矢量推力模擬加載及測試校準技術研究

王洪博，李程，曾吾，俞錦，王辰辰

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

航空發(fā)動機的推力是鑒定其合格與否的重要參數(shù)之一。隨著矢量推力發(fā)動機的研制，對矢量推力的準確測試成為驗證發(fā)動機或推力矢量噴管基礎數(shù)據(jù)的有效措施。發(fā)動機矢量推力的測量直接關系到發(fā)動機矢量噴管的傾角的變化，從而決定飛行器的姿態(tài)和動作，因此，矢量推力的準確測試從很大程度上影響著發(fā)動機的研發(fā)、生產(chǎn)和試驗工作［1］。

為了適應于矢量推力發(fā)動機的試車試驗，國內(nèi)部分主機場所已經(jīng)研制或正在研制矢量推力發(fā)動機及發(fā)動機矢量推力試車臺，現(xiàn)有的發(fā)動機試車臺推力校準僅僅局限于對單個分量進行單獨校準，由單個力值分量再推導出矢量力，缺乏對多個分量同時校準的手段。這種做法和實際的情況存在較大誤差，不能滿足矢量推力準確測量的要求［2-4］。提出了對發(fā)動機試車臺施加標準矢量力進行校準的方法，具體校準過程采用兩種方案:一種是利用精確控制標準矢量力的加載方向和大小，串接高準確度單向力傳感器來復現(xiàn)標準力值的方法進行校準;另一種是利用一只多分量力傳感器作為比對標準進行矢量推力的校準，對兩種方案進行比較，得出可行的測試及校準方案。為了驗證設計方案的可行性，設計了一套簡易的模擬加載試驗裝置。

1 矢量推力模擬加載及測試系統(tǒng)

為了驗證標準矢量力加載系統(tǒng)設計方案的可行性以及熟悉加載系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝與配置情況，設計一套簡易的模擬加載試驗裝置，結(jié)構如圖1所示。長方體支架底板尺寸為770 mm×770 mm，厚100mm，支架高600 mm，立柱直徑80 mm，間距600 mm。在頂板中心安裝多分量力傳感器和半球體，在底板指定位置安裝連同楔形塊一起的標準矢量力加載機構，楔形塊上面連接由液壓缸、加載桿、標準力傳感器等構成的標準矢量力力源，通過手動控制液壓缸并配合楔形塊加載到預設壓力值。

圖1 模擬加載測試裝置簡圖

矢量推力模擬加載及測試系統(tǒng)的基本工作過程為:通過矢量力加載機構進行一定方向和角度的力值加載，連接在液壓缸活塞桿上的單分量力傳感器通過壓頭接觸上端的半球體球頭，加載的標準力值由單分量傳感器給出，與半球頭連接在一起的多分量力傳感器給出X，Y，Z三個方向的力值，通過系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)的采集及后處理。其中單分量力傳感器的輸出作為標準力值，三分量力傳感器X，Y，Z三方向的輸出作為參考。

模擬現(xiàn)場加載試驗系統(tǒng)裝置包括標準矢量力加載機構，單分量、多分量力傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，角度控制機構和專用連接機構。

1.1 標準矢量力加載機構

標準矢量力加載機構采用手動控制調(diào)節(jié)液壓缸的方式進行力值加載，建立現(xiàn)場加載的標準力源，系統(tǒng)簡單，操作靈活，結(jié)構如圖2所示。在液壓缸活塞桿上連接標準力傳感器，對液壓缸輸出力值進行實時監(jiān)測。標準力傳感器另一端連接加載桿，傳遞標準矢量力的輸出，手動控制機構供壓穩(wěn)定性好，操作方便。進油管路連接液壓缸的進油口，手動控制輸出通過二次儀表進行監(jiān)測實時反饋輸出力值的大小。

圖2 標準矢量力加載機構示意圖

1.2 力傳感器及其采集系統(tǒng)

單分量力傳感器選用HBM公司的Z4A單分量傳感器，量程為200 kN，非線性0.03%FS。根據(jù)傳感器的結(jié)構特點，力傳感器與液壓缸和加載桿的連接方式均為通過螺孔連接固定。傳感器在使用前經(jīng)過100 t標準測力機進行標定，電壓放大器選用ENDEVCO136，供電電壓5 V，放大倍數(shù)500倍，得到傳感器工作直線方程

式中:y為電壓放大器輸出電壓值，V;x為加載的標準力值，kN。

多分量力傳感器選用的是KISTLER公司的9377C型三分量力傳感器，量程X/Y向±30 kN，Z向±150kN，非線性0.25%FS。放大器選用KISTLER公司的八通道電荷放大器，各方向靈敏度為

9377C型三分量力傳感器具有技術相對成熟、穩(wěn)定性好、頻率范圍寬和便于安裝等優(yōu)點。其另一個優(yōu)點在于它的機械結(jié)構，在多分量力傳感器的另一端安裝半球體球頭，同樣也是根據(jù)多分量力傳感器接觸面結(jié)構進行相應球頭安裝結(jié)構的設計，半球體球頭安裝件結(jié)構設計如圖3所示。利用該多分量力傳感器結(jié)構特點便于保證多分量力傳感器和半球體球頭軸線的一致性。

圖3 半球體球頭安裝件結(jié)構圖

1.3 角度控制機構

為了實現(xiàn)不同方向的矢量力加載，標準力源應能進行位置和方向的調(diào)整，因此設計加工了0°，5°，10°，15°和20°五種角度的楔形塊以實現(xiàn)固定角度的加載，在楔形塊后部連接一個鋼架底座，該底座利用圓周內(nèi)均布螺紋孔的方式輔助楔形塊實現(xiàn)加載系統(tǒng)在周向360°的調(diào)整。根據(jù)每次要調(diào)整的角度設計在楔形塊和鋼架上對應所需要的螺紋孔個數(shù)，在本項目中設計每次調(diào)整45°，均布了8個螺紋通孔。

2 系統(tǒng)軟件

矢量推力模擬測試系統(tǒng)的軟件主要包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示及計算結(jié)果三部分，軟件界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件界面

參數(shù)設置部分包含楔塊角度和旋轉(zhuǎn)角度的設置，楔塊角度可選0°，5°，10°，15°和20°，對應實際五種不同角度的楔形塊;旋轉(zhuǎn)角度可選0°，45°，90°、135°，180°，225°，270°和315°八種角度。

數(shù)據(jù)顯示部分包括單分量力傳感器輸出的標準加載力值F及多分量力傳感器輸出的X，Y，Z三個方向的力值。通過加載的標準單向力值F及楔塊角度、旋轉(zhuǎn)角度可以計算出X，Y，Z三個方向輸出的理論計算力值，和實際輸出的三個方向力值進行對比得到不同方向上的力值差值。

計算結(jié)果部分包括由多分量力傳感器測得的X，Y，Z三個方向力值計算得到的合成矢量力的力值大小及方向，另外計算分解得到了矢量力的合成角θ(對應楔塊角度)和合成角φ(對應旋轉(zhuǎn)角度)，并給出了和實際加載角度的差值。

3 矢量推力模擬加載及測試試驗

分別采用角度5°，15°和20°的楔形塊進行模擬加載試驗，以旋轉(zhuǎn)角度225°為例得到的試驗測試結(jié)果及輸出力值和誤差如表1所示。

表1 合成輸出力值及誤差

合成矢量力的角度及誤差如表2所示。

從表中可以得出如下規(guī)律:①在三個加載角度5°，15°和20°下施加不同力值時，隨著加載力值的增加，由三分量傳感器X，Y，Z三向輸出的力值計算得到合成矢量力的力值及角度誤差越來越大;②在相同加載力值時，隨著楔塊角度的增加，計算得到合成矢量力的力值及角度誤差越來越大。

表2 合成矢量力角度及誤差

分析原因如下:①對于相同的加載角度，加載力值越大，液壓加載裝置及試驗支架部分形變越大，因此造成實際加載角度改變越大;②對于相同的加載力值，楔塊角度越大，同樣形變越大，實際加載角度改變也越大。

4 結(jié)論

利用一只多分量力傳感器作為比對標準進行矢量推力的校準時存在比較大的誤差，主要原因有三分量力傳感器各方向力之間的耦合，三分量力傳感器各方向力本身的測量誤差以及在力的加載過程中支架的形變等因素。鑒于上述存在的問題，下一步擬開展利用一只高精度單向力傳感器校準的方法，加載力的角度由空間位置測量系統(tǒng)在每次加載時實時測量。

［1］黃知濤，胡正峰，郭偉民.W2P1微型渦噴發(fā)動機地面試車臺推力測量系統(tǒng)［J］.測控技術，1999(9):40-42.

［2］吳惠明，焦獻瑞.發(fā)動機試車臺推力測量系統(tǒng)中心加載現(xiàn)場校準技術研究［J］.計測技術，2009，29(1):28-30.

［3］SAE-AIR4951.Test Cell Thrust Measurement［S］.SAE，2011.

［4］尹驥，張有.航空發(fā)動機矢量推力測量方法簡介［C］//中國航空學會第十一屆發(fā)動機試驗與測試技術學術會.北京:中國航空學會，2012.