载人离心机及部分零部件的设计与加工路线编制.doc

目 录1 引言11.1 载人离心机的应用历程11.1.1 载人离心机的萌芽时期21.1.2 初创时期21.1.3 发展时期41.1.4 成熟时期51.1.5 优化时期61.2 载人离心机载在国内的发展状况71.3 本课题研究的内容及其目的和意义81.3.1 本课题的研究内容81.3.2 本课题研究的目的和意义92 载人离心机的机械功能简介102.1 载人离心机动力系统102.1.1 主驱动配电设备102.1.2 储能装置112.1.3 主驱动122.2 载人离心机的机械机构132.2.1 载人离心机传动链132.2.2 载人离心机主臂系统152.2.3 载人离心机万向架系统153 轴的设计163.1 轴的设计163.2 主轴材料的选择163.3 轴的初步设计计算183.3.1 载人离心机的设计参数计算183.3.2 初步确定轴的最小直径193.3.3 联轴器的选择203.3.4 轴的结构设计214 轴的校核264.1 校核轴的强度264.1.1 按扭转强度条件校核轴264.1.2 按弯扭合成应力校核轴的强度264.2 轴的刚度校核284.2.1 轴的弯曲刚度校核计算294.2.2 轴的扭转刚度校核计算304.3 联接键的强度校核314.3.1 花键的挤压强度校核314.3.2 平键的挤压强度校核324.3.3 轴承寿命的校核计算334.4 轴刚度的重新校核364.4.1 轴的弯曲刚度校核计算364.4.2 轴的扭转刚度校核计算375轴的加工工艺385.1 加工工艺的选择385.1.1 轴的铸造385.1.2 轴的热处理工艺395.1.3轴的切削加工性分析405.1.4 刀具选择415.2 加工工序的制定415.2.1 轴承段加工余量的计算415.2.2 轴的花键部分的工艺余量的计算435.2.3 轴孔的加工工艺余量435.2.4 轴的毛坯尺寸435.3 轴的加工工序436 结论44参 考 文 献45致 谢471 引言在现代的高科技战争中，空军不仅首当其冲，而且会在整个战争中全程使用，其作用是举足轻重的。空军的战斗力由人与武器系统两部分组成。武器系统主要是战斗机。随着战斗机的更新换代，载人离心机也有了长足的发展。载人离心机诞生至今已经有200多年的历史了，在飞机发明之前的一百多年里主要用于治疗疾病和娱乐，而在最近的100年里，载人离心机才被应用于加速度生理学的研究、成为航空航天医学的大型地面模拟设备。同时，它又能为飞行人员抗荷装备的研制和高性能战斗机飞行员的高G训练提供条件。第一代飞机的最大速度低于声音传播的速度，我们把它叫做低声速或亚声速飞机1，此时的载人离心机为了适应第一代战斗机飞行员抗荷装备的研制需要，在性能上有了很大的改进，但它仍处于单自由度、慢增长率、被动操纵吊舱的水平。第二代战斗机最大速度是超音速，巡航速度是亚音速，性能相对第一代战斗机较好1。为了使飞行员能够更好的适应第二代战斗机，载人离心机的性能也有了明显的改进。主要表现在由单自由度发展为多自由度（一般为2自由度）。第三代战斗机最大的特点，是它有高机动性能，我们称之为能进行空中格斗的战斗机，或者叫空中优势战斗机。为了适应第三代战斗机飞行员高G训练的需要，新建的载人离心机的加速度增长率达到了6G/s。有些可以进行空战动作模拟，并且均有万向接头，主动操纵吊舱。自20世纪80年代末第四代战斗机以其高敏捷性、优越的短距起飞和着陆能力及隐身、超声速巡航能力获的了各国的青睐。许多国家在新组建的载人离心机上都考虑了不同程度的飞行模拟应用。在应用中，由于载人离心机是在固定半径旋转，限制了在物理上完全模拟飞机的角运动，而在地面模拟中，人体视觉和感觉上的差异也影响了模拟的开展，就此引发了离心机动态飞行模拟（Dynamics Flying Simulation，DFS）的研究。DFS在载人离心机上的应用引起许多国家的普遍重视。德国航空医学研究所从1995年起也进行了离心机的DFS改进，对F-16和欧洲战斗机进行模拟。美国海军，新加坡、俄罗斯、中国台湾、日本、瑞典、英国空军都在已完成或正在完成的新离心机上不同程度的考虑到DFS的应用2。1.1 载人离心机的应用历程载人离心机的发展史已经有200多年了，在这200多年的发展中，离心机的应用过程经历了5个重要的时期：萌芽时期、初创时期、发展时期、成熟时期和优化时期。1.1.1 载人离心机的萌芽时期（1795 1903）1795年，一名叫詹姆士·瓦特（James Watt）的工程师突发奇想，设计了人类历史上的第一台载人离心机。实际上这是一种用人力转动的“旋转床”，结构简单，当初设想是要用来治疗失眠症、心脏病以及去热退烧的。遗憾的是图纸设计完成后并没有付诸生产。同年，另一位名叫伊拉斯马斯·达文的人制造了一台载人离心机，并首次用于诱导病人入睡。这台离心机可以产生持续几秒甚至几分钟的加速度，病人像躺在磨盘上一样，随着磨盘不停的转动。1795年至1850年间，这种治疗方法曾在欧洲风行一时。许多医生自己作为被试者，在离心机上进行生理试验。并在实验中得到了有关加速度对呼吸、心率和血液在全身重新分布的数据。他们利用这些知识来治疗各种循环系统的疾病，但是实践证明，用载人离心机来治疗精神病、心脏病、失眠和发烧是不合理的，所以热闹了一阵子之后就销声匿迹了 3。1873年，法国巴黎法兰西学院的马里（E. J. Marey）教授建造了一台，用它来观察鸟类的飞行。他的一位学生萨拉切后来将这台机器改装成用于研究动物加速度生理的动物离心机。萨拉切是第一个将旋转机用于心血管系统研究的生理学家，并成功的在离心机上复制出了血液停滞现象。1898年，冯·维希博士建造了一台直径3.3m的载人离心机，专门用于人体试验。据当时的实验记录，一位被试者在头部受到-3Gz作用（离心机转速50r/min），15min后就昏昏沉沉的像喝醉酒似的了4。1903年，英国人哈拉姆·马克西姆（Hiram Maxim）爵士建造了一台叫做“可控飞行器”的载人离心机，当时世博会刚好在英国伦敦举办，这台载人离心机成了众多展品中的一个亮点5。这一时期的载人离心机为以后用作飞行模拟器的载人离心机奠定了基础，在载人离心机的发展史上功不可没。1.1.2 初创时期（1903 1964）第一次世界大战期间，军事航空业得到了飞速发展，各国都组建了自己的航空兵部队，空中优势成了军事家们的重要战略之一，欧洲上空几乎天天发生激烈的空战。在四年零三个月的战争中，各国生产了20多万架军用飞机。令人惊讶的是各参战国因飞行事故损失的飞机和伤亡的飞行员竟然比空战中的损失高出3倍，其中有些事故是由于飞行员俯冲拉起时加速度引起的意识丧失造成的。这种现象引起了军方和航空医学专家们的注意。从1918年开始，人类才在真正意义上把载人离心机作为航空医学的研究工具。1918年，法国人布洛卡和加松两位博士利用臂长为6米的离心机做了一些动物试验，并提出了在速度320km/h时飞行员的加速度可以拉到5.5G 9G，这就有可能造成事故。由于狗的大小比较接近人，所以他们采用狗替代人作离心实验。他们用狗在20G、30G、40G和98G时作用5min，仅在98G时狗才会死亡。而在为98G死亡的狗尸检时发现其腹部明显充血，这一发现促使他们提出一项建议使用腹带作支撑，这就是抗荷服的最初设想。从这些研究中，他们还得出了“人在飞行中的死亡并非因离心力的作用，人的死亡与神经反应降低有关”的结论，提议在离心机上进行人体实验来进一步研究这些现象。正是这个提议进一步促进了载人离心实验和载人离心机的发展19世纪20年代，在美国参加各种飞行比赛的飞行员按惯例都报告有黑视和意识丧失，这促进了科学家对加速度生理学研究工作的全面开展。第二次世界大战极大的促进了航空医学的发展，西方国家和苏联建造了许多载人离心机用于进行加速度生理学的研究和抗荷装备的研究。1931年法国人费莱姆在法国西点的航空技术研究所，用一台臂长8米的低加速度离心机进行人体试验，开创了人体加速度生理学研究的先河。1933年，德国人海因兹·冯·迪林晓芬（Diringshofen）兄弟设计建造了两台用于研究飞行加速度生理的载人离心机：一台在荷兰，用兔子进行心血管系统研究；另一台在德国用于人体研究。德国的这台载人离心机直径5.4m，最大G值15G。被试者变换各种体位进行实验，确定G耐力和鉴定GLOC，黑视和轻度的皮肤出血。通过研究发现缩短头和座椅间的高度则可以明显的提高人体对G的耐力。他们还建议在当时先进的战斗机上安装一种自动倾斜的座椅来防护6G的加速度。1935年美国的第一台用于人体研究的载人离心机诞生，这台载人离心机的半径6m，有一个25马力的电动发动机驱动，位于俄亥俄州代顿市赖特空军基地生理研究实验室内。1937年至1939年，第二台德国的载人离心机安装在柏林附近的托姆佩尔霍夫机场。这台离心机因战争的爆发而未能启用，并在空袭中被炸毁。1938年，日本陆军在东京的陆军学院建造了一台载人离心机，其半径为7m，增长率小于0.1G/s。这台载人离心机的设计和建造都很成问题，建于户外，在一位被试者实验时从座舱里摔出来造成重伤后就停止了使用。同年意大利航空医学研究中心与都林大学学生生理研究所合作建造了一台载人离心机，半径大约3m，但这台载人离心机只做了几次试验就毁于空袭中了。第二次世界大战初期，高性能的战斗机在战争中发挥出重要的作用，但飞行员却受到加速度的限制。因此需要更多的了解加速度对人体的生理影响，特别是在研制抗G防护装备时更为迫切。美国、澳大利亚和加拿大纷纷建造载人离心机。1939年，苏联建造了一台装有四轴旋转座椅的载人离心机。这台载人离心机在巴甫洛夫航空医学研究所内，主要用于飞行员的试验，可模拟（45）G，（1015）s；7G，时间短于10s。1940年，加拿大人费雷德立克·巴廷（Frederik Banting）在多伦多建成一台载人离心机，并于1941年投入使用，这台机器1994年还在用，但已经过多次改进。当时用于研制一种充水的飞行服，这是最早投入使用的充水抗荷服。离心机有吊篮，顶上有轴心，吊篮可沿悬挂点旋转，使被试者受到±Gx、±Gy、±Gz的作用。有效半径3.5m，最大增长率可达7G/s，最大G值可达20G。1.1.3 发展时期（1964 1984）载人离心机的发展时期虽然不长，仅有20年，但经历了一场长达7年的越南战争。战斗机的发展已经由第一代进化到了第二代，载人离心机的性能也有了明显的改进。主要表现在由单自由度吊舱发展为二自由度吊舱，并且有些载人离心机已经开始使用万向接头和视景系统。1966年，罗夫·希洛特托博士与德国西门子公司合作，设计和建造了至少6台载人离心机：一台安装在波恩的德国航空航天研究所；一台安装在福斯特弗尔多勃洛克的德国空军航空医学研究所内，此离心机现已退役；一台安装在南非的泊里多利亚，现任在使用中；两台分别安装在印度班加罗尔和印尼雅加达的，现在仍在使用；一台安装在日本达切卡瓦，但也已经退役并以往他处；一台安装在南斯拉夫贝尔格莱德附近的航空医学研究机构内。1966年，NASA在加州摩非特基地的阿姆斯研究中心建造了一台载人离心机，可对政府机构提供有偿服务。增长率为1G/s，可持续作用12.5G，补偿率很低。主臂两端各有一个吊篮，半径约为7m，用400kW直流电驱动，目前这台载人离心机还在服役中。1969年，美国的俄亥俄州的赖特·帕特森空军基地的动态环境模拟器于12月开始启动。这台模拟器的臂长约为6m，臂端装有计算机控制的翻滚和俯仰万向接头，增长率为10G/s，最大G值为20G。吊舱内的温度和压力可以调节，由3台电动马达驱动。除了最大G值，其他技术指标以往未曾有人实现。此模拟器由宾西法尼亚州富兰克林研究和发展研究所的克拉斯·卡普尔设计。1970年，我国启用了自己建造的第一台载人离心机，它建造于1965年。此载人离心机臂长5m，最大G值为15G，增长率为3G。1979年，荷兰皇家空军在索斯特堡的荷兰航空航天中心安装了一台单万向接头惯性矢量的载人离心机，由荷兰航空航天实验室的霍莱克组织设计。此载人离心机臂长为4m，增长率可达3.5G/s，持续最大G值为23.5G，用170Kw直流电动机驱动，吊舱用惯性矢量控制，近年来一直用于北约国家空军战斗机飞行员的加速度训练和开展及加速度生理学研究工作6。1980年，德国空军在福斯特弗尔林泊拉克又建成了一台载人离心机并投入了使用，一直到上个世纪90年代初东西德合并后被东德的离心机所替代。1.1.4 成熟时期（1984 1998）这一时期虽然只有短短的14年，但是，由于经历了海湾战争，并有大批的第三代战斗机装备了西方国家的空军。为适应第三代战斗机飞行员的高G训练的需要，新建的载人离心机的增长率达到了6G/s。有些载人离心机已经可以进行空战动作模拟，并均装有万向接头、主动操纵吊舱。有些过去的载人离心机为了适应第三代战斗机飞行员的训练需要，也进行了改造。1986年，民主德国空军在德累斯顿附近的柯尼格斯帕洛克安装了一台大型载人离心机。它是由奥地利金属系统技术公司建造的，东西德合并后仍在使用。此载人离心机的动力系统使用的是900Kw马达驱动，峰值为2.5MW，增长率为5G/s，最大G值为12G，吊舱可用计算机控制的液压系统实现滚转和俯仰。1987年，美国空军为霍洛曼空军基地购置了一台惯性矢量载人离心机，主要目的是为了飞行人员的选拔和训练。用电驱动，臂长为6m，全部用计算机控制，数字显示和数字处理，由美国ETC公司安装、维修，并由G实验室设计。启用后已有成千上万名飞行员在此离心机上接受过训练。1988年，加拿大多伦多的国防和民用环境医学研究所的载人离心机由艾姆洛公司改装后开始启动。改装工作是在原富兰克林早期用于研制的那台离心机上进行的。改装后增长率可达1.5G/s，最大G值为15G，臂长约为6m，吊舱采用惯性矢量控制。1989年，土耳其空军从美国ETC公司购买了一台类似于美国空军霍洛曼基地那样的载人离心机。这台载人离心机安装在土耳其伊斯克塞里儿附近的柯海尼医学科学院内1.1.5 优化时期（1998 至今）这个时期建造的载人离心机更加适合新型战斗机飞行员对高G训练的要求，其中有3台载人离心机最具代表意义。1999年，法国空军在巴黎南郊勃莱梯格的航空航天医学实验室（LAMAS）建造了一台新载人离心机，设计建造的是法国的Latecoere公司。这台载人离心机旋臂长8m，增长率和下降率为10G/s，有万向接头（主动控制吊舱），还将安装飞行和视景模拟系统，准备替换已经用了40多年的原载人离心机。适用于阵风战斗机的高G训练1999年，英国空军在汉洛（Henlow）新建造了一台载人离心机，设计及建造者是美国的ETC公司。这台离心机的臂长7.62m，有万向接头，增长率和下降率为15G/s。有动态飞行模拟能力，准备用于欧洲战斗机飞行员的高G训练和加速度研究。准备替代凡登堡已使用了40余年的载人离心机7。2000年，瑞典空军在林柯宾近郊建造了一台新的载人离心机，设计及建造者是美国的Wyle实验室。这台离心机的臂长9.14m，增长率为10G/s，有万向接头，有显示器的综合飞行和视景模拟系统，可用于鹰狮战斗机飞行员的高G训练和加速度研究。这台载人离心机可以分担部分位于斯德哥尔摩的卡洛林卡研究所离心机的任务，那台载人离心机已使用了40多年。以上这三台载人离心机均有万向接头、主动控制吊舱，增长率（1015）G/s和飞行模拟系统。德国空军1998年在科宁斯勃洛克改建的一台载人离心机也有万向接头，增长率达10G/s，有飞行和视景模拟系统。目前俄罗斯的七台载人离心机有6台是1980年以前建造的，2000年由奥地利AMST公司建造的一台载人离心机臂长8米，总重360t，增长率为7G/s8.此外这一时期，美国ETC公司为新加坡、日本和美国海军Lemoore航空站建造的GFet载人离心机也都有万向接头，增长率接近8G/s，有的也有视景模拟系统（新加坡和美国海军）。1.2 载人离心机载在国内的发展状况我国解放前的航空医学十分落后，载人离心机更是一个空白点。解放后，我国的航空医学得到了迅速的发展，建国至今已建造了6台载人离心机。20世纪50年代，军事医学科学院在北京建造了2台载人离心机用于航天员的训练。1965年，航空医学研究所自行设计建造了一台臂长5m的载人离心机其最大载重只有120kg，而加速度增长率只有3G/s，最大G值15G，并与1970年正式启用，为我国飞行人员耐力的研究、抗荷装备的研制以及高G训练与选拔作出了重要贡献9。中国航天医学工程研究中心于1998年正式启用了一台中国自己建造的载人离心机，此机的增长率为6G/s，最大G值为15G ，臂长为8米。2004年，为了适应我空军的发展，航空医学研究所又从奥地利AMST公司引进了一台先进的载人离心机。其最大载重为500kg，臂长达到了8米，加速度增长率为10G/s，最大G值为15G9。在国内载人离心机主要用于提高飞行员自身的抗荷能力、提高抗荷装备的抗荷性能、后倾座椅等方面的研究上并已取得了显著的进展10。还被用于训练航天员对超重的耐力及在超重条件下的适应性、操纵飞船和通信的能力，当训练时，航天员坐在固定的座椅上，任由离心机不停地自转和公转，离心机按不同角度旋转的加速度，等同于飞船发射过程中第一级火箭分离、第一级火箭工作及分离和第三级火箭发动机工作时的加速度11，在训练过程中让航天员掌握正确的呼吸对抗动作，提高抗击能力。在执行太空飞行任务前的两到三个月，还要按真实的飞船上升和返回的超重曲线进行训练，让航天员进行实际体验。经过这样的严格训练的人，比一般没有经过训练的普通人，对抗超重的耐力要大许多倍12。随着飞行仿真技术高速度向前发展，具有中国特色的战斗机飞行模拟器相继研制成功。特点是:逼真度高，实用性强，研制周期短，可靠性好，具有外国人惊叹的最优性能价格比。这此飞行模拟器大都接近或达到当代世界先进技术水平，更有佼佼者被专家认为超过当前欧洲、加拿大技术水平。在建立飞行仿真数学模型及其解算控制技术，操纵系统仿真，视景生成与显示技术，飞行仪表仿真，平显一下显仿真，综合航行控制系统仿真，头盔瞄准与火力控制系统仿真等方面均取得了成熟的技术积累。在高过载飞行仿真方面也进行了大胆的尝试，三自由度运动平台、六自由度运动平台、过载坐椅、抗荷服、抖振坐椅等，在不同程度上模拟了飞行的动态感觉。但受条件限制，过载能力都不超过1G，而且持续时间短，无法与高载荷飞行相适应13。载人离心机是模拟超重环境的最有效设备，它也是用来进行航天员选拔和训练以及超重生理学与医学研究的大型地面环境模拟设备。飞船的发射段和返回段过载曲线是不规则形状的(很难用数学解析函数表示) ，以前的载人离心机只能模拟固定形状的过载曲线，如梯形过载曲线等，不能模拟像飞船发射段和返回段这样的不规则形状过载曲线。航天员在上天飞行之前需要体验飞船发射段和返回段以及应急返回的过载环境，因此需要载人离心机具备这种模拟不规则形状过载曲线的能力，为航天员训练提供条件6。由我国自主设计的载人离心机测控系统实现了在保证设备安全性和可靠性的前提下，为载人离心机研制一套测控系统,使得载人离心机能够模拟过载G值介于1. 416 g 之间，G值增长率小于6 g/ s ，G值下降率小于3 g/ s 的任意形状过载曲线；同一时刻模拟G值和给定G值之差即模拟误差小于±0. 2 g ；同时方便载人离心机试验操作的全部功能，并能够模拟包括飞船发射、飞船正常返回及飞船应急返回在内的任意形状过载曲线,模拟曲线精度符合±0. 2 g 的要求，系统的安全措施有效,操作简便,运行良好14。1.3 本课题研究的内容及其目的和意义1.3.1 本课题的研究内容 本课题对载人离心机的使用过程进行了详细的阐述，并对载人离心机主轴方面的附属系统作了简单的介绍。通过对载人离心机的功能要求了解，设计了一个可用于现代载人离心机的主轴，并通过对此主轴的设计、校核，验证了所设计主轴的可行性。通过对主轴材料和制造工艺的分析研究，论证他主轴的可加工性。本课题研究的具体内容是：1) 载人离心机的性能简介对有关载人离心机基本资料的收集，分析总结了前人对载人离心机功能上的见解；2) 载人离心机主轴的结构设计通过对载人离心机机械结构的研究，总结了载人离心机对主轴的技术要求，以此技术要求为前提进行了主轴的结构设计；3) 载人离心机主轴的校核选择主轴材料并对其的设计系数进行刚度、强度的校核，验证其正确性；4) 载人离心机主轴的加工工艺分别对主轴进行了铸造、热处理和机械加工艺分析，并对主轴的机加工序进行了编排。1.3.2 本课题研究的目的和意义由以上阐述可以看出，载人离心机的应用在国防事业中是非常重要的，尤其是在今天这个局部战争时常发生的年代。我国先进战斗机的设计与制造同西方先进国家之间还是有很大差距的。为了尽可能缩短这个差距，我们不能仅仅停留在先进战斗机的制造上，还应该在先进载人离心机技术的研究上下一番苦功。一味的引进国外的载人离心机并不能长远的发展下去，这样只会使我们忽视自己在航空航天后备训练器材上的研究，造成基础研究力量薄弱，依赖进口的严重后果。正确的做法是：我们不但要“引进来”，更要“走出去”，所以本课题拟通过对载人离心机的历史及其基本功能和结构的研究，使我可以更加全面的掌握在学校中所学到的各种知识，培养我查阅资料，寻找资料的能力，通过对本课题的研究，培养我综合运用所学知识的能力，和科学严谨的态度。为我以后的学习和工作打下坚实的基础。2 载人离心机的机械功能简介载人离心机主要由机械系统、调速系统、测控系统和辅助系统组成。被试者仰卧(或坐) 于吊舱内的座椅上，吊舱绕主轴旋转产生离心加速度使得被试者感受到超重环境。主轴转速不同吊舱内产生的过载值就不同。主轴转速是由直流电机、码盘和调速器组成的闭环调速系统，通过减速器进行控制。测控系统向调速系统发出控制指令，控制载人离心机主轴转速。载人离心机的主要功能部件包括动力系统，机械系统，吊舱环境与设备系统控制系统和安全系统五大部分组成，由于本课题只涉及到动力系统和机械系统，故对载人离心机的动力系统和机械系统作简要的介绍。2.2 载人离心机的机械机构2.2.1 载人离心机传动链传动链是指主驱动通过一系列装置将主驱动的扭矩传输给主臂系统，并在机械结构上保护主臂系统不受过大应力的损害。传动链包括以下部分：基座、轴承、联轴器、主轴和主轴制动。1）基座 基座的下部和离心机基础相连，上部则连接离心机的旋转部分，它起到支撑主臂系统、传输离心机静态和运转产生的周期性动态力的作用。基座的基础通过螺栓联机在动力电机的外壳上，这种设计为电机轴和离心机轴之间提供了准确的直线校准。基座具有很高的强度要求，一般为焊接钢结构，系统承受的最大静载荷和动载的载荷周期决定了基座的设计强度。3 轴的设计在载人离心机的发展过程中，载人离心机的主驱动无论是直接驱动还是间接驱动，他们都是对载人离心机的主轴进行驱动的，故主轴的设计在整个载人离心机设计中也是非常重要的。因此我选择了载人离心机的主轴来作为毕业设计的主要内容。3.1 轴的设计由于近10多年来，载人离心机的结构和性能有很大的提高。新建的这些载人离心机的主臂臂长一般均在8m以上。吊舱均有万向接头，可做2个自由度甚至3个自由度的旋转和俯仰。可通过计算机程序设计控制旋转和俯仰角度，增长率已经可以达到10G/s，甚至有一些载人离心机的增长率都已经达到了15G/s，并且吊舱内都有视景系统，可以使飞行环境更加逼真。而随着结构和性能的提升， 为载人离心机空战动作训练开辟了一条新的途径。由于训练飞行员用的最大G值为9G，最大增长率为3G/s，由于有载人离心机设计要求：在人离心机在制动时所产生的切向加速度不能超过（1015）G，在这样的要求的前提下应尽快实施紧急停机。由于制动提供制动扭矩，它使离心机在0.1s内的下降速率可以大于10G/s峰值加速度（座舱坐标系统），而15G水平制动的时间约为30s所以经过多方考虑好，为了跟上时代，为了我国的国防事业我决定挑战自我极限。来设计我国还没有的载人离心机性能所需要的主轴。4 轴的校核4.1 校核轴的强度：4.1.1 按扭转强度条件校核轴轴的扭转强度条件为扭转切应力，单位为Mpa；T轴所受的扭矩，单位为；轴的抗扭截面系数，单位为；n轴的转速，单位为r/min；P轴传递的功率，单位为计算KW；截面出轴的直径，单位为mm。对于直径d 100mm的轴，当轴截面上开有两个键槽时，应将直径增大7%，又因为是空心轴所以将、n=80.48r/min、d=440 mm；带入下式：查表15-3，对于38SiMnMo合金钢，即有 ，满足轴的扭转强度条件。4.1.2 按弯扭合成应力校核轴的强度下图为从主臂所在平面对主轴所受载荷情况的分析图：图4.1 轴的载荷分析图由图4.1可知，轴所受弯矩大小不一，由于轴所受弯矩随直径变大而变大；现分别对轴承段和花键段作进行校核；1）轴承段的校核计算：由载人离心机静止时，载人离心机上部的旋转部分对主轴产生的静力矩为：该轴为空心轴，此轴段的空心系数为：抗弯截面系数W：扭矩： 由校核公式：该轴所受的扭转切应力为脉动循环变应力，故取：所以：，由手册可查得材料38SiMnMo 的弯曲疲劳极限 所以：，故此轴段的强度合格。2）对花键部分轴段强度的校核：当主轴运动起来后，系统作的是圆周加速度，故系统的质心对主轴产生一个离心力，这个离心力由载人离心机的速度的大小来决定。载人离心机的极限角速度， 因此载人离心机运动起来后对主轴产生的离心力，也就等于主轴对系统产生的向心力，即：对双列圆锥棍子轴承所在界面处所产生的力矩为：由上一步的校核中可知其静力矩为：故此时此轴段上的收受的合力矩为：又因此轴段也为空心轴，故对于渐开线花键来说D为分度圆直径，所以，D = 650 mm，则此段的抗弯截面系数：通常有弯矩产生的弯曲应力为对称循环应力，又由于扭转切应力为脉动循环变应力。故取：此处的扭矩为：故由强度校核公式得：又由轴的设计参数可查的材料38SiMnMo 的弯曲疲劳极限所以： 此段的强度也是符合要求的。5轴的加工工艺经过上一步的校核，轴的尺寸已基本定下来了，轴的详细尺寸见零件图070624002。5.1 加工工艺的选择5.1.1 轴的铸造载人离心机的主轴比较庞大，不能采用锻压成形方法来制造毛坯，本课题决定采用铸造成形方法来生产毛坯。铸造工艺中最适合该主轴的铸造方法是离心铸造，离心铸造是将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。该主轴体积过于庞大，不适合用离心铸造来铸造毛坯，而普通的砂型铸造却可以实现大型毛坯的铸造，故决定选用手工造型铸造方法。手工造型的操作灵活，生产准备时间短，适用于生产各种尺寸和形状十分复杂的铸件。主轴毛坯的形状较简单，可采用分模造型的方法。分模造型中模型沿截面最大处分为两半，行腔位于上下两个砂箱内，造型简单，省时省工，非常适合用于轴类零件的铸造加工。由于金属在逐渐凝固和冷却过程中，体积一般要发生收缩，所以铸件模型不可直接用铸件尺寸，应利用金属的收缩率来对模型的尺寸进行求解。过程如下：查铸造工艺手册，并由毛坯的尺寸可得：适用于粘土砂干型铸造的铸造收缩率为： ，及铸造收缩率公式：K铸造收缩率；L1模样尺寸；L2铸件尺寸；载人离心机的主轴有中心孔，且其中心孔在合金材料凝固时并不收缩，而是孔径扩大，所以孔径的模型尺寸应比铸件的孔径尺寸小，外尺寸计算如下：将以下的毛坯外尺寸：；带入上式后可求得铸件模型的尺寸为： ；将中心孔的尺寸：带入上式得；故木模的尺寸如下图07062401所示。5.1.2 轴的热处理工艺所选主轴材料为38SiMnMo，中碳合金钢。由各合金元素的作用可知：锰元素用于提高钢的淬透性，可以通过热处理使钢获得良好的强度、硬度及耐磨性，但缺点是易造成晶粒粗大，过热敏感性和回火脆性；硅元素对铁素体起固溶强化作用，能够提高钢的屈服强度，硅锰的适当搭配可以稍稍减小锰钢热处理时的晶粒长大倾向；本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。可全程辅导毕业设计，知识可贵，带给你的不只是一份设计，更是一种能力。联系方式：QQ712070844，请看QQ资料。6 结论随着第五代战斗机研发工作的开展，新的战斗机会有更好的机动性和隐身功能，而我国的战斗机也有了很大的发展，尤其是现代，随着歼十战机的研发成功和装备部队，我国的飞机工业走上了快速发展的道路，为了适应新型的战斗机对飞行员的高抗荷耐力的需要，载人离心机向着功能更加强大的方向发展，即载人离心机飞行动态模拟方向发展。载人离心机飞行动态模拟，与固定/部分运动平台的空间定向模拟器相比，载人离心机能提供更为连续的运动保真，特别是加速度过载的运动保真，为研究和训练准备了更广泛的运动环境25。而且，现代高性能战斗机的复杂动作对前庭的刺激，也已影响到了人体加速度耐力。所以发展高性能战斗机更广泛的综合模拟变的更为迫切26。在载人离心机上开展的动态飞行模拟是以加速度模拟为基础的，这也是离心机动飞行动态模拟应用的特点和优势。我国的载人离心机的研究起步比较晚，但发展较快，我国现有载人离心机4台（一台在台湾），其中有两台是我们自己建造的载人离心机，但现在都比较落后了。我国对载人离心机的研发工作主要停留在改进现有设备上，而没有进行过新的载人离心机的制造。面对国外日益激烈的军事态势，我国应加快航天航空领域的发展和附属地面设备的研发工作。载人离心机作为最重要的地面设备更应该加大研发力度，应坚持自主创新的道路，在引进国外先进技术的同时，自主开发设计载人离心机设备。为了适应未来性能先进的战斗机对飞行员高G抗荷耐力的需要，我设计的主轴可以在主臂长为十米的离心机上使用，并可以使载人离心机的最高加速度达到10G/s，适用于现代载人离心机。在查阅资料的过程中发现我国的大型零件加工，还是有一定的困难的，而大型零件的加工设备基本以进口为主。作为一个发展迅速的发展中国家来说，为了以后国民经济的高速发展，国防事业的进步。建议能够加大我国大型零部件加工设备的研发力度参 考 文 献1陈光.现代战斗机的发展.2 陆惠良.载人离心机及其应用M.北京:国防工业出版社,2004:723White J. A. History of the Centrifuge in Aerospace MedicineM. Douglas Aircraft Co.19644High G Physiological Protection Training. AGRAD-AG-322 1990,3-85陆惠良.世界上的载人离心机J.航空医学信息.1999.5:1126陆惠良.载人离心机发展史J.航空航天医学信息.2001.11-2002.37Willian BA.Current and Future Trends in Human Centrifuge DevelopmentJ. SAFE journal,Summer/Fall 1999, Vol.29(20)1071118Glaister D.Physiological Principles and Operational Consequences of the High Sustained G EnvironmentJ. AGARD short course and Royal Air Force Institute of Aviation Medicine 1992.129刘森.载人离心机引进技术文本R.空军第四研究所,2000.152010耿喜臣,金朝.高性能战斗机吃行员高+G综合防护进展J.中华航空航天医学杂志，2002,13(1):60-6411陈健生.我国航天员训练揭密M.中学数理化(初一版),2003.33:474812赵雁.一名职业航天员是如何锻造的. special/2003-10/16/content_748512.htm,2003-01-1613由俊生.动态飞行仿真系统高载荷训练研究J.系统仿真学报,2002,14（11）1534153514冯雪梅. 载人离心机测控系统研制. qikan /periodical.articles/htyxyyxgc/htyx2003/0303/030310.htm,2003-6-115L G Janssens.How to Make Simulator Fly Like Airplanes.In: AIAA Paper 86-9777,SFTE 3rd Flight Testing Conference.1986:1816High Dynamic G Trainer . ACUTRONICMODEL: Physical, Performance Characteristics17Bernhard H. Richter . Reduction of Counterbalance on Centrifuge Rotational System . Environmental Tectonics Corporation18齐乐华.工程材料及成形工艺基础M.西北工业大学出版社,2004.11:849819张展.机械设计通用手册M.北京:中国劳动出版社,1994.5:709020张展.非标准设备设计手册M（第一册）.北京:兵器工业出版社,1993.9:14014821成大先.机械设计手册M（单行本、轴承）.北京:化学工业出版社,2001:30040022 成大先.机械设计手册M（单行本、轴及其连接）.北京:化学工业出版社:2001:20024523濮良贵,纪名刚.机械设计M.高等教育出版社.北京:高等教育出版社2005.4:35437424铸造工程师手册编写组.铸造工程师手册M.北京:机械工业出版社,2004:7310425Ricahrd J Crosbie, Dennis A Kie