飞机发动机分解与装配教学平台安全性论证
摘要： 以理论力学，材料力学，机械设计基础为理论依据，通过对发动机的水平状态、垂直状态、以及翻转状态时的受力分析，计算论证了飞机发动机分解与装配教学平台的安全性。并且经过实践检验和无损检测的鉴定，进一步证明了飞机发动机分解与装配教学平台的安全可靠性。
Abstract： Taking the theoretical mechanics， the materials mechanics， the machine design foundation as the theory basis， through conducing force analysis during the level of the engine state， vertical state， and flip the state， the article computed and proved the security of aircraft engine decomposition and assembly teaching platform. And after the practice examination and non-destructive inspection， further proof that the aircraft engine decomposition and assembly teaching platform for the safety and reliability.
关键词： 飞机发动机；分解与装配；教学平台；强度；安全
Key words： aircraft engine；decomposition and assembly；teaching platform；intensity；safe
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）29-0225-03
0 引言
飞机发动机分解与装配，就是指将一台发动机分解成转子、机匣、附件等部件状态，经过检修或大修后又重新装配成完整的发动机；其分解与装配程序复杂并且工艺精细，对操作人员的技术技能要求极高。为了使飞机发动分解与装配能在教学上得到应用，笔者以教学关键在于安全的理念之下创建了一个专门的平台，主要任务就是研究飞机发动机分解与装配。该平台的主要目的就是确保飞机发动机分解与装配教学进行之中不会出现安全问题，也就是说其安全可靠性不可忽视的。所以，笔者从理论、实践和科学三方面来论证其安全可靠性。
1 飞机发动机分解与装配教学平台的设计
飞机发动机分解与装配教学平台是以三叉戟斯贝发动机的分解与装配技术为主体，并根据教学的要求而设计。三叉戟是民航曾经使用的飞机，斯贝发动机也是双转子涡轮风扇发动机，与现代民航飞机所使用的发动机很接近，其分解与装配技术与现代民航飞机发动机也有很多相同之处。因此，我们把斯贝发动机作为飞机发动机分解与装配的教学平台。
飞机发动机分解与装配教学平台的整体设计如图1所示，主要由左、中、右三部分组合构成。左右两部分的结构相同，设计用于给分解与装配发动机的教学人员提供理想的工作环境，这两部分是整个平台的安全重点，它起到支承和稳定发动机的作用。中部是用于安装发动机和翻转发动机的核心部分，这部分是整个平台的技术重点，它既要保证发动机的水平安装位置准确，也要保证发动机垂直安装位置准确，并且还要使发动机能够实现安全翻转。三部分独立设计制造，把它们用螺栓连接在一起，就构成了飞机发动机分解与装配教学平台。
飞机发动机分解与装配教学平台的设计标准是以“机械设计基础”为理论依据，制造规范是参考“飞机地面保障设备制造通用技术”来加工制造。它采用全钢结构，加工技术以焊接为主，焊接强度达到材料强度的90%以上，符合机械设计标准。此外，教学平台一共装有12个万向载重轮子，每个轮子核定载荷为750Kg，共能载重9000Kg，在使用的过程中，最大总重量不会大于4000Kg。可见，教学平台整体设计留有足够的安全空间。
2 飞机发动机分解与装配教学平台的安全性论证
2.1 飞机发动机分解与装配教学平台材料的强度校核 飞机发动机分解与装配教学平台的最大弯曲应力产生的位置就在左右两边底部横梁上，弯曲应力就是最大值的时候是着力点位于横梁中部时。此时，横梁受力分析如图1的下部所示：已知发动机的重量1200Kg，教学平台自重1200Kg，教学操作人员的重量为1200Kg，总重量为3600Kg。教学平台一共有12个支承点，（图中只画出了8个支承点，其余4个没有画出）设每个支承点受力平均，所以每个支承点的支承力为300Kg=3000N。横梁长4000mm，最大弯曲应力在中部2000mm处。横梁是方管Q235材料钢，其承受弯曲应力的截面及尺寸如图2所示，最大弯曲应力出现在中间层25mm处，下面对底部横梁进行强度较核。
根据图1的下部得横梁方管的最大弯矩：
M=3000×2000=6×106N·mm
根据图2得横梁方管的惯性矩：
I=■=6165625mm4
所以横梁方管的最大弯曲应力：
σ=■×■=■=24N/mm2
根据Q235材料钢的许用应力值范围，取小值80N/mm2，是横梁最大弯曲应力24N/mm2的3倍，横梁方管达到安全标准。从教学平台整体设计来看，上述材料在使用时所承受应力值最大，它都能达到安全标准，所以其它材料的强度就没有必要校核了。由此可见，教学平台的材料强度达到安全标准。
2.2 发动机在水平状态时部件的强度校核 发动机在水平状态时受力分析如图3所示：发动机的中心轴与Y轴重合，C为发动机的重心，发动机重G=1200kg=12000N，方向垂直向下。A和A"是发动机的两个前对称安装点，以发动机中心轴的O点为对称，CO=450mm，A和A"所受的支承力T垂直向上。B和B"是发动机的两个后对称安装点，以发动机中心轴的D点为对称，CD=1350mm，B和B"所受的支承力P垂直向上。安装点A和A"分别由直径d=100mm的实心钢柱连接安装，其强度非常大，没有必要进行强度较核。B和B"分别由直径d=10mm的45号钢螺栓连接安装，其连接受力如图4所示，下面对后安装点B和B"的受力螺栓进行强度较核。
根据图3，发动机的重量与前、后安装点支承力平衡列出方程：
∑mc（F）=0，2T×450-2P×13500=0
∑Z=0，2P+2T-G=0
把G=12000N代入方程
解得：P=1500N，T=4500N
根据图4，计算B和B"点10mm安装螺栓所承受的切应力：
τ=■=■=10N/mm2
按照上面的数据结果来看：按照安装螺栓45号钢的许用切应力值范围，为了使得它的安全系数能够获得最大，务必选取该切应力值的范围的最小值120N/mm2，因为在这个情况下螺栓的实际承受切应力能够达到10N/mm2的12倍。由于发动机处在水平安装状态的情况下，后安装的点螺栓在全部的部件里面是属于厚度最小的，而它都可以拥有相应的安全系数，那么就可以不对其它部件的强度进行较核。也就是说，当发动机处于水平安装情况下，教学平台每个部件的强度都能够符合安全标准。
2.3 发动机在翻转状态时部件的强度校核 发动机在翻转状态时受力分析如图5所示：发动机绕X轴翻转，发动机与Y轴的夹角为β，β=0°时发动机在水平状态，β=90°时发动机在垂直状态。C为发动机的重心，发动机重G=1200kg=12000N，方向垂直向下。A和A"是发动机的两个对称支点，以发动机中心轴的O点为对称，CO=450mm，A和A"所受的支承力T垂直向上。D是发动机的一个翻转吊点，CD=1350mm，OD=1800mm，所受的拉力F垂直向上。D点的连接受力如图6所示，连接螺栓为45号钢，直径d=20mm，下面对翻转吊点D的受力螺栓进行强度较核。
根据图5，发动机的重量与吊点的拉力及支点的支承力平衡列出方程：
∑m0（F）=0，G×450×Cosβ-F×1800×Cosβ=0
∑Z=0，F+2T-120000=0
把G=12000N代入方程
解得：F=3000N，T=4500N
根据图6，计算D点20mm安装螺栓所承受的切应力：
τ=■=■=5N/mm2
通过以上力学分析和计算：发动机只要保持匀速翻转，翻转力F保持不变，此时翻转吊点D的安装螺栓所承受的切应力只有5N/mm2。根据安装螺栓材料45号钢的许用切应力值范围，取小值120N/mm2，是实际承受切应力的24倍，可见安全系数足够大。因为，发动机在翻转状态时，吊点D的安装螺栓是所有的部件中最薄弱的，它能达到足够安全系数，所以，其它部件的强度就没有必要较核了。由此可见，发动机在翻转状态时，教学平台所有部件的强度达到安全标准。
2.4 发动机在垂直状态时部件的强度校核 发动机在垂直状态时受力分析如图7所示：发动机的中心轴与Z轴重合，C为发动机的重心，发动机重G=1200kg=12000N。A和A"是发动机的两个对称支点，以发动机中心轴的O点为对称，CO=450mm，A和A"所受的支承力T垂直向上。E和E"是两个防止发动机翻转的对称固定点，以发动机中心轴的H点为对称，OH=300mm。设发动机产生一个翻转力为M，翻转力达到最大值时M=G=12000N。此时，E和E"产生的防止翻转力为R，E和E"分别由直径d=20mm的45号钢螺栓连接安装，其连接受力如图8所示，下面对E和E"的受力螺栓进行强度较核。
根据图7，发动机的翻转力与防止翻转力平衡列出方程：
∑m0（F）=0，2R×300-M×450=0
把M=12000N代入方程，解得：R=9000N
根据图8，计算E和E"点20mm安装螺栓所承受的切应力：
τ=■=■=15N/mm2
通过以上力学分析和计算：根据防止发动机翻转的固定点安装螺栓材料45号钢的许用切应力值范围，取小值120N/mm2，是实际承受切应力15N/mm2的8倍，可见安全系数足够大。发动机只要保持垂直状态，翻转力M应该为零，只有当发动机倾斜或用力推发动机时，才会产生翻转力。在此，把翻转力假设为与发动机重量相等来计算，防止发动机翻转的固定点螺栓强度依然足够大。由此可见，发动机在垂直状态时，教学平台所有部件的强度足够。
3 飞机发动机分解与装配教学平台的实践检验
早在两年之前就完成飞机发动机分解与装配教学平台的设计制造的任务了。在这一段时间里面，在发动机安装在水平和垂直的状态分别进行了为期一年的受力测试，用以观察和检测材料的强度的大小波动情况和部件的稳定程度。观测得到的数据证明：该过程中所有的步骤都进展顺利，没有什么影响因素的出现。除此之外，我们还针对发动机的安全性做了十余次的发动机翻转检验，结果发现进行发动机翻转检测期间，教学平台总体上都运行得比较正常，完全没有导致安全问题的状况出现。
我们还通过以下的科学方法对教学平台进行检验。第一，用实际方法进行检测。材料由于受力产生弯曲变形，测得材料的最大变形量为4mm，材料长4000mm，说明材料的弯曲变形只有0.1%，处在允许的范围内。通过为期一年的受力测试和材料的弯曲变形量测试，最后证明不存在任何导致材料不稳定的迹象。第二，应用无损检测的方法进行鉴定。选取磁粉检测和渗透检测的的探伤方法分别对材料的焊缝和螺栓进行检查，最后的数据资料证明材料和部件的质量符合标准，没有异常情况出现。接下来进行半年的受力测试，再对受力的焊缝和受力的螺栓进行无损检测，检测结果良好，证明教学平台的受力状态很好。其后，以半年为时间间隔做检测鉴定，总共做三次的检测鉴定后没有发现任何异常情况的话就能够表明飞机发动机分解与装配教学平台是经得起实践检验和科学鉴定的。
通过实践的检验和科学的鉴定，证明了飞机发动机分解与装配教学平台的结构和机械性能稳定，技术规范和安全标准都达到了很高的要求。我们一直会采取严谨规范的措施来保证教学平台的安全。
参考文献：
[1]杨可桢，程光蕴.机械设计基础（第三版）.北京：高等教育出版社，1989.5.
[2]黄国忠，理论力学.广东高等教育出版社，1993.8.
[3]冯维明，材料力学（第二版）.北京：国防工业出版社，2010.5.
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