微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與誤差分析

朱洪基 趙 帥

（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191）

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與誤差分析

朱洪基 趙 帥

（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191）

本文介紹了一種新型的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)，闡述臺(tái)架的結(jié)構(gòu)和原理，并從加工及裝配誤差、裝置內(nèi)阻力和傳感器引起的誤差三個(gè)方面對(duì)該裝置進(jìn)行分析，指出引起誤差的原因，并給出了減小及消除這些誤差的建議。

誤差分析 推力測(cè)量 試車臺(tái)

引言

作為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的核心參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量推力在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和交付過程中十分重要[1]。目前，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的測(cè)量通常采用彈簧片支撐式的臺(tái)架結(jié)構(gòu)，由定架、動(dòng)架和彈簧片組成。其中，定架與基礎(chǔ)剛性連接。動(dòng)架通過彈簧片支撐在定架上，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在動(dòng)架上。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在推力作用下，通過動(dòng)架與定架之間產(chǎn)生微小的位移使傳感器形變，從而計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力[2]。這兩種試驗(yàn)臺(tái)架廣泛應(yīng)用于大推力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)量。但是，對(duì)于體積和推力均較小的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，這種試車臺(tái)架顯得復(fù)雜且精度較低，且許多微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制單位不具備制造這種試車臺(tái)架的條件[3]，為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制帶來困難。本文設(shè)計(jì)了一種新型的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)，有效解決了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車推力測(cè)量的問題。

1 推力測(cè)量系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)量系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)架、稱重傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等。其中，試驗(yàn)臺(tái)架采用自主設(shè)計(jì)的懸掛式結(jié)構(gòu)，下文將會(huì)詳細(xì)介紹。稱重傳感器采用CFBLSM-100kg型拉壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊使用ADAM-4018和ADAM-4520，計(jì)算機(jī)端采用NI的Labview和VC++來編寫推力測(cè)量系統(tǒng)的軟件。試驗(yàn)時(shí)，傳感器將推力大小的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī)，通過編寫的軟件對(duì)推力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。該臺(tái)架由定架、杠桿、滑塊和滾子等組成。杠桿的下端通過卡箍與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，杠桿的上端裝有滾子，滾子夾在兩個(gè)滑塊之間，兩個(gè)滑塊只能沿導(dǎo)軌水平方向滑動(dòng)。兩個(gè)滑塊分別與傳感器相連。試驗(yàn)前，根據(jù)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力值對(duì)傳感器施加預(yù)緊力。根據(jù)杠桿作用的原理，當(dāng)推力作用在杠桿的下端時(shí)，杠桿的上端產(chǎn)生相應(yīng)大小的力。這時(shí)，通過滾子和滑塊的接觸，將杠桿上端垂直于杠桿力臂的力轉(zhuǎn)化為水平方向的力，并分別作用在兩端的傳感器上。

圖1 推力測(cè)量裝置

在兩傳感器中心軸線方向上，滾子時(shí)刻處于使受力平衡狀態(tài)。試車前，假設(shè)兩傳感器示數(shù)分別為FL和FR，則有：

試驗(yàn)過程中，假設(shè)此時(shí)兩傳感器示數(shù)分別為和FR＇，杠桿下FL＇端力臂與上端力臂之比為K，發(fā)動(dòng)機(jī)推力為T，則有：

通過上面的兩個(gè)方程，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)的推力：

2 誤差分析

本推力測(cè)量裝置誤差主要來源于以下方面[4]：（1）零件加工和裝配過程中的積累偏差；（2）機(jī)構(gòu)內(nèi)部阻力引起的誤差；（3）傳感器精度誤差。

2.1 加工及裝配誤差

加工及裝配尺寸的偏差會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力線的偏斜或偏移，給推力測(cè)量帶來誤差，從而直接影響渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用時(shí)的姿態(tài)控制精度。推力偏心可用推力偏移、推力偏斜角等參數(shù)來表述。從測(cè)量裝置的原理出發(fā)可知，杠桿上端滾子與滑塊之間為線接觸，故可以有效防止推力偏移在此測(cè)量裝置中造成的影響。所以，在此推力測(cè)量裝置中，主要考慮推力偏斜角帶來的影響[5-6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)軸向在垂直于杠桿的平面內(nèi)與兩傳感器軸線間的偏斜角，通常由以下原因引起：滑塊軌道與傳感器中心線偏斜、兩對(duì)置傳感器同軸度差等。通過在支架與杠桿間安裝限位軸套，使用鉸制螺栓等方式，能有效減小此偏斜角。圖2為測(cè)力裝置在垂直于導(dǎo)軌平面的剖視圖，從中可以反映出各零件的裝配關(guān)系。其中，支架導(dǎo)軌、杠桿支架、限位軸套以及杠桿各自的加工精度以及相互的裝配誤差，決定了杠桿在水平面上的最大扭轉(zhuǎn)角。測(cè)量試制的各部件誤差，通過尺寸鏈計(jì)算，得到杠桿與限位套之間間隙為-0.05～+0.25mm。

圖2 垂直導(dǎo)軌平面剖視圖

由于角度偏斜對(duì)推力測(cè)量造成的相對(duì)誤差計(jì)算為：

其中α可由上面計(jì)算的最大間隙和杠桿的寬度計(jì)算得到。經(jīng)計(jì)算，δ為0.0028%。

吊架杠桿與豎直方向的角度偏差主要由初始安裝位置的偏差和測(cè)量過程中傳感器的變形量引起。由于杠桿吊架具有重力自調(diào)節(jié)的性質(zhì)，安裝過程中首先使自由的杠桿吊架達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行預(yù)緊力加載，以有效減小安裝造成的角度偏差。同時(shí)，在測(cè)量推力的過程中，S型的推力傳感器在收到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的變形量。將其簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，可求得傳感器變形量。杠桿受力分析如圖3所示。

圖3 杠桿豎直方向角度偏移

其中，θ為吊架杠桿與豎直方向的偏角，k杠桿力臂之比。于是，傳感器測(cè)量值F與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)推力T有如下關(guān)系：

同時(shí)，懸臂梁的撓曲線近似微分方程：

其中，F(xiàn)為傳感器收到的壓力，E為傳感器材料的彈性模量，I為梁截面的慣性矩，l為梁的長(zhǎng)度，x為F與固定端距離。代入傳感器的參數(shù)，最終求得傳感器總體變形量小于0.0053mm，cosθ≤5.77×10-11，即數(shù)值偏轉(zhuǎn)角對(duì)推力測(cè)量造成的影響可忽略不計(jì)。

2.2 測(cè)量裝置內(nèi)部阻力

測(cè)量裝置的內(nèi)部阻力是其固有的特性，無法徹底消除，但是可以通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低其影響。對(duì)于本測(cè)量裝置，內(nèi)部阻力來源有兩個(gè)方面：零件之間的摩擦力和發(fā)動(dòng)機(jī)重力分量。其中，各個(gè)零件之間的摩擦力包括：①杠桿支點(diǎn)處的滾針軸承摩擦力；②短臂端滾子與滑塊之間的摩擦力；③滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力；④傳感器限位銷與固定塊之間的摩擦力。測(cè)量過程中，裝置處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，故各靜摩擦力和重力分量相等。

根據(jù)兩傳感器示數(shù)進(jìn)行差分計(jì)算，得到：

從而，可有效消除裝置內(nèi)部阻力對(duì)測(cè)量的影響。

2.3 傳感器測(cè)量誤差

傳感器采用CFBLSM-100kg型拉力傳感器。該傳感器采用S型梁結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性強(qiáng)、滯后重復(fù)誤差低、瞬態(tài)響應(yīng)與頻率響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差低等一系列優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該傳感器可精確測(cè)量0～1000N推力，滿量程誤差不超過0.3N。由于推力的計(jì)算通過兩傳感器差分計(jì)算獲得，所以可以有效消除傳感器的溫度漂移、零點(diǎn)漂移以及其他環(huán)境因素引起的誤差。同時(shí)，為了提高傳感器測(cè)量精度，在試驗(yàn)臺(tái)架完成安裝后，要進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。此外，在長(zhǎng)期的試驗(yàn)過程中，還要經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。

表1 傳感器參數(shù)

3 結(jié)論

本文介紹了一種新型的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)。與彈簧片支撐式試車臺(tái)不同，該試車臺(tái)采用懸掛式結(jié)構(gòu)，通過杠桿與滑塊的組合，將發(fā)動(dòng)機(jī)推力轉(zhuǎn)化為對(duì)傳感器的壓力，從而測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)該推力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，其系統(tǒng)誤差主要來源于推力線偏斜和試驗(yàn)儀表誤差兩方面。該推力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于調(diào)試，建成后的多次試車試驗(yàn)表明，其測(cè)得的推力數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，適合微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力的測(cè)量。

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[4]焦獻(xiàn)瑞.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架推力測(cè)量誤差[J].航空計(jì)測(cè)技術(shù)，1995，15（2）：20-22.

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[7]楊曉，王歡.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2012，（2）：18-20.

Design and Error Analysis of the Thrust Measuring Device for Micro Aero-engine

ZHU Hongji, ZHAO Shuai
(Institute of Beijing university of aeronautics and astronautics energy and power engineering,Beijing 100191)

This paper introduces a new type of micro turbojet engine thrust measurement test bench system. Then analyzed the errors due to the processing and assembling, the errors due to the internal resistance and sensors. At the same time, illustrated the causes of these errors, and introduced on how to reduce and eliminate these errors.

error, thrust measurement, test bench