飞机喷漆悬挂起重机的设计

彭 飞 雷金柱 吴西辉 李燕鹏

纽科伦（新乡）起重机有限公司 新乡 453000

飞机喷漆机库多采用桁架结构，结合飞机喷漆库的钢结构特点，为了减轻起重设备的自重，机库内的起重设备一般为多支点悬挂起重机。飞机喷漆设备是飞机生产线上的重要设备，要求喷漆设备具有载人平台，且平台能够很容易地到达飞机表面的任意位置，具有很高的安全性和可靠性。

1 总体方案设计

悬挂起重机由端梁、主梁、小车、维修平台、回转机构、伸缩导柱、工作平台等组成。端梁上有行走轮，行走轮挂在喷漆机库的H 形钢轨道上，行走轮上集成有驱动装置，可驱动端梁移动，实现整机的纵向运动。主梁为箱形梁结构，4 个端梁连接在主梁上方，小车行走轮挂在主梁下翼缘，维修平台、回转机构、伸缩导柱、工作平台等布置在小车上，小车沿主梁方向横向运动，实现工作平台的横移。回转机构由回转支承和减速电机构成，实现工作平台的回转运动。导柱各节内筒和外筒配合紧密且可伸缩，通过维修平台上的葫芦起重机吊起工作平台，实现工作平台的高度变化，伸缩[1]导柱为平台提供支撑，保持工作平台稳定。飞机喷漆悬挂起重机的设计参数如表1 所示。整体设计满足设备的应用需求，可在三维空间内安全高效的移动。飞机喷漆悬挂起重机的整体结构如图1 所示。

表1 悬挂起重机设计参数

图1 飞机喷漆悬挂起重机示意图

2 小车设计

小车的行走机构悬挂在主梁上，通过回转支承连接检修平台，回转机构、伸缩导柱、工作平台均随小车一起运动。小车使用4 个0.75 kW 的三合一减速电机作为动力，在小车上设置有防跌落机械装置，以增加小车的安全性；在小车和主梁末端设置两级限制开关和弹性缓冲器，一级限位开关使系统减速进入低速模式，二级限位开关使系统停止运动，如限位开关出现故障，则由弹性缓冲器吸小车的动能。小车结构如图2 所示。

图2 小车结构图

工作平台的回转动作通过小车上的回转支承和回转减速电机实现，回转支承支架连接回转支承和小车受力臂，是小车的重要受力部件，对整机的安全性有至关重要的作用。本文对回转支承支架进行应力和变形分析，赋予回转支承支架材质，固定回转支承支架4 个支腿接触面，对回转支承支架下底面加载力，下底面受力为维修平台、伸缩导柱、葫芦、工作平台、载荷等加在一起的重力，综合安全系数和冲击系数，数值为185 kN。应力分析及变形结果如图3 所示，最大应力为34.5 MPa，满足设备强度要求。

图3 回转支承支架应力分析图

3 伸缩导柱设计分析

伸缩导柱在满足摆动效应的前提下尽量减轻质量。导柱采用六边形结构，最大化刚度和截面。伸缩导柱由一个固定套筒和4 个移动套筒组成，连接维修平台的套筒为固定套筒，横截面最大。当葫芦提升时，移动套筒能够收缩进固定套筒内。伸缩套筒内安装双向同步装置，使不同的套筒同时按比例发生提升或下降运动。双向同步装置能进一步提升装置的安全水平，避免运动过程中发生震动，提高平台工作人员的安全感。伸缩套筒的周向表面为平面，设有边孔，以便于同步装置的检查和维护。伸缩套筒外围安装障碍物检测装置，一旦检测到障碍物，平台的运动和桥架的行走立即停止。套筒外形如图4 所示。

利用排绳技术实现伸缩导柱的同步伸缩，如图5 所示，G1、G2、G3、G4为 移 动 套 筒[2]，G2、G3、G4套 筒上布置滑轮，绕过滑轮的钢丝绳一端固定在上一级套筒上，另一端固定在下一级套筒上。葫芦提升工作平台向上运动时，工作平台带动移动套筒G1运动，移动套筒G1向上运动，通过钢丝绳F1和滑轮带动移动套筒G2向上运动，移动套筒G2向上运动，通过钢丝绳F2和滑轮带动移动套筒G3向上运动，移动套筒G3向上运动，通过钢丝绳F3和滑轮带动移动套筒G4向上运动，实现伸缩导柱的同步伸缩[3]。

图4 伸缩套筒

图5 套筒运动受力分析

对伸缩套筒内的钢丝绳进行受力分析

通过分析可知，移动套筒质量G4＞G3＞G2＞G1，移动套筒G4上的钢丝绳受力F3最大，所有同步钢丝绳的受力与G1无关，G1的质量由提升葫芦钢丝绳承受，为了便于制作，所有同步钢丝绳选取同样规格，按照最大受力进行选取，由于平台载人，钢丝绳按照A8工作级别进行选取，最终选择2160 级别φ11 钢丝绳，滑轮直径φ280 mm。

4 工作平台设计与起升分析

工作平台用于载人和喷漆设备，主结构设计经过优化具有足够的刚度，减少了结构质量，降低了位移惯性。如图6 所示，工作平台边缘安装有1.1 m 高的护栏，可确保人员安全；工作平台与伸缩导柱之间也设有围栏，防止台上的操作人员误触伸缩导柱或起吊滑轮和钢丝绳；工作平台周边安装特种防撞垫，防撞垫可进行变形接触物体，也具有足够的刚度，在不接触物体时保持结构形状。平台配备电气探测元件，探测到将要碰触物体时停止悬挂起重机的所有动作。

图6 工作平台

使用电动葫芦对工作平台和导柱进行提升，电动葫芦的受力为

式中：G1、G2、G3、G4为4 个伸缩套筒的质量，M为平台质量，Z 为载重量。

为保证人员安全，使用两台葫芦共同提升平台，单台葫芦的起升能力大于F，即使其中一台出现故障，另一台有能力对工作平台进行单独起升。两个吊点共同起吊工作平台，对所吊物的重心进行分析。

图7 空载工作平台重心位置

平台上有工作人员时，将所有工作人员及工具看作一个整体载重Z；当Z 在工作平台的不同极限位置时，重心位置如图8 所示。

图8 极限载重时工作平台重心位置

有意设计所吊重物的重心不与伸缩导柱的圆心重合的优点是：1）重心产生的弯矩由伸缩导柱承受，能减少平台的晃动；2）两个吊点布置在平台一角，便于使平台上工作人员站在平台对角到达飞机外部任何位置，特别是便于深入飞机翅膀下方中心部位；3）重心偏向一个吊点且仍在两个吊点之间，其中一台承担较轻负载并充当冗余角色，两个葫芦处于不同的负载状态下，两台葫芦负载不同，以区分2 台葫芦的磨损模式和疲劳模式，如果主负载葫芦发生疲劳故障，另一台起升的不同负载可避免其受到同一疲劳故障的影响。

5 结语

综合现场情况，设计了飞机喷漆悬挂起重机，此设备能满足功能要求，对于提升飞机喷漆效率具有重要的意义。