大型商用航空發動機整機裝配廠房起重設備配置方案

 

    起重設備是航空發動機裝配廠的重要工藝設備，不僅承擔重要工藝操作任務，涉及工作安全性，而且成本高，與生產柔性、產能效率等總體制造指標密切相關。對于大型商用航空發動機（LCAE）整機裝配廠房建設，起重設備配置必須全面滿足廠房工藝布局和發動機裝配工藝技術要求，并充分考慮后期發展需要及調整柔性13.由于起重設備技術內容豐富，涉及因素眾多，相當―部分裝配廠房，尤其是科研單位，都經歷過一次甚至多次的技術改造或設備升級補充34.LCAE整機裝配廠房工藝布局廠房工藝布局主要包括功能區定義（功能區數量、面積和位置），設備設施的配置以及物流方案設計。工藝布局設計必須基于生產大綱和工藝組織形式定位，并充分考慮工藝方案、工藝設備―12―需求，同時兼顧配套能力建設情況、土建約束、EHS等相關標準規范。從國內外的各類LCAE整機裝配廠房的工藝布局情況看，其具有以下共同點：與小涵道軍用航空發動機裝配廠房相比，LCAE整機裝配廠房的各功能區面積較大，一般在500~1000m2.主通道寬度在4m以上，主廠房一般為單層多連跨排架柱結構形式，柱網多為24m（跨度）X（柱距）。廠房總建筑面積15000~30000m2.主廠房功能區一般包括裝配/分解區、倉儲區、故檢區、維修區、清洗區和試驗區。輔助廠房包括辦公生活區和生產配套區，如動力間、空調機房等。

 

    裝配/分解區是主廠房的核心功能區，包括部裝區和總裝區。其中部裝區包括主單元體裝配/分解工段、平衡工段。總裝區包括整機裝配、整機分解工段。

 

    為提高轉動件的運輸效率，平衡工段位于部裝區的中心位置；為方便發動機總體裝配，部裝區的外部附件工段和風扇裝配分解工段與總裝區相鄰，將風扇裝配分解工段與總裝區合并。

 

    由于設備調整、產能提升或工藝分工變化等因素，絕大多數廠房都經歷過多次的工藝布局調整、改進。

 

    LCAE整機裝配廠房起重設備需求在廠房工藝布局設計中，完成功能區定義和主要工藝設備布置后，可以進行起重設備需求論證，并開展配置方案的初步設計工作。對于LCAE整機裝配廠房，起重設備主要功能是上部運輸和輔助裝配/分解，如大組件安裝、對接及姿態調整，起吊高度一般在8m以上。例如，垂直裝配低壓渦輪單元體，在功能配置方面，般要求無級變速、防跌落及雙葫蘆配置（主要用于低壓渦輪單元體在水平和垂直狀態之間的姿態調整）。

 

    在廠房內的絕大多數功能區都需設置起重設備。在主廠房核心功能區一裝配/分解區，起重設備主要用于工段內發動機結構件/工裝的運輸、姿態調整，并配合部分組件、單元體完成裝配分解操作。針對LCAE發動機結構尺寸大及整機質量~8t的特點，并考慮吊具和夾具質量，總裝區起重設備起重量一般為10t以上，部裝區起重設備起重量一般為5t以上。在部裝區中的平衡工段，起重設備主要滿足轉子件的運輸、平衡工裝安裝以及轉子在平衡機擺架上的安裝及拆解需求。

 

    主廠房非核心功能區包括倉儲區、故檢區、維修區、清洗區、試驗區。故檢區、維修區、清洗區、試驗區的起重設備的功用主要是工件運輸，并滿足功能區內的工藝設備使用和維護需求，如發動機結構件和設備之間的安裝或連接、設備配件更換等。隨著近年來垂直升降立體庫、智能貨柜以及輕型或重型貨架的廣泛應用，倉儲區已經很少使用傳統起重設備。相對裝配區，非核心功能區的起重設備數量需求少，工作范圍有限，吊運點和吊運路徑都比較明確，主要吊運對象是發動機零部件，所以起重設備噸位較小。

 

    在主廠房的物流接口區域，如卸貨區和試車臺連接通道，也有起重設備配置需求。在卸貨區，需要將發動機結構件、工裝或配套物料從運輸車輛轉移至地面運輸車，采用懸臂起重設備較合適。

 

    叉車+托盤（料斗）可作為備選方案，但其需要較大的工作空間，操作程序較為復雜。在研制和小批量生產階段，大多數航空發動機制造單位的裝配主廠房與試車臺的發動機運輸一般采用地面運輸車。而對于大批量，裝配主廠房與試車臺之間連接通道可以采用單軌起重設備運送整機，與試車臺準備間的單軌起重設備無縫銜接。

 

    3航空發動機制造相關起重設備技術當前航空發動機制造現場應用*多的是標準橋式起重機，般為單梁結構。主梁多采用工字型截面或箱形梁，有地面和空中兩種操控形式。

 

    其中，標準懸掛式起重機可以直接安裝于現有廠房屋頂結構上，無需牛腿支撐。相對單梁結構，雙梁標準橋式起重機可實現更大的載重量、跨度和起吊高度。

 

    近年來，為滿足當代裝備制造業的柔性發展需求，各類輕型組合式起重機研發成果顯著，應用愈發廣泛。相對標準橋式起重機，輕型組合式起重機的主要優點：使用預制的模組化設計結構，組裝、拆卸和改造非常方便。

 

    非常適合承擔頻繁的常規質量（500kg以下）和常規尺寸（*大外廓尺寸在1m以下）的組、部件輸送和吊裝工作。

 

    由于模塊式組裝，廣泛使用冷軋的特種空心型材，因而起重系統自重輕，對安裝的地基要求低，如組合式起重機的框架支撐系統可以安裝在任何普通15cm厚的鋼筋混凝土地面上。

 

    起重系統幾何尺寸小，適用于復雜、狹小空間內的作業，在非規則的工作區域內安裝、拓展方便。

 

    種類繁多，功能特點更為鮮明，滿足專用技術需求。如新型組合式起重機可以設計為側向（小車行走方向）懸伸式和伸縮式，使工作范圍超過兩個導軌中間區域；新型的智能輔助提升裝置可使操作人員輕松地控制吊裝對象姿態和運動，實現吊裝對象在接近懸浮狀態下的精準定位和對接。通過與起重設備供應商的技術交流以及資料相對傳統的標準起重機，輕型組合式起重收集、整理，匯總航空發動機制造相關的起重設機的成本和維護費用顯著降低。備技術信息如表1所示。

 

    表1航空發動機制造的相關起重設備技術信息結構形式功能特點關鍵技術參數標準起重機橋式剛性大，穩定性好，滿足大跨度廠房、大起重量需求。工作范圍廣，盲區小。起升和小車都可以為雙速或變頻調速配置。

 

    國外某型單梁橋式起重機*大跨度為30m，起重量10t，起重機運行速度*高40m/min，小車運行懸掛式速度30m/min，起升速度*高12.5m/min.手控電門含專門點動按鈕，點動*小步長2mm.單框架支撐從簡單的手動控制的直線軌道到多分支的半自動或全自動控制的環形軌道，通過采用懸掛的單軌式起重機起重量一般小于500kg，軌軌懸掛直軌、彎軌、道岔和轉向盤等不同部件的集成和組合實現導軌的任意走向。

 

    道吊掛點間的距離不大于5m.梁框架支撐新型梁式組合起重機可以設計為側向（小車行走方向）懸伸式和伸縮式。*大懸伸或伸縮可達到軌道中心線以外2.5m.框架支撐的單梁式起重機主梁長度一般小于10m，起重量小于2000kg；懸掛的單梁式起重機的主梁長度一般小于8m，起重量小于500kg.輕式懸掛型組合式起旋立柱式占地面積和空間*小，起重臂可以實現起重量一般小于500kg，回轉角度可選為180°、臂墻壁式360°旋轉，作業半徑大，自重輕。

 

    270°、360°，旋臂長度一般在5m以內。

 

    重機移動式門機由小型的組合式門架和電動葫蘆組成。門架配置滑輪及鎖緊裝置，可隨意移動和固定，無固定軌道。適合小尺寸結構件修理和安裝。

 

    拆卸、再組裝非常方便。

 

    起重量一般小于1000kg.堆垛式由雙梁懸掛起重機和一個專用堆垛小車組成。適用于單元貨物、料斗和散貨托盤的輸送、分揀、存儲和存取。

 

    起重量一般小于500kg.LCAE整機裝配廠房起重設備配置4.1LCAE整機裝配廠房起重設備配置方案國內傳統航空發動機裝配廠房的起重設備配置比較簡單，起重設備種類局限于電動單/雙梁橋式或懸掛起重機、懸臂起重機和單軌起重機。橋式或懸掛起重機主要應用于發動機總裝配、部件或單元體工段內部，以及上述工段之間的運輸；懸臂起重機主要應用于工作量較小的試驗臺、專用設備工位；單軌起重機主要應用于洗滌間、無損檢測間。傳統的起重設備選型的主要依據：起重量、起升高度、工作范圍、工作速度以及工作級別。通過對LCAE整機裝配廠房起重設備需求的―14―初步分析，核心功能區內起重設備配置是重點內容，也是工藝布置設計中的難點。本文對核心區內平衡、部裝和總裝工段的起重設備配置方案進行了闡述分析。

 

    平衡工段的吊運安裝和物料輸送一般靠標準梁式起重機+地面運輸車配合完成。與其他非核心區類似，平衡區的起重機主要滿足各類平衡設備、高速葉尖磨床設備的使用需求，如轉子件的運輸、平衡工裝安裝以及轉子在平衡機擺架上的安裝及拆解。考慮到LCAE轉子組合件一般采用臥式平衡，直徑小于2m，包含工裝的總質量小于2t，所以通常選配若干標準梁式起重機實現平衡工作區全覆蓋，起重量5t以下，起升高度5m左起重運輸機械2013（12）右；為實現精確的轉動件安裝，設置起重機的小車走向與平衡設備或高速葉尖磨床的主軸方向垂直；考慮轉動件的姿態調整需求，般平衡區起重機采用雙葫蘆配置。

 

    根據成熟的LCAE裝配工藝分析，部裝區內的主單元體吊裝運輸工作需求遠低于主單元體內部的單元體、組部件吊運需求；吊運工作量和強度在一個工段內的分布也不均勻，按照*大工件質量配置的標準橋式起重機可以在工作區域內完全覆蓋所有吊運需求，但在技術和經濟上較浪費。另外，標準橋式起重機的吊索長度較長，側擺明顯，不利用中等尺寸及質量的組部件精準對接和安裝。因而，國內外許多先進裝備制造廠房內部都采用了標準橋式起重機和輕型組合式起重系統搭配的應用模式，如、鑒于部裝區各工段的工藝布置較類似，以工位器具、單元體裝配平臺為主，且設備配置較少，本文以典型的高壓壓氣機（HPC）工段為例，說明部裝區的起重設備配置方案。典型HPC工段分為裝配區和分解區，裝配/分解區又分為轉子和靜子兩部分。工作平臺為精密轉臺，以該精密轉臺為基準，完成HPC的*終裝配或初始分解，如所示。起重設備配置為標準橋式起重機和2列輕型組合式起重系統。標準橋式起重機承擔HPC單元體在工作平臺上以及工段之間的吊運、姿態調整工作，并兼顧其他相鄰工段的大型結構件吊運。

 

    兩列輕型組合式起重系統采用框架支撐式，位于標準橋式起重機下方，分別完成轉、靜子裝配區和分解區內的組部件吊運并配合安裝或檢測。具有側向懸伸或伸縮的組合梁式起重系統可以完成該區域與HPC單元體工作平臺之間的結構件運輸，使用專用地面運輸車、移動門式起重機、旋臂起重機也可以完成上述工作。

 

    在總裝區，需要完成3個主單元體的對接，形成主機后再進行外部結構安裝。傳統工藝方法是采用標準橋式起重機借助手動扶正、調整來完成主單元體的對接、安裝，然后依靠若干的立柱式工裝支撐主機。工人借助移動式臺架站在發動機外圍進行外部結構（如管路、附件等）安裝和檢驗工作。現代LCAE的結構配合精度逐漸提高，如轉、靜子徑向間隙（直徑）達到0.5mm以下。外部結構安裝的工作量大，勞動強度高，若采用傳統的標準橋式起重機加手動調整的安裝方法很難滿足先進LCAE的裝配精度和批量生產效率的要求。另外，與大多數工序并行的部裝區有明顯區別，絕大多數的總裝工序是串行的。所以，近年來，國際上許多LCAE大修廠已經采用基于框架支撐的單軌上部運輸系統，建設了總裝流水線，也稱為“脈動裝配線”。該流水線將起重設備和傳統的裝配架高度集成，實現了主單元體的半自動對接以及整機的垂直升降和縱向運輸。當前，國外許多設備供應商還針對上述“脈動裝配線”進行深度開發，如增加整機姿態控制功能，使發動機整體繞轉子軸線旋轉或在水平面擺轉。

 

    總之，總裝區內起重設備和專用工藝裝備的集成發展，滿足了LCAE的自動化制造、精益生產的需求，也開辟了特種起重設備新的發展方向。

 

    4.2配置方案設計流程起重設備選配涉及大量技術信息，也需考慮眾多非技術因素，如成本限制、產能和型號規劃、EHS的專項要求等。所以，建立科學的技術決策流程是開展上述工作的重要前提。針對LCAE整機裝配廠房的起重設備配置，本文提出3個階段的方案設計流程，如、所示。

 

    起重設備配置的初步及詳細設計流程提出了方案設計流程，為相關廠房建設的起重設備選型和技改方案設計提供。值得關注的是，LCAE發動機的科研裝配、批量生產裝配和大修裝配在廠房工藝布局、工藝方法、產能目標、工藝設備配置等方面都有定區別。因此，3類廠房的起重設備需求和配置方法應各有不同，需后期進行深入、詳細的分析及實踐摸索。