基于蒙特卡洛模拟的缓冲器装配公差控制研究

1、    基于蒙特卡洛模拟的缓冲器装配公差控制研究    黄振孜【摘 要】缓冲器是飞机起落架上的重要液压系统件，在飞机起降过程中起到安全缓冲的作用，为了避免缓冲器结构自身出现硬性碰撞，在装配阶段需要对其压缩行程进行控制，而其压缩行程受到多个零件的结构特征影响，极易因公差累积导致超差。因此本文选择某飞机主起落架缓冲器作为研究对象，采用蒙特卡洛模拟法，测量分析相关结构特征的公差分布情况，并利用oracle crystal ball软件对最终的装配公差进行仿真模拟，再根据模拟情况对相关零件进行工艺改进及工程验证从而实现缓冲器的装配公差控制。【关键词】蒙特卡洛模拟

2、；缓冲器；装配公差一、引言缓冲器是飞机起落架上的重要液压系统件，一般由外筒、活塞、活塞杆等多个零件套装组成，在飞机起降、滑跑时缓冲器靠液压阻尼实现缓冲减速，起到安全保护的作用。因此，为了避免缓冲器承载压缩过程中自身结构出现硬性碰撞，需要对装配后的压缩行程进行准确控制，这样才能确保缓冲器在填充油气的状态下能够满足承载要求。而缓冲器作为较为复杂的装配件，其压缩行程受到多个零件的结构特征影响，每个独立的特征均有一定的加工误差，素有的加工误差累积到一起导致缓冲器在装配时压缩行程极易超差。针对这种由零件制造公差累积形成的装配公差，传统的控制方法为预装配法，就是在部分零件不安装密封件的状态下对缓冲器进行装

3、配，随后测量压缩行程，再根据测量结果选择零件进行返工，返工完成后再进行正式装配，但装配方法的返工率较高，导致装配周期难以控制。某飞机主起落架缓冲器采用了典型的油针式结构，属于结构相对复杂的缓冲器，在装配时需要同时控制高压腔与低压腔两处的压缩行程，根据以往的质量数据，其预装配的返工率接近15%，因此本文选其作为研究对象，采用蒙特卡洛模拟法，测量分析相关结构特征的公差分布情况，并利用oracle crystal ball软件对最终的装配公差进行仿真模拟，再根据模拟情况对相关零件进行工艺改进从而大幅降低其预装配的返工率。二、蒙特卡洛模拟的基本概念蒙特卡洛模拟也称为随机模拟方法，或随机抽样技术.它是一

4、种以概率论和数理统计为基础，通过对随机变量的统计实验、随机模拟来求解问题近似解的数值方法.它的主要思想是：为了求解数学、物理、化学及工程问题，建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然后通过对模型或过程的观察或抽样来计算所求参数的统计特征（如均值、概率等），作为待解问题的数值解，最后给出所求解的近似值，而解的精度可用估计值的方差来表示。蒙特卡洛模拟的步骤是：首先建立简单而又便于实现的概率分布模型，使分布模型的某些特征恰好是所求问题的解；再对分布模型进行随机模拟，其中包括建立产生伪随机数的方法和建立对所遇到的分布产生随机变量样本的随机抽样方法；最后建立各种统计量的估计，获得所求解的统

5、计估计值及其方差。三、緩冲器的装配公差分析（一）缓冲器结构简介某飞机主起落架缓冲器是典型的油针式缓冲器，其基本结构见图1，主要结构包括外筒、活塞杆、活塞、针杆等，装配状态下支撑螺母端面到活塞端面的距离就是压缩行程，最终压缩行程的要求是21±0.5。该缓冲器基本装配过程如下：首先将上活塞（装密封件）固定在外筒内，再依次装入活塞（装密封件）及芯杆；随后将筒盖（不装密封件）与支撑螺母套装在活塞杆上，随后装入外筒内并用大螺母固定，然后在上活塞与活塞间的充气嘴中冲入高压气体实现活塞的固定，再活动活塞杆至两侧极限位置测量其差值得出压缩行程实际值；并根据压缩行程实际值分解、返修支撑螺母或外筒，最后

6、将针杆装入活塞杆并在筒盖上安装密封件后将活塞杆及筒盖、支撑螺母、针杆协调装入外筒中并用大螺母固定。（二）概率分布模型的建立根据缓冲器的结构形式及装配过程可以分析出最终的压缩行程受到上活塞、芯杆、外筒、筒盖、支撑螺母的结构特征影响，具体尺寸关系见图2，因此，可以知道，预装配时的压缩行程a0=a1-（a2+a3+a4+a5+a6），其中a1a6均为零件加工的特征，根据以往的质量数据结合minitab软件可以拟合出其概率分布模型，具体情况见表1。（三）利用蒙特卡洛模拟进行装配公差分析结合表1的数据以及压缩行程a0的计算方式，将相关信息输入oracle crystal ball软件中即可进行蒙特卡洛模

7、拟，模拟次数设定为50万次，最终模拟情况见图3，可以看出模拟的结果是其压缩行程保持在20±0.5以内的概率约85.9%，与实际接近15%的返工率情况吻合。四、基于模拟情况的工艺改进及验证根据上述的分析情况可以看出，最终装配公差近似于正态分布，对其极值及标准差进行控制可以有效地提高其分布在20±0.5范围内的概率，因此，可以结合零件的工艺特点，对零件的加工公差进行控制，从而达到提高装配公差的目的，具体的改进要求及改进后的质量数据分布情况见表2。随后将表2的数据输入oracle crystal ball软件再次进行蒙特卡洛模拟，模拟次数仍然设定为50万次，最终模拟情况见图4，可

8、以看出模拟的结果是改进后缓冲器压缩行程保持在20±0.5以内的概率约96%，改进后的装配数量及返工数量见表3，其一次装配合格率约95.7%与蒙特卡洛模拟结果接近。五、结语综上所述，蒙特卡洛模拟仿真法可以模拟出在多个零件特征尺寸公差相互影响的状态下最终缓冲器装配公差的分布情况，借助这种方法能够有效对装配公差进行预测分析并实施控制，从而实现经济加工条件下大幅降低缓冲器装配返修率。这种方法对解决类似液压件的装配公差控制问题有一定的参考价值。【参考文献】这种方法对解决类似液压件的装配公差控制问题有一定的参考价值。1 李仲辉， 鲁世红. 考虑形位公差的装配公差分析j. 机械工程与自动化， 2010（3）：105-107.2 王太勇， 熊越东， 路世忠. 蒙特卡洛仿真法在尺寸及公差设计中的应用j. 农业机械学报， 2005， 36（5）：101-104.3 埃文斯， 杜本峰. 数据、模型与决策： 第4版m.北京：中国人民大学出版社， 2011.4李智勇，谢玉莲.机械装配技术基础m.