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      航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的研究

      2018-08-31 10:22曾繁星盧磊高平遠(yuǎn)張磊
      中國(guó)科技縱橫 2018年9期
      關(guān)鍵詞:工藝優(yōu)化問(wèn)題分析航空

      曾繁星 盧磊 高平遠(yuǎn) 張磊

      摘 要:航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的目的是進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,使其安全性、可靠性等得到提升,同時(shí)還能夠降低噪音、減少污染。當(dāng)前,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展中還存在不少的問(wèn)題,對(duì)這些問(wèn)題的分析和解決是發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的前提,只有更好地解決這些問(wèn)題,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研究才能獲得突破性進(jìn)展,航空業(yè)才能有更好發(fā)展。

      關(guān)鍵詞:航空;活塞發(fā)動(dòng)機(jī);問(wèn)題分析;工藝優(yōu)化

      中圖分類(lèi)號(hào):V234.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2018)09-0060-02

      航空領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝精細(xì)、復(fù)雜,即便在信息化時(shí)代,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝優(yōu)化還許解決諸多問(wèn)題?;钊l(fā)動(dòng)機(jī)是航空史上最早使用的發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)這一類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝優(yōu)化研究要結(jié)合“輕量化”理念,進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等,使其綜合性能得到提升。

      1 航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝概況

      活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為最早的航空發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型,發(fā)展到如今,它仍然在航天業(yè)中占有很重要的地位。 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝復(fù)雜,而對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工藝的優(yōu)化關(guān)系這飛行器的性能、可靠性和成本等等。當(dāng)前,發(fā)達(dá)國(guó)家在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝方面的研究比較超前,較好的解決了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化、可靠性等問(wèn)題,更重要的是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不再只依靠航空汽油為燃料,航空煤油、柴油等也普遍的成為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,這極大的提高了飛機(jī)的高空性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率,使發(fā)動(dòng)機(jī)能以最小的成本帶給飛機(jī)更大的飛行能量。國(guó)內(nèi)對(duì)于重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)還處于探索階段,當(dāng)前大多數(shù)研究是在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的,很少有研究成果被廣泛的應(yīng)用于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)中。我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究差距是客觀存在的,在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化中必須正確的、科學(xué)的看清這一點(diǎn),才能夠利用好自己的優(yōu)勢(shì)、利用好別人的優(yōu)勢(shì),使我國(guó)航天事業(yè)得到更迅速的發(fā)展。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的關(guān)鍵在于兩個(gè)方面,一是材料的選擇,二是先進(jìn)的加工方法。自十九世紀(jì)中期,英國(guó)人亨森提出了蒸汽力驅(qū)動(dòng)的概念,人們就不斷的探索發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝,夢(mèng)想著人類(lèi)能夠像鳥(niǎo)兒一樣飛向藍(lán)天。后又經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì),美國(guó)人蘭利提出了:當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)太過(guò)笨重,要實(shí)現(xiàn)飛翔的愿望就需要輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)。但是由于當(dāng)時(shí)的攻擊水平較為落后,他的這一理論難以進(jìn)行實(shí)踐。又過(guò)了近二十年,人類(lèi)史上第一架飛機(jī)誕生了,當(dāng)時(shí)這架成功試飛的飛機(jī)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為8.9千瓦,功率/重量比為0.109,比蘭利那個(gè)時(shí)代功率/重量比提高了七倍多。此后,隨著航空業(yè)的發(fā)展,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝得到了不斷優(yōu)化,特別是近現(xiàn)代,新型材料的研發(fā)、加工工藝的不斷優(yōu)化,使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)得到了很大發(fā)展。這一過(guò)程中既有化學(xué)反應(yīng),又有物理變化,即便現(xiàn)代化的科技手段也無(wú)法完全的避免一些生產(chǎn)狀況發(fā)生,因此,對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的進(jìn)一步研究,是生產(chǎn)性能更好,功能更加的航空用發(fā)動(dòng)機(jī)的必要途徑,對(duì)其深入的研究,能夠極大的推動(dòng)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展。

      2 航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝發(fā)展中的若干問(wèn)題分析

      當(dāng)前,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于一些輕便的小型飛行器上,例如無(wú)人駕駛飛機(jī)、教練機(jī)、行政機(jī)等,相比于其他類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī),活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有其優(yōu)勢(shì),也有很多不足、例如,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比,前者加速性能較好,后者的高空性能略勝一籌。隨著材料和工藝的不斷進(jìn)步,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)本來(lái)應(yīng)該有一個(gè)廣闊的發(fā)展空間,但在世界各國(guó),由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝水平的較大差距,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用遇到了較多問(wèn)題,致使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化過(guò)程中充滿(mǎn)挑戰(zhàn),活塞發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的更新和發(fā)展也遇到諸多難題。以航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性技術(shù)方面的問(wèn)題為例。在先進(jìn)工藝和材料的支持下,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化技術(shù)得到了很大發(fā)展,外形尺寸也在不斷的縮小,呈現(xiàn)出緊湊的設(shè)計(jì)趨勢(shì),這樣一方面便于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高,使以其為動(dòng)力的飛行器具有更好的飛行穩(wěn)定性、可靠性,而且在加速、起降等方面有更多的優(yōu)勢(shì),也便于機(jī)身曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)。但由于工藝技術(shù)的差異,當(dāng)前的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品都存在著不同的問(wèn)題,需要進(jìn)行技術(shù)難關(guān)突破,目前這些問(wèn)題還沒(méi)得到充分的解決。例如,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,當(dāng)前還有很多的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)只能使用航空汽油,如要使其能夠使用煤油、柴油等作為燃料,就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,而這類(lèi)技術(shù)大多數(shù)由少數(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家掌握,很多國(guó)家還在實(shí)驗(yàn)研究中。即便那一部分掌握了燃燒煤油、柴油等的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的國(guó)家,其研制的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品還有很大的進(jìn)步空間,其工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化。例如,德國(guó)的Canturion2.0型發(fā)動(dòng)機(jī),它可以使用煤油或柴油做燃料,但是這類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)造價(jià)比較高,而且維修、保養(yǎng)復(fù)雜、繁瑣,因此其制造工藝還有待優(yōu)化,只有優(yōu)化生產(chǎn)工藝才能提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性,使其維修、保養(yǎng)簡(jiǎn)單化,并確保其使用壽命的延長(zhǎng),使其使用安全性、耐久性得到進(jìn)一步的提升。以航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的熱處理為例,眾所周知這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造的主要材料是鋼,對(duì)鋼的熱處理可以分為普通熱處理和表面熱處理,其目的都是根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的需要改善其生產(chǎn)材料的性能,使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能得到提高。表面上看這一工藝流程很簡(jiǎn)單,實(shí)際上極為復(fù)雜,且難以掌控。就如同碳分子,有的形態(tài)是常見(jiàn)的燃燒的煤,有的形態(tài)是金剛石,熱處理以改變物質(zhì)的機(jī)械性能使其整體力學(xué)性能得到優(yōu)化為目的,這一過(guò)程中往往會(huì)伴隨著多個(gè)化學(xué)反應(yīng)和物理變化,極難掌握。例如,鋼的熱處理過(guò)程中加入碳可以提高生產(chǎn)材料的強(qiáng)度;淬火過(guò)程中掌握好溫度,可以增加材料的韌性,避免生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)裂紋。另一方面,要依賴(lài)豐富的經(jīng)驗(yàn)積累,在實(shí)踐中提升理論,這才能使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝得到更好的優(yōu)化。

      3 航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的探索

      航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化的影響因素眾多,其中存在問(wèn)題的研究和解決將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。在其工藝優(yōu)化過(guò)程中,首先,研究者期待有更多的資源、信息共享,希望在合作中謀求全人類(lèi)航空事業(yè)的共同發(fā)展,在航空領(lǐng)域活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝優(yōu)化研究中大家能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短,共享發(fā)展成果,使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展更好的為人類(lèi)服務(wù)。其次,我們要客觀的看待該領(lǐng)域我們自身與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,同時(shí)依靠自身的優(yōu)勢(shì),在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化方面取得更好的成績(jī),提高我國(guó)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研發(fā)、自主生產(chǎn)能力,在借鑒、尋求合作的同時(shí)更要注重自身在這方面的研究、探索,以便更好的解決活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝中的眾多難題,使活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造的世界工藝得到優(yōu)化。再次,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工藝優(yōu)化要針對(duì)其工藝生產(chǎn)中的問(wèn)題進(jìn)行研究,而且應(yīng)該將各方面的問(wèn)題進(jìn)行綜合研究,通過(guò)科學(xué)、簡(jiǎn)單、有效的方法進(jìn)行解決。例如,對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的氧化脫碳問(wèn)題的解決,可以通過(guò)預(yù)留足夠的碳余量,以確保復(fù)合材料中碳的含量。

      4 結(jié)語(yǔ)

      總之,自飛機(jī)誕生以來(lái),活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝發(fā)展就伴隨著航空、航天業(yè)的發(fā)展,當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的種類(lèi)已趨于多元化,特別使新材料的發(fā)現(xiàn)、生成及工藝技術(shù)的進(jìn)步,更給航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造帶來(lái)無(wú)線(xiàn)機(jī)遇,但活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展還有很大空間,優(yōu)化其生產(chǎn)工藝,就是推動(dòng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)及航天業(yè)發(fā)展的第一步。

      參考文獻(xiàn)

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      [2]徐斌,劉波,楊世春等.某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2014,(03):624-630.

      [3]吳江.航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流板組件反求設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2017,(07):65-66.

      [4]徐斌,譚龍興,楊世春等.飛機(jī)使用升限對(duì)增壓活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配要求[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(12):1642-1647.

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