某型航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)動力學仿真分析

呂 勝

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

附件傳動系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要部件，工作時從發(fā)動機提取功率用于驅(qū)動飛機和發(fā)動機附件，保證飛機和發(fā)動機電力設(shè)備、燃油、液壓和滑油系統(tǒng)等正常工作[1]，在發(fā)動機研制過程中會進行各種整機試驗以及部件試驗來考核附件傳動系統(tǒng)的強度及振動特性，試驗是驗證設(shè)計和進行排故的有效手段。但是用試驗來測量附件傳動系統(tǒng)傳動鏈中每個齒輪的系統(tǒng)動力學響應(yīng)，其經(jīng)濟性及可行性都比較低；同時它受零部件空間結(jié)構(gòu)的限制，試驗周期長，特別對于一些在研發(fā)動機，還沒有實物的情況下，設(shè)計人員需要提前了解整個附件傳動鏈的振動響應(yīng)情況，及時查找出傳動鏈的薄弱環(huán)節(jié)，并進行改進設(shè)計，縮短研發(fā)周期，就需要比試驗更便捷、可行的方法來得到傳動鏈的系統(tǒng)動力學響應(yīng)。

筆者采用英國賽瑪特傳動技術(shù)有限公司開發(fā)的MASTA軟件構(gòu)建某航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)仿真分析模型，計算Z8齒輪處系統(tǒng)振動響應(yīng)，與試驗結(jié)果相互驗證。

1 MASTA簡介

MASTA軟件是一款集成的CAE軟件包，它具有功能強大、應(yīng)用面廣、實用性強且參數(shù)化設(shè)計的特點，可以對整個齒輪箱或傳動系統(tǒng)進行設(shè)計、建模、分析及優(yōu)化，降低設(shè)計及開發(fā)的成本和周期，目前在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定成果，且有專用的航空版，它可以模擬整個附件傳動系統(tǒng)，按載荷譜加載真實工況，計算系統(tǒng)變形，從而在系統(tǒng)環(huán)境和全工況條件下對機匣、齒輪、軸、軸承等附件傳動系統(tǒng)零部件進行強度、振動、壽命及系統(tǒng)動力學進行分析，本文僅詳細介紹附件傳動系統(tǒng)動力學響應(yīng)的計算方法及結(jié)果的驗證。

2 仿真計算

利用MASTA軟件對某型航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)進行仿真計算，尋找振動響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速，為查找故障原因提供理論支撐。

2.1 系統(tǒng)故障

某型航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)中Z8齒輪在輻板根部減輕孔處出現(xiàn)裂紋并向外擴展，直至整個輻板過載斷裂(如圖1所示)，導致傳動失效，發(fā)動機空中斷油停車。

該發(fā)動機的整個附件傳動鏈如圖2所示[2]，故障齒輪為圖中Z8齒輪，經(jīng)附件傳動系統(tǒng)部件試驗和分析確定故障主要原因為：Z8齒輪處振動響應(yīng)過大(試驗測得慢車轉(zhuǎn)速附件Z8齒輪處振動加速度峰值最大達到67 g，大狀態(tài)時振動加速度峰值最大達到250 g)，長時間工作累積損傷，導致齒輪輻板疲勞斷裂。

圖1 故障齒輪圖

圖2 附件傳動鏈簡圖

2.2 系統(tǒng)建模

此研究的某航空發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)主要包括的零部件有齒輪、機匣、定位軸和軸承，建模過程按零部件類型可以分為兩類：內(nèi)部系統(tǒng)建模和全有限元零件導入。

對于結(jié)構(gòu)相對簡單的定位軸、軸承、齒輪及相關(guān)連接件，可以通過MASTA軟件內(nèi)部的功能模塊進行參數(shù)化建模，并根據(jù)需要通過調(diào)整參數(shù)修改模型，本文建立的某航空發(fā)動機附件齒輪鏈模型如圖3所示。

對于復(fù)雜的齒輪軸及附件機匣采用全有限元模型導入的方法，首先將其在通用有限元軟件ANSYS中進行網(wǎng)格劃分，形成全有限元模型，這樣零部件的質(zhì)量、剛度以及模態(tài)等信息更加準確，形成的有限元模型通過MASTA軟件中的接口模塊導入，并與2.2中建立的內(nèi)部系統(tǒng)模型一起形成完整的傳動系統(tǒng)模型(見圖4)。

圖3 齒輪傳動鏈系統(tǒng)模型

圖4 附件傳動系統(tǒng)模型

2.3 邊界條件設(shè)置

本次仿真計算結(jié)果要與部件試驗結(jié)果進行對比，所以邊界條件設(shè)置與部件試驗相同，振動試驗時在中傳動匣上垂直Z8齒輪的軸承座處，設(shè)置1#測點(見圖5)測量徑向振動加速度；在中傳動匣上垂直Z10齒輪的軸承座處設(shè)置2#測點測量徑向振動加速度，仿真計算時也在同樣的位置添加振動加速度響應(yīng)輸出點，仿真計算時與振動試驗時各附件的提取功率相同。

圖5 試驗時測振點安排

2.4 仿真計算

在附件機匣安裝邊上添加符合實際工況的約束，在功率輸出位置添加相應(yīng)的載荷，然后運行MASTA軟件的動力學分析Gear Whine模塊，可查看兩個振動響應(yīng)輸出點振動加速度的瀑布響應(yīng)圖，在軟件仿真結(jié)果中選擇輸入軸轉(zhuǎn)速范圍8 600 r/min～17 032 r/min，在該范圍內(nèi)尋找主要振動響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速，并將計算響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速與試驗結(jié)果進行對比。

3 計算與試驗結(jié)果對比

1號測點振動響應(yīng)仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖6，2號測點振動響應(yīng)仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖7。

1號測點仿真分析得到的振動加速度與試驗振動加速度幅值及趨勢基本一致，仿真振動加速度峰值約為73 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15000 r/min附近，試驗振動加速度峰值約為67 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 200 r/min附近，兩者峰值的相對誤差為8.3%，兩者峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對誤差為1.3%。

2號測點仿真分析得到的振動加速度與試驗振動加速度幅值及趨勢也基本一致，仿真振動加速度峰值約為71 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 000 r/min附近，試驗振動加速度峰值約為66 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 300 r/min附近，兩者峰值的相對誤差為7.0%，兩者峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對誤差為2.0%。

圖6 測點1計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖7 測點2計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4 結(jié)束語

仿真計算得到的振動加速度峰值與試驗結(jié)果相對誤差最大為8.3%，建立的附件傳動系統(tǒng)仿真模型準確可靠，本方法同樣可以計算傳動鏈中其他齒輪的系統(tǒng)動力學響應(yīng)以及其它傳動鏈的系統(tǒng)動力學響應(yīng)，為附件傳動設(shè)計提供了新思路，縮短研發(fā)周期及降低研制費用。