的彎矩[3-4]，如圖1所示。

圖1 ??技術(shù)背景示意圖

拉載情況下，作動(dòng)筒前端與試驗(yàn)件一般通過軟式連接進(jìn)行加載（如鋼絲繩或者連接件串接），壓載情況下，一般在作動(dòng)筒前端使用作動(dòng)筒前端可動(dòng)座，此可動(dòng)座存在一個(gè)方向的180°旋轉(zhuǎn)角度和另一個(gè)方向的8°擺動(dòng)角度。在變形較小的情況下，此兩種方式完全能夠滿足試驗(yàn)要求，但若是多個(gè)方向均存在較大結(jié)構(gòu)變形，且存在拉壓雙向大載荷的情況下，作動(dòng)筒前端可動(dòng)座將無法達(dá)到預(yù)期效果。因此，必須考慮最大限度放開加載設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)自由度，以防止由于變形造成的附加彎矩的產(chǎn)生，同時(shí)達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)件的目的。

1 設(shè)計(jì)思路

基于以上問題，設(shè)計(jì)一種大噸位多自由度接頭，其主要思路如下：大噸位多自由度接頭主要采用推力關(guān)節(jié)軸承，能夠承受較大軸向載荷，同時(shí)具有能夠旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的特點(diǎn)，通過連接軸將兩個(gè)推力關(guān)節(jié)軸承采用過盈配合相對(duì)安裝，其主要原理圖如圖2所示，擺動(dòng)后示意圖如圖3所示。

圖2 ??主要技術(shù)原理圖

該接頭主結(jié)構(gòu)分為推力關(guān)節(jié)軸承、連接軸、軸承座、端部蓋板、轉(zhuǎn)接頭。

推力關(guān)節(jié)軸承可根據(jù)其承受載荷大小，以及內(nèi)孔尺寸進(jìn)行確定，選擇兩個(gè)完全相同型號(hào)的推力關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行安裝。

連接軸設(shè)計(jì)為階梯軸，其包括中間段軸身和兩邊兩段軸頸。軸身直徑應(yīng)大于推力關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑，而小于推力關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外徑，其長(zhǎng)度根據(jù)所選推力關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈半球體直徑?jīng)Q定，必須保證兩個(gè)軸承相對(duì)安裝后，其半球體球心完全重合。軸頸分為長(zhǎng)邊和短邊，短邊軸頸與推力關(guān)節(jié)軸承采用過盈配合安裝，其長(zhǎng)度與軸承總高度一致；長(zhǎng)邊除與短邊軸頸一致外，向外延伸一段扳手操作平面，緊接著為一段外螺紋，用于安裝轉(zhuǎn)接頭，扳手操作平面部分與螺紋部分最大外徑不能超過軸頸直徑。

圖3 ??擺動(dòng)后接頭示意圖

軸承座主結(jié)構(gòu)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)內(nèi)徑依據(jù)所選推力關(guān)節(jié)軸承外徑?jīng)Q定，與推力關(guān)節(jié)軸承采用過盈配合安裝，內(nèi)徑深度不應(yīng)小于安裝后兩軸承最外端間距，外徑依據(jù)承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。軸承座一端設(shè)計(jì)為內(nèi)扣型，用于固定階梯軸長(zhǎng)端安裝的推力關(guān)節(jié)軸承外圈，內(nèi)扣部分內(nèi)孔直徑的設(shè)計(jì)不應(yīng)限制推力關(guān)節(jié)軸承所能擺動(dòng)的最大角度；另一端設(shè)計(jì)法蘭盤用于與試驗(yàn)件對(duì)接，法蘭盤中間下沉一定高度，外徑略大于軸承座內(nèi)徑，用于安裝端部蓋板，固定階梯軸短邊推力關(guān)節(jié)軸承外圈。

端部蓋板主要用于對(duì)階梯軸短邊處軸承的軸向固定，結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的軸向頂緊，其與軸承座通過類法蘭盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，裝配后與軸承座法蘭盤表面相平。

轉(zhuǎn)接頭內(nèi)外均為螺紋，內(nèi)螺紋與階梯軸長(zhǎng)邊螺紋對(duì)接、外螺紋與加載作動(dòng)筒或者力傳感器對(duì)接。

2 具體設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大噸位多自由度接頭主要用于飛機(jī)試驗(yàn)加載，其一端通過轉(zhuǎn)接頭與加載作動(dòng)筒或者力傳感器相連；另一端通過軸承座法蘭盤與試驗(yàn)件或者試驗(yàn)夾相連。

圖 4??主要結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，其中主要包括螺釘1、端部蓋板2、軸承座3、推力關(guān)節(jié)軸承4-5、連接軸6、轉(zhuǎn)接頭7。推力關(guān)節(jié)軸承4-5內(nèi)圈相對(duì)安裝，推力關(guān)節(jié)軸承4采用過盈配合安裝于連接軸6短邊軸頸處；推力關(guān)節(jié)軸承5采用過盈配合安裝于連接軸6長(zhǎng)邊軸頸處，內(nèi)圈均緊貼軸肩，采用過盈配合安裝于軸承座3，連接軸6短邊朝軸承座3法蘭盤方向，依靠軸承座3內(nèi)扣部分固定推力關(guān)節(jié)軸承5外圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力關(guān)節(jié)軸承5的軸向固定。通過螺釘1將端部蓋板2與軸承座3法蘭盤對(duì)接，端部蓋板2內(nèi)圈緊貼推力關(guān)節(jié)軸承4外圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力關(guān)節(jié)軸承4軸向固定，轉(zhuǎn)接頭7通過螺紋安裝于連接軸長(zhǎng)邊外螺紋部分。

2.2 強(qiáng)度校核

根據(jù)試驗(yàn)要求，該接頭最大承載為20 t，選擇對(duì)主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.2.1 連接軸校核

根據(jù)試驗(yàn)要求，該接頭最大承載為20 t，查手冊(cè)選取關(guān)節(jié)軸承型號(hào)為GX40S，因此與其配合的連接軸直徑為40 mm，材料選用30CrMnSiA，查表得該材料強(qiáng)度極限σb=1080 MPa，安全系數(shù)取4。

由計(jì)算結(jié)果可知，連接軸強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2 軸承座校核

軸承座結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，因此采用有限元對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 ??軸承座有限元分析結(jié)果局部約束裝置

設(shè)計(jì)接頭最大承載為20 t，軸承座材料選用30CrMnSiA，查表得該材料強(qiáng)度極限σb=1080 MPa。對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

其強(qiáng)度滿足試驗(yàn)需求。

3 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，最終加工完成實(shí)物照片如圖6所示。

圖 6??接頭實(shí)物照片

為了保證接頭的承載能力，以及在加載力線發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)是否引起加載端的卡滯，對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 ??驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

驗(yàn)證結(jié)果表明，該接頭旋轉(zhuǎn)及擺動(dòng)流暢，試驗(yàn)過程中無卡滯，且之后未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，完全能夠滿足試驗(yàn)需求。該接頭已成功應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中。

4 結(jié)????論

依據(jù)試驗(yàn)中存在的問題設(shè)計(jì)了一種大噸位多自由度接頭，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了強(qiáng)度校核，滿足試驗(yàn)要求。同時(shí)已成功應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，避免了試驗(yàn)件變形引起的附加彎矩，確保了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。