载人离心机及部分零部件的设计与加工路线编制.doc
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1、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16
2、3.1 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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3.5
15、m,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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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4
21、0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
22、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
23、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
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