基于蒙特卡洛模擬的緩沖器裝配公差控制研究

黃振孜

【摘 要】緩沖器是飛機起落架上的重要液壓系統(tǒng)件，在飛機起降過程中起到安全緩沖的作用，為了避免緩沖器結(jié)構(gòu)自身出現(xiàn)硬性碰撞，在裝配階段需要對其壓縮行程進行控制，而其壓縮行程受到多個零件的結(jié)構(gòu)特征影響，極易因公差累積導致超差。因此本文選擇某飛機主起落架緩沖器作為研究對象，采用蒙特卡洛模擬法，測量分析相關(guān)結(jié)構(gòu)特征的公差分布情況，并利用Oracle Crystal Ball軟件對最終的裝配公差進行仿真模擬，再根據(jù)模擬情況對相關(guān)零件進行工藝改進及工程驗證從而實現(xiàn)緩沖器的裝配公差控制。

【關(guān)鍵詞】蒙特卡洛模擬；緩沖器；裝配公差

一、引言

緩沖器是飛機起落架上的重要液壓系統(tǒng)件，一般由外筒、活塞、活塞桿等多個零件套裝組成，在飛機起降、滑跑時緩沖器靠液壓阻尼實現(xiàn)緩沖減速，起到安全保護的作用。因此，為了避免緩沖器承載壓縮過程中自身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)硬性碰撞，需要對裝配后的壓縮行程進行準確控制，這樣才能確保緩沖器在填充油氣的狀態(tài)下能夠滿足承載要求。而緩沖器作為較為復雜的裝配件，其壓縮行程受到多個零件的結(jié)構(gòu)特征影響，每個獨立的特征均有一定的加工誤差，素有的加工誤差累積到一起導致緩沖器在裝配時壓縮行程極易超差。針對這種由零件制造公差累積形成的裝配公差，傳統(tǒng)的控制方法為預裝配法，就是在部分零件不安裝密封件的狀態(tài)下對緩沖器進行裝配，隨后測量壓縮行程，再根據(jù)測量結(jié)果選擇零件進行返工，返工完成后再進行正式裝配，但裝配方法的返工率較高，導致裝配周期難以控制。

某飛機主起落架緩沖器采用了典型的油針式結(jié)構(gòu)，屬于結(jié)構(gòu)相對復雜的緩沖器，在裝配時需要同時控制高壓腔與低壓腔兩處的壓縮行程，根據(jù)以往的質(zhì)量數(shù)據(jù)，其預裝配的返工率接近15%，因此本文選其作為研究對象，采用蒙特卡洛模擬法，測量分析相關(guān)結(jié)構(gòu)特征的公差分布情況，并利用Oracle Crystal Ball軟件對最終的裝配公差進行仿真模擬，再根據(jù)模擬情況對相關(guān)零件進行工藝改進從而大幅降低其預裝配的返工率。

二、蒙特卡洛模擬的基本概念

蒙特卡洛模擬也稱為隨機模擬方法，或隨機抽樣技術(shù).它是一種以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，通過對隨機變量的統(tǒng)計實驗、隨機模擬來求解問題近似解的數(shù)值方法.它的主要思想是：為了求解數(shù)學、物理、化學及工程問題，建立一個概率模型或隨機過程，使它的參數(shù)等于問題的解；然后通過對模型或過程的觀察或抽樣來計算所求參數(shù)的統(tǒng)計特征（如均值、概率等），作為待解問題的數(shù)值解，最后給出所求解的近似值，而解的精度可用估計值的方差來表示。

蒙特卡洛模擬的步驟是：首先建立簡單而又便于實現(xiàn)的概率分布模型，使分布模型的某些特征恰好是所求問題的解；再對分布模型進行隨機模擬，其中包括建立產(chǎn)生偽隨機數(shù)的方法和建立對所遇到的分布產(chǎn)生隨機變量樣本的隨機抽樣方法；最后建立各種統(tǒng)計量的估計，獲得所求解的統(tǒng)計估計值及其方差。

三、緩沖器的裝配公差分析

（一）緩沖器結(jié)構(gòu)簡介

某飛機主起落架緩沖器是典型的油針式緩沖器，其基本結(jié)構(gòu)見圖1，主要結(jié)構(gòu)包括外筒、活塞桿、活塞、針桿等，裝配狀態(tài)下支撐螺母端面到活塞端面的距離就是壓縮行程，最終壓縮行程的要求是21±0.5。該緩沖器基本裝配過程如下：首先將上活塞（裝密封件）固定在外筒內(nèi)，再依次裝入活塞（裝密封件）及芯桿；隨后將筒蓋（不裝密封件）與支撐螺母套裝在活塞桿上，隨后裝入外筒內(nèi)并用大螺母固定，然后在上活塞與活塞間的充氣嘴中沖入高壓氣體實現(xiàn)活塞的固定，再活動活塞桿至兩側(cè)極限位置測量其差值得出壓縮行程實際值；并根據(jù)壓縮行程實際值分解、返修支撐螺母或外筒，最后將針桿裝入活塞桿并在筒蓋上安裝密封件后將活塞桿及筒蓋、支撐螺母、針桿協(xié)調(diào)裝入外筒中并用大螺母固定。

（二）概率分布模型的建立

根據(jù)緩沖器的結(jié)構(gòu)形式及裝配過程可以分析出最終的壓縮行程受到上活塞、芯桿、外筒、筒蓋、支撐螺母的結(jié)構(gòu)特征影響，具體尺寸關(guān)系見圖2，因此，可以知道，預裝配時的壓縮行程A0=A1-（A2+A3+A4+A5+A6），其中A1～A6均為零件加工的特征，根據(jù)以往的質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合Minitab軟件可以擬合出其概率分布模型，具體情況見表1。

（三）利用蒙特卡洛模擬進行裝配公差分析

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)以及壓縮行程A0的計算方式，將相關(guān)信息輸入Oracle Crystal Ball軟件中即可進行蒙特卡洛模擬，模擬次數(shù)設(shè)定為50萬次，最終模擬情況見圖3，可以看出模擬的結(jié)果是其壓縮行程保持在20±0.5以內(nèi)的概率約85.9%，與實際接近15%的返工率情況吻合。

四、基于模擬情況的工藝改進及驗證

根據(jù)上述的分析情況可以看出，最終裝配公差近似于正態(tài)分布，對其極值及標準差進行控制可以有效地提高其分布在20±0.5范圍內(nèi)的概率，因此，可以結(jié)合零件的工藝特點，對零件的加工公差進行控制，從而達到提高裝配公差的目的，具體的改進要求及改進后的質(zhì)量數(shù)據(jù)分布情況見表2。

隨后將表2的數(shù)據(jù)輸入Oracle Crystal Ball軟件再次進行蒙特卡洛模擬，模擬次數(shù)仍然設(shè)定為50萬次，最終模擬情況見圖4，可以看出模擬的結(jié)果是改進后緩沖器壓縮行程保持在20±0.5以內(nèi)的概率約96%，改進后的裝配數(shù)量及返工數(shù)量見表3，其一次裝配合格率約95.7%與蒙特卡洛模擬結(jié)果接近。

五、結(jié)語

綜上所述，蒙特卡洛模擬仿真法可以模擬出在多個零件特征尺寸公差相互影響的狀態(tài)下最終緩沖器裝配公差的分布情況，借助這種方法能夠有效對裝配公差進行預測分析并實施控制，從而實現(xiàn)經(jīng)濟加工條件下大幅降低緩沖器裝配返修率。這種方法對解決類似液壓件的裝配公差控制問題有一定的參考價值。

【參考文獻】

這種方法對解決類似液壓件的裝配公差控制問題有一定的參考價值。

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