提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力裝置軸向力同軸度的方法

陳 豪，龍創(chuàng)平

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)研究所，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)航天事業(yè)的大力支持以及對(duì)探索宇宙空間提出更多的要求，對(duì)航天器及其推進(jìn)系統(tǒng)的性能要求也日益增加。而發(fā)動(dòng)機(jī)的推力指標(biāo)是對(duì)航天器在宇宙空間運(yùn)動(dòng)性能最好的概述。由于目前研制發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不斷增加，對(duì)其推力指標(biāo)的測(cè)量也提出更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量其推進(jìn)力的測(cè)量裝置是該種發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。

其原理是用電缸加載裝置經(jīng)過(guò)某種方式拉動(dòng)測(cè)力標(biāo)定傳感器，標(biāo)定測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器，使傳感器達(dá)到要求的形變量并記錄該拉力；再將發(fā)動(dòng)機(jī)連在推力支座上，給測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器并施加推力，達(dá)到同樣的形變量并記錄該推力，兩種數(shù)據(jù)相互比較得到發(fā)動(dòng)機(jī)的有效指標(biāo)。

而影響該指標(biāo)的偏差主要由目標(biāo)力和標(biāo)定力每次的連接方式所引起的誤差導(dǎo)致。所以，本文主要從測(cè)量拉力的數(shù)學(xué)模型和兩側(cè)的連接方式闡述提高同軸度的方法

1 幾何模型的建立

由于標(biāo)定力與目標(biāo)力擬合度要求不小于99.9999%，而測(cè)力裝置的兩固定端的距離在81.5mm到235mm之間，拉力約為75N。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 數(shù)學(xué)模型Fig.1 Mathematical Model

設(shè)定標(biāo)定力為FC，目標(biāo)力FA，擬合度99.9999%≥，而且

則：cosα≤99.9999%，即：∠α≤0.08°

由于A的范圍在[81.5，235]

則

則拉力方向同軸度最大的偏移量應(yīng)小于0.115mm。

2 連接方式對(duì)比

目前測(cè)力裝置連接兩固定端的拉力方式有兩種，一種是通過(guò)金屬絲連接，一種是通過(guò)金屬拉桿的連接。

2.1 金屬絲的連接

采用金屬絲的連接方式具有的優(yōu)點(diǎn)是金屬絲本身很輕且為柔性，基本可以忽略金屬絲對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

根據(jù)該原理建立相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2所示。

圖2 金屬絲連接模型Fig.2 Wire connection model

金屬絲兩端均與轉(zhuǎn)接環(huán)連接，見(jiàn)圖3。轉(zhuǎn)接環(huán)再分別連接到傳感器和力加載裝置上。而轉(zhuǎn)接環(huán)的金屬絲連接孔做成錐臺(tái)形式，錐臺(tái)一端為φ0.2mm的小孔，另一端按照一定角度制作成錐形。金屬絲穿過(guò)錐臺(tái)的小孔，在錐臺(tái)的另一端打一到兩個(gè)小結(jié)，再使用錫焊固定在錐臺(tái)側(cè)。

金屬絲材料：銅絲；

轉(zhuǎn)接環(huán)材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N；

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，存在的問(wèn)題主要有以下兩點(diǎn)：①金屬絲的強(qiáng)度不足于支撐測(cè)量力的大小，導(dǎo)致金屬絲被直接拉斷；②金屬絲在轉(zhuǎn)接環(huán)固定的拉力不足于支撐測(cè)量力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，金屬絲會(huì)直接從轉(zhuǎn)接環(huán)上被拉脫。

圖3 轉(zhuǎn)接環(huán)連接圖示Fig.3 Connecting ring diagram

可知推力軸線(xiàn)上的金屬絲需要承受與發(fā)動(dòng)機(jī)同樣大小的力，而由于金屬絲一般直徑只有φ0.2mm，所以很容易出現(xiàn)力加載時(shí)，金屬絲拉脫或者直接斷裂的情況發(fā)生。該情況的發(fā)生直接影響到推力測(cè)量試驗(yàn)的正常進(jìn)行，影響產(chǎn)品試驗(yàn)的可靠性。

2.2 金屬拉桿的連接

采用金屬拉桿的連接方式的優(yōu)點(diǎn)是拉桿對(duì)拉力的變化大小不敏感，可承受較大拉力，剛性好，不易受到柔性材料的彈性變形影響。

根據(jù)該原理建立相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4所示。

設(shè)計(jì)采用拉環(huán)與拉桿連接方式，拉環(huán)1與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝側(cè)連接固定，拉桿與傳感器連接固定，拉桿前端設(shè)置有拉環(huán)2，該拉環(huán)帶有中心軸可以與拉環(huán)1接觸并拉動(dòng)。

圖4 金屬拉桿接模型Fig.4 Metal rod connection model

拉桿與拉環(huán)材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該方案可承受測(cè)量拉力。但是由于拉環(huán)2的軸與拉環(huán)1的環(huán)由于不可能完全同軸度一致，所以在初期接觸的時(shí)間里，測(cè)量的拉力的豎直并不是一個(gè)穩(wěn)定的線(xiàn)性數(shù)值，而是波浪無(wú)規(guī)則變化的。當(dāng)拉環(huán)與軸拉直處于同一軸線(xiàn)時(shí)，拉力數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，線(xiàn)性變化。

根據(jù)兩種連接方式的對(duì)比，采用拉桿的方式測(cè)量拉力。

2.3 金屬拉桿連接方式的討論

金屬拉桿的連接方式相比于金屬絲而言，其中間過(guò)渡環(huán)節(jié)過(guò)多，影響同軸度精度的情況主要出現(xiàn)在元件與元件之間的螺紋連接處。傳感器兩端的同軸度最大相差為0.03mm，除此之外，螺紋連接處還有發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)與拉環(huán)1連接，拉環(huán)1與拉環(huán)2連接，拉桿與拉環(huán)，拉環(huán)與傳感器之間的同軸度均對(duì)測(cè)量有影響 （這里默認(rèn)以傳感器位置為檢測(cè)起點(diǎn)）。每處的同軸度約為0.02mm。

這里沒(méi)有考慮傳感器與電缸側(cè)同軸度的影響是因?yàn)闄z測(cè)位置在傳感器，所以同軸度的檢測(cè)均以傳感器為起始點(diǎn)。其兩側(cè)分別保證同軸度即可。

3 結(jié)論

采用該同軸度的設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力架測(cè)量擬合度滿(mǎn)足最終的技術(shù)要求。通過(guò)多次試驗(yàn)，滿(mǎn)足客戶(hù)要求并最終完成驗(yàn)收。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力架推力檢測(cè)的要求，即標(biāo)定力與目標(biāo)力之間擬合度在99.9999%以上，實(shí)際上是對(duì)傳感器所在軸線(xiàn)上同軸度的嚴(yán)格要求。在不改變結(jié)構(gòu)方案上即可滿(mǎn)足檢測(cè)要求。如果推力的擬合度要求更高，還可以加長(zhǎng)文中距離A（發(fā)動(dòng)機(jī)推力處于傳感器之間的距離），這樣可以盡量減少數(shù)學(xué)模型中α的角度，即可達(dá)到同軸度要求。

[1]盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安交通大學(xué)，2006.

[2]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]張江化.機(jī)械制造工藝[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.