某發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)全姿態(tài)角度側(cè)滾臺(tái)架設(shè)計(jì)及仿真分析

張歡 張婷婷 肖志明 李霖

摘 要：針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)側(cè)滾姿態(tài)角度范圍有限，難以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)變化，為了模擬飛機(jī)各種飛行姿態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)需求，需建立涵蓋所有飛行姿態(tài)的試驗(yàn)臺(tái)。本文需針對(duì)現(xiàn)有姿態(tài)側(cè)滾臺(tái)架進(jìn)行分析，提出一個(gè)全姿態(tài)角度側(cè)滾臺(tái)架設(shè)計(jì)方案，并利用有限元軟件對(duì)其頻率特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，結(jié)果滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；全姿態(tài)角度；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：V216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0082-04

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)制造業(yè)“皇冠上的明珠”，發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)是考察發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行姿態(tài)包線內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的工作情況的特種試驗(yàn)，被列入“飛行前規(guī)定試驗(yàn)”結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一[1]由于發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行包線內(nèi)轉(zhuǎn)子受力、滑油壓力等各項(xiàng)參數(shù)變化幅度較大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的性能及工作穩(wěn)定性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、軸承的潤(rùn)滑等均有重大影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，飛機(jī)的更新?lián)Q代，各項(xiàng)性能的提高，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能也越來(lái)越高。能夠做出各種高難度的飛行姿態(tài)，所以現(xiàn)有的側(cè)滾姿態(tài)角度范圍難以滿(mǎn)足今后的試驗(yàn)要求。

目前國(guó)內(nèi)已有渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在側(cè)滾設(shè)備上與側(cè)功系統(tǒng)均固定在平臺(tái)上做俯仰運(yùn)動(dòng)。而側(cè)滾驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)功器之間，故發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)功器之間的傳動(dòng)軸系較長(zhǎng)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性不高。且側(cè)滾驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)因其自身能力的限制，其側(cè)滾角度最大只能實(shí)現(xiàn)±50°，極大的限制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大姿態(tài)側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的能力，對(duì)于較大姿態(tài)的側(cè)滾乃至于倒飛試驗(yàn)等要求難以滿(mǎn)足。如何實(shí)現(xiàn)側(cè)滾臺(tái)架全姿態(tài)角度運(yùn)動(dòng)，并滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功器之間傳動(dòng)軸盡量縮短的要求，是急需解決的問(wèn)題。本文介紹了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)的全姿態(tài)角度側(cè)滾臺(tái)架設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件對(duì)其頻率特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算，能在一定程度上指導(dǎo)試驗(yàn)過(guò)程，規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，確保其滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

1 全姿態(tài)角度側(cè)滾臺(tái)架方案設(shè)計(jì)

側(cè)滾運(yùn)動(dòng)姿態(tài)臺(tái)架的改進(jìn)方案擬設(shè)計(jì)為整體籠狀結(jié)構(gòu)，籠裝結(jié)構(gòu)即為發(fā)動(dòng)機(jī)共用基座，其前后兩端用軸承支撐，內(nèi)部有發(fā)動(dòng)機(jī)公用安裝基座，外部連接齒輪與液壓馬達(dá)連接。

全姿態(tài)側(cè)滾臺(tái)架的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架、支撐座、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、姿態(tài)保持系統(tǒng)（剎車(chē)系統(tǒng)）等組成。

其中發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架與齒輪和軸承內(nèi)圈固定，軸承外圈固定在支撐座上，可以通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架與發(fā)動(dòng)機(jī)一起做側(cè)滾方向的運(yùn)動(dòng)，并可通過(guò)剎車(chē)盤(pán)固定在當(dāng)前姿態(tài)。

傳動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為了不與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架架發(fā)生干涉，選擇安裝在基座下方，如圖2所示，液壓馬達(dá)采用豎置安裝，經(jīng)減速器減速后連接主動(dòng)輪，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架相連。剎車(chē)卡鉗固定在后軸承支座上。

液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示：整個(gè)控制系統(tǒng)包括1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、1臺(tái)二通道的伺服控制器、1臺(tái)伺服閥、1臺(tái)液壓馬達(dá)、1只角位移傳感器、1塊開(kāi)關(guān)量控制板卡，2臺(tái)電磁換向閥、2臺(tái)油缸。

該設(shè)計(jì)利用伺服電機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)代替原有的直線液壓缸與齒條驅(qū)動(dòng)，消除了行程限制，可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)角度的側(cè)滾；并且使用大型旋轉(zhuǎn)支承作為軸承，使發(fā)動(dòng)機(jī)可以從軸承內(nèi)環(huán)穿過(guò)，可大大縮短傳動(dòng)軸系長(zhǎng)度，增加試驗(yàn)的安全性。

2 仿真分析

發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)臺(tái)作為特種試驗(yàn)平臺(tái)，將面臨各種不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)的需求。為明確臺(tái)架對(duì)各不同性能發(fā)動(dòng)機(jī)的符合性，本節(jié)將對(duì)全姿態(tài)角度側(cè)滾臺(tái)架的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，可用于指導(dǎo)不同發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前的可行性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

由于該側(cè)滾臺(tái)架的零件組成多，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整體仿真計(jì)算難度較大，因此，需拆分后對(duì)各關(guān)鍵受力的零組件進(jìn)行仿真。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架的模態(tài)、支撐座的形變，驅(qū)動(dòng)齒輪的強(qiáng)度等進(jìn)行了仿真分析。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架模態(tài)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架作為與發(fā)動(dòng)機(jī)本體直接相固定的組件，其固有頻率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)的影響最大。因此本小節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架的各階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析，確保其固有頻率不在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架組件模型，模型材料均設(shè)置為鋼，其材料特性參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)置劃分網(wǎng)格劃分，計(jì)算其前4階固有頻率及對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速如表2所示，其1階固有頻率為191.13Hz，4階固有頻率為409.47Hz。這可以指導(dǎo)試驗(yàn)人員在操作發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)時(shí)需盡快越過(guò)共振頻率對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架的模態(tài)分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的共振頻率和臨界轉(zhuǎn)速。這對(duì)該側(cè)滾臺(tái)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程具有重大的指導(dǎo)作用，并能在一定程度上為試驗(yàn)中出現(xiàn)振動(dòng)故障的診斷分析等提供參考。

2.2 支撐座強(qiáng)度分析

支撐座是整個(gè)側(cè)滾臺(tái)架的主要受力部件，不僅需要其所受應(yīng)力在安全需用范圍內(nèi)，而且需要其不能產(chǎn)生較大的變形，否則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功器的同軸度，連接軸的軸向間隙等有重大的影響。

支撐座模型如圖4所示，材料設(shè)置為鋼材，其材料特性參數(shù)同表1。所畫(huà)網(wǎng)格數(shù)量合計(jì)36411，節(jié)點(diǎn)數(shù)合計(jì)64534。然后進(jìn)行約束與加載：將支撐座與導(dǎo)軌向接觸的底面固定，對(duì)支撐座兩端內(nèi)環(huán)面施加繞X軸方向的扭矩載荷135N.mm（發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩），并添加沿Z軸負(fù)方向的重力載荷（g=9.8m/s2）。

由于該側(cè)滾臺(tái)架用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)試驗(yàn)，其姿態(tài)位置隨俯仰平臺(tái)一起變化，其受重的方向也隨之改變，在支撐座旋轉(zhuǎn)90°后，其所受重力沿X方向（發(fā)動(dòng)機(jī)軸向），且受到另外的由發(fā)動(dòng)機(jī)和安裝架（質(zhì)量合計(jì)約400kg）的重力4000N，左右兩環(huán)各2000N，其在豎立時(shí)的受力狀態(tài)最為嚴(yán)苛。因此本文計(jì)算了支撐座水平放置和旋轉(zhuǎn)90°豎立時(shí)的受力情況。

支撐座在水平和豎直狀態(tài)下的平均應(yīng)力分布云圖如圖5所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在水平狀態(tài)下，支撐座所受最大應(yīng)力為1.03MPa；即使在最嚴(yán)苛的姿態(tài)下（支撐座豎直時(shí)），支撐座所受最大應(yīng)力也僅有11.2Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，安全系數(shù)在10以上，而在故該支撐座材料性能滿(mǎn)足要求。

支撐座在水平和豎直狀態(tài)下的變形位移云圖如6所示，在水平位置時(shí)，最大變形量約為0.009mm，主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩產(chǎn)生的變形，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)同軸度的影響不大。在豎直狀態(tài)下，其外緣頂端最大變形量約為0.16mm，主要是由于重力導(dǎo)致的沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向的變形，由此導(dǎo)致中軸偏轉(zhuǎn)角度小于0.02°，對(duì)其整體同軸度影響不大，發(fā)動(dòng)與測(cè)功器之間可使用彈性聯(lián)軸器較容易吸收該部分形變。此外，由于該計(jì)算為忽略與其相連的軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架等后的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架等的存在會(huì)大大加強(qiáng)整體的剛度，使其實(shí)際的形變量更小。故該支撐座剛度能滿(mǎn)足要求。

2.3 齒輪強(qiáng)度分析

齒輪是驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵受力部件，本方案所用齒輪組的參數(shù)如表3所示。

對(duì)齒輪組模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示。本計(jì)算主要考察的是齒強(qiáng)度，因此對(duì)齒面及其附近的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，以得到更為精確的結(jié)果。材料設(shè)置為鋼材，其材料特性參數(shù)同表1。對(duì)兩齒輪的中心軸施加圓柱約束，使之僅能繞各自中心旋轉(zhuǎn)，并對(duì)齒輪施加3kN·m的扭矩（驅(qū)動(dòng)側(cè)滾運(yùn)動(dòng)最大扭矩估算值，包含發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩以及重力因素、摩擦阻力等）。

根據(jù)上述約束和載荷條件計(jì)算，齒輪嚙合過(guò)程中1s內(nèi)的動(dòng)態(tài)最大等效應(yīng)力如圖8所示。在前0.1s內(nèi)，由于齒輪間存在間隙還未完全嚙合，在此期間不存在應(yīng)力應(yīng)變。在嚙合過(guò)程中，齒輪所受的最大應(yīng)力呈周期性變化，其峰值為331.09MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變?yōu)?.66×10-3mm。齒輪嚙合過(guò)程中的最大接觸應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示，其最大峰值為237.25MPa，若根據(jù)赫茲公式計(jì)算所得最大接觸應(yīng)力為228.46MPa，與軟件計(jì)算結(jié)果差別僅有3.7%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)側(cè)滾臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)了全側(cè)滾角度運(yùn)動(dòng)的突破，并具有軸系短，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。并利用有限元軟件對(duì)其頻率特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了各關(guān)鍵部位的頻率特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)，這對(duì)以后發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前的可行性分析，試驗(yàn)過(guò)程中的操作注意事項(xiàng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)過(guò)程以及可能出現(xiàn)故障的診斷分析等具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 龍合良，唐名揚(yáng).渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)姿態(tài)臺(tái)架方案設(shè)計(jì)探討[C].中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.