航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力測量傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張春月，邊　杰

(中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲　412002)

0　引言

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范(GJB241—87、GJB242—87)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力平衡系統(tǒng)應(yīng)提供合適的單向軸向載荷，以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線內(nèi)所有功率狀態(tài)下，不會(huì)因軸向力過大甚至超過止推軸承所允許的負(fù)荷而導(dǎo)致軸承損傷，也不會(huì)因軸向力過小甚至方向變換而引起軸承輕載打滑蹭傷，使軸承能在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)滿意地工作[1]。在飛行前規(guī)定試驗(yàn)階段應(yīng)完成轉(zhuǎn)子軸向力分析和實(shí)測驗(yàn)證。

如何設(shè)計(jì)一種軸向力測試傳感器，使其結(jié)構(gòu)具有一定的通用性，能夠滿足不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力測試需要；并且能與軸承座結(jié)構(gòu)相匹配，使傳感器安裝位置處的結(jié)構(gòu)調(diào)整盡量小，這是發(fā)動(dòng)機(jī)測試人員亟待解決的問題。

文中介紹了一種測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力的試驗(yàn)方法，即在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子滾珠軸承外環(huán)前面或后面安裝一個(gè)貼有應(yīng)變片橋路并帶多個(gè)軸向凸臺(tái)的機(jī)電式傳感器，可實(shí)時(shí)測量轉(zhuǎn)子向前或向后的軸向力。

1　軸向力測量傳感器設(shè)計(jì)

1．1傳感器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

傳感器一般采用軸向兩邊交錯(cuò)各帶n個(gè)周向均布凸臺(tái)的彈性環(huán)結(jié)構(gòu)，其中凸臺(tái)數(shù)n由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力測量范圍及傳感器軸向允許的最大位移量決定。某型號所使用的一種典型傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其凸臺(tái)數(shù)n為6。

圖1　一種典型的傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器的內(nèi)徑φ內(nèi)與被測處軸承外環(huán)內(nèi)徑[2]相當(dāng)、外徑φ外比軸承外環(huán)外徑尺寸稍小，徑向環(huán)寬為b。傳感器的軸向長度H包括1個(gè)橋臂厚度h、2個(gè)凸臺(tái)高度，凸臺(tái)周向?qū)挾葹閃。根據(jù)預(yù)測的轉(zhuǎn)子最大軸向力p、傳感器的內(nèi)徑φ內(nèi)、外徑φ外的尺寸決定n、H、h、b、W等參數(shù)。傳感器結(jié)構(gòu)周向展開圖見圖2，彈性環(huán)單跨力學(xué)模型及彎矩、撓度分布圖見圖3。

圖2　彈性環(huán)周向展開圖

圖3　彈性環(huán)單跨力學(xué)模型及彎矩、撓度分布圖

傳感器受到軸向載荷時(shí)，相當(dāng)于在彈性環(huán)的單跨中點(diǎn)施加集中力，假設(shè)在圖2中A與B點(diǎn)的轉(zhuǎn)角θ和撓度Y均為0，如圖3所示，由于彈性環(huán)結(jié)構(gòu)對稱，載荷對稱，故AC與BC的變形也對稱。這可視為靜不定問題。經(jīng)過計(jì)算可得彈性環(huán)的軸向撓度或位移量為[3]：

(1)

式中：l為A、B凸臺(tái)之間的周向跨度；E為材料彈性模量；b為徑向環(huán)寬；h為彈性環(huán)橋臂厚度。

如果彈性環(huán)撓度或位移量過小，則傳感器不夠敏感；如果軸向位移量過大，則傳感器的線性度會(huì)變差，還可能會(huì)影響中央傳動(dòng)齒輪的正常工作。經(jīng)過大量試驗(yàn)表明，其撓度控制在0.035～0.060 mm間為佳。

彈性環(huán)的單跨最大彎矩M與凸臺(tái)根部的最大應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)胖礫3]分別為：

(2)

(3)

(4)

1．2應(yīng)變片粘貼

為了方便說明，在圖2中定義C凸臺(tái)為正面凸臺(tái)，A、B凸臺(tái)為反面凸臺(tái)。彈性環(huán)的受力分析結(jié)果表明，每個(gè)正面凸臺(tái)和每個(gè)反面凸臺(tái)在正面的軸向投影的兩側(cè)靠根部處變形最大，即表面應(yīng)變量最大，最大應(yīng)變量由式(4)給出。因此，在緊靠這兩處沿周向粘貼應(yīng)變片，能獲得最大應(yīng)變信號，為了提高測量靈敏度，在同一面圓周均布粘貼8個(gè)應(yīng)變片，其中4片受壓，4片受拉，組成全橋測試電路。每個(gè)橋臂為受相同方向應(yīng)變的2個(gè)應(yīng)變片串聯(lián)且受到同樣軸向力時(shí)，其電橋輸出電壓會(huì)增加1倍，或靈敏度提高1倍。應(yīng)變片粘貼位置及引線示意圖見圖4。

圖4　彈性環(huán)上應(yīng)變片粘貼位置及全橋接線圖

2　傳感器力學(xué)模型有限元分析

傳感器在最大軸向力作用下仍保持彈性變形是其可靠測量發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力的關(guān)鍵技術(shù)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳感器在軸向力測量過程中是否一直工作在線性區(qū)間，采用有限元法計(jì)算傳感器的軸向撓度，檢驗(yàn)其軸向變形量與軸向載荷是否保持線性關(guān)系。

傳感器軸向受力分析示意圖見圖5，通過上下兩塊壓板來完成軸向加載，軸向載荷施加在上壓板圓心處。上下壓板的材料與彈性環(huán)相同。采用MSC/PATRAN進(jìn)行有限元前處理，MSC/MARC進(jìn)行接觸分析及有限元后處理。傳感器有限元網(wǎng)格模型如圖6所示，約束了A處的周向和軸向位移，B處和C處部分節(jié)點(diǎn)的周向位移，在相應(yīng)位置處定義接觸。某傳感器軸向力測試范圍為0～5 000 N，在指定載荷下計(jì)算得到的位移結(jié)果見表1，由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，傳感器在0～5 000 N的軸向載荷范圍內(nèi)其軸向變形是線性的。在圖7中可以看出，傳感器凸臺(tái)處的位移量最大，這與2．1節(jié)中理論分析結(jié)果相吻合。有限元分析結(jié)果表明傳感器的設(shè)計(jì)是合理的。

圖5　傳感器軸向受力分析示意圖

圖6　傳感器有限元網(wǎng)格模型

圖7　傳感器在軸向載荷5000N時(shí)軸向位移分布

3　軸向力測量傳感器應(yīng)用

3．1軸向力測量系統(tǒng)概述

軸向力測試系統(tǒng)組成如圖8所示，一般包括測量傳感器、應(yīng)變測試儀及信號采集分析系統(tǒng)3部分。測試傳感器的安裝位置由測量處軸向力的方向決定。對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力向前，因此測試傳感器需安裝在軸承外環(huán)前；渦輪轉(zhuǎn)子軸向力向后，測試傳感器安裝在軸承外環(huán)后面即可測出向后的軸向力。如果某些特殊情況下軸向力方向未知，或者發(fā)動(dòng)機(jī)因排故需要要求同時(shí)測量轉(zhuǎn)子向前、向后軸向力，則需按照圖8所示方式在軸承外環(huán)前后各安裝一個(gè)傳感器。

表1　傳感器軸向位移計(jì)算結(jié)果

圖8　軸向力測試系統(tǒng)組成

傳感器輸出應(yīng)變信號，通過專門的傳感器校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到應(yīng)變量與軸向載荷量的關(guān)系，從而將應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為軸向力值。同時(shí)將轉(zhuǎn)速信號及軸向力信號接入數(shù)采系統(tǒng)，得到任意轉(zhuǎn)速下的軸向力數(shù)值。根據(jù)測試位置處滾珠軸承所能承受載荷的范圍來判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)壓力平衡系統(tǒng)提供的載荷是否合適。

3．2軸向力測試系統(tǒng)誤差分析

軸向力測試系統(tǒng)誤差主要包括測試傳感器精度及測試儀器引起的誤差。軸向力測量傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)試驗(yàn)后，常溫下其測試精度在±0.5%以內(nèi)。由于傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際工作溫度可達(dá)到130 ℃左右，高溫下會(huì)引起應(yīng)變片溫度漂移。因此在傳感器設(shè)計(jì)上采用了20～130 ℃溫漂很小的一種進(jìn)口應(yīng)變片，經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)變片溫漂引起的軸向力測量誤差在±3%以內(nèi)。一般情況下，測試儀器引起的誤差在±0.5%以內(nèi)，因此軸向力測試系統(tǒng)誤差總量在±4%以內(nèi)，能夠滿足工程測試需要。

3．3軸向力測量傳感器應(yīng)用

某型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力測試曲線如圖9所示。可以看出，軸向力數(shù)值保持正值，即軸向力方向一直向前，并且大小隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大而增大，減小而減小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定時(shí)，軸向力測試曲線為一條平直線，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)階梯狀變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，軸向力也跟隨歸零，可見傳感器安裝情況良好，與軸承座之間并無卡滯現(xiàn)象，軸向力測試結(jié)果真實(shí)、可靠。

圖9　某型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力測量曲線

4　結(jié)論

介紹了一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力測量的機(jī)電式傳感器的設(shè)計(jì)方法和技巧。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承參數(shù)及其支承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和預(yù)計(jì)的軸向載荷范圍，可設(shè)計(jì)出合適的軸向力傳感器。通過安裝單個(gè)傳感器測量單向力，在軸承外環(huán)前后各安裝一個(gè)傳感器同時(shí)測量向前、向后的軸向力。在傳感器上圓周均布粘貼8個(gè)應(yīng)變片并接成全橋，使其靈敏度提高1倍，且降低了轉(zhuǎn)子軸向力偏載引起的誤差。采用有限元方法對傳感器進(jìn)行了力學(xué)分析，確保了傳感器工作在彈性范圍內(nèi)，即傳感器軸向變形量與軸向載荷量呈線性關(guān)系，從而保證測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。最后介紹了傳感器在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)際應(yīng)用情況，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在各種轉(zhuǎn)速下的軸向力數(shù)據(jù)曲線。目前使用該測量傳感器已成功完成多種型號多臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力測量試驗(yàn)。結(jié)果表明，該測試傳感器能夠精確、可靠地完成軸向力測試試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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