航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片飛脫裝置設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，制造缺陷、材料疲勞或外物撞擊（如吞冰、鳥撞）等因素可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂，脫落的碎片可能會(huì)打壞機(jī)匣、附件或其他葉片，甚至擊穿飛機(jī)機(jī)體，嚴(yán)重影響飛行安全。因此，葉片飛脫是航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航包容試驗(yàn)中非常重要的步驟，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大工作轉(zhuǎn)速時(shí),使葉片由葉根截面處斷裂飛脫,考核斷葉能否被機(jī)匣包容而不對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷。

為了減輕葉片飛脫造成的損壞，如圖1所示，適航審定部門對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提出了包容性要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段須進(jìn)行部件試驗(yàn)和整機(jī)包容試驗(yàn)。在進(jìn)行包容性試驗(yàn)時(shí)，需要采用機(jī)械或爆炸的方法造成葉片脫落或斷裂，對(duì)葉片飛脫進(jìn)行模擬。另外，葉片飛脫會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子突加不平衡載荷，其大小與飛脫轉(zhuǎn)速的平方成正比，若能精準(zhǔn)控制飛脫轉(zhuǎn)速，即可準(zhǔn)確計(jì)算突加不平衡載荷的大小，有助于提升試驗(yàn)品質(zhì)。目前常用的葉片飛脫方法大多操作難度大、危險(xiǎn)性高，或難以精準(zhǔn)控制飛脫轉(zhuǎn)速。為此，本文設(shè)計(jì)了一種可以精準(zhǔn)控制飛脫轉(zhuǎn)速的電控夾具。

圖1 葉片斷裂對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷

電控飛脫夾具構(gòu)成

電控飛脫夾具主要由7個(gè)零部件組成：夾具底板、飛脫塊、鎖緊銷、限位棒、尼龍塊、電動(dòng)機(jī)和控制盒，如圖2所示。夾具的整體尺寸較小，長度可控制在150mm左右。由于結(jié)構(gòu)簡單，且電動(dòng)機(jī)和控制盒可直接購買成品，剩余零部件均可定制，所以制造成本較低。

圖2 電控飛脫夾具結(jié)構(gòu)

夾具底板是安裝所有零部件的重要結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)鉸制孔將底板安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬葉盤上。鎖緊銷的一端插在V形槽中。端部的安裝槽用于安裝飛脫塊，并約束飛脫塊在軸向上的位移。飛脫塊是模擬飛脫葉片的質(zhì)量塊，其長度可以根據(jù)不平衡載荷大小靈活設(shè)計(jì)。肋條插在安裝槽中，約束飛脫塊在軸向上的位移。鎖緊銷穿過通孔，約束飛脫塊在徑向上的位移。

限位棒由一個(gè)圓柱體加工而成，其一端的凸臺(tái)安裝在飛脫塊的盲孔中，對(duì)限位棒起到約束作用。限位棒的另一端加工有方形盲孔，用于安裝尼龍塊。尼龍塊是由尼龍或其他輕質(zhì)材料做成的，僅用于傳遞電動(dòng)機(jī)的扭矩。電動(dòng)機(jī)的扭矩通過尼龍塊傳遞到限位棒上，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)限位棒轉(zhuǎn)動(dòng)。限位棒中間設(shè)計(jì)有通孔，鎖緊銷可從該通孔中掉落?？刂坪屑闪穗姵睾涂刂葡到y(tǒng)，可通過無線遙控器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2所示的狀態(tài)為夾具的鎖緊狀態(tài)，此時(shí)鎖緊銷被限位棒頂死。頂死的鎖緊銷限制了飛脫塊的徑向位移，使之無法飛脫。試驗(yàn)操作員通過遙控器下達(dá)飛脫指令后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)限位棒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)通孔轉(zhuǎn)到鎖緊銷下方時(shí)，鎖緊銷掉落，那么飛脫塊將失去徑向約束，即可實(shí)現(xiàn)飛脫。在試驗(yàn)過程中，可以遠(yuǎn)距離通過無線遙控器操作，有效保障試驗(yàn)人員的人身安全。

飛脫試驗(yàn)流程

以CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)風(fēng)扇葉片包容性試驗(yàn)為例，其低壓轉(zhuǎn)子的飛脫轉(zhuǎn)速是5235r/min。試驗(yàn)時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至5235 r/min并保持25s，然后引爆炸藥釋放葉片。在開展飛脫試驗(yàn)時(shí)，讓轉(zhuǎn)子在飛脫轉(zhuǎn)速下停留一段時(shí)間，使轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)穩(wěn)定。對(duì)本文設(shè)計(jì)的電控飛脫夾具而言，葉片的釋放是完全可控的。在夾具結(jié)構(gòu)不失效的前提下，飛脫轉(zhuǎn)速是自由選定的，這提高了試驗(yàn)的靈活性。

調(diào)試設(shè)備無誤后，即可開展試驗(yàn)。將轉(zhuǎn)子開到試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，并在飛脫轉(zhuǎn)速上停留25s。操作員按下遙控開關(guān)，電動(dòng)機(jī)迅速響應(yīng)并帶動(dòng)限位棒轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)限位棒的通孔轉(zhuǎn)到鎖緊銷下方時(shí)，鎖緊銷在力的作用下掉入通孔內(nèi)，此時(shí)飛脫塊將在離心力的作用下飛脫。最終鎖緊銷、限位棒和質(zhì)量塊均脫離，所以飛脫質(zhì)量是三者的質(zhì)量之和。

飛脫夾具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

飛脫質(zhì)量是飛脫塊、鎖緊銷和限位棒的質(zhì)量之和，根據(jù)圖2的尺寸，其質(zhì)心所在的半徑是0.12m，質(zhì)量和為0.33kg，假設(shè)飛脫轉(zhuǎn)速是5000r/min，則飛脫時(shí)的突加不平衡載荷是10857N。接下來將以此載荷為依據(jù)，計(jì)算飛脫夾具中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

將夾具模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，設(shè)置各零件之間的接觸類型。其中將鎖緊銷與V形槽、飛脫塊與安裝槽的接觸類型設(shè)置為“摩擦”，在使用過程中，這些接觸面之間是可以相對(duì)滑移的。飛脫塊與鎖緊銷、飛脫塊與限位棒、鎖緊銷與限位棒在工作過程中（飛脫前），接觸面均處于貼合狀態(tài)，可能會(huì)相對(duì)滑移但不會(huì)發(fā)生分離，所以為這三者選擇的接觸類型是“不分離”。將夾具底板的兩個(gè)鉸制孔設(shè)置為“固定約束”，最后劃分網(wǎng)格，設(shè)置載荷大小即可求解。施加載荷的方式有兩種：第一種是直接在飛脫塊上施加一個(gè)等于突加不平衡載荷的力，第二種是給模型一個(gè)轉(zhuǎn)速（即飛脫轉(zhuǎn)速）。經(jīng)驗(yàn)證，上述兩種方式的計(jì)算結(jié)果基本一致，而第一種方式在設(shè)計(jì)階段使用更便捷，故本文展示的結(jié)果為第一種載荷施加方式下的計(jì)算結(jié)果，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 夾具整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

夾具的主體結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，在離心力的作用下，結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力均呈現(xiàn)出對(duì)稱的特點(diǎn)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在夾具底板的V形槽中，因此在設(shè)計(jì)、加工零部件時(shí)應(yīng)該做好倒圓角處理，以減少應(yīng)力集中。最大應(yīng)力為420MPa，材料可以選用牌號(hào)為65Mn的彈簧鋼，其屈服強(qiáng)度是785MPa（需熱處理），那么安全系數(shù)為1.87，滿足強(qiáng)度使用要求。

鎖緊銷的最大應(yīng)力出現(xiàn)在楔面下方的棱邊處（296MPa），這里與V形槽直接接觸，受力最大。在加工時(shí)可以考慮對(duì)此棱邊做倒斜角處理，以減少局部應(yīng)力集中。為了保證鎖緊銷不屈服，制造時(shí)應(yīng)選用強(qiáng)度較高的鋼材（如65Mn）。限位棒主要受到來自鎖緊銷的壓力，在此方向上應(yīng)力較大，為180MPa。飛脫塊在通孔孔邊的應(yīng)力較大（204MPa），其他地方的應(yīng)力較小。加工通孔時(shí)做倒斜角處理，便可降低孔邊的應(yīng)力?？紤]到整體應(yīng)力不大，可使用普通的鋼材（如Q235）制造限位棒和飛脫塊。

質(zhì)量配平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝飛脫夾具后，會(huì)給轉(zhuǎn)子帶來質(zhì)量偏心，因此需要設(shè)計(jì)與夾具對(duì)應(yīng)的質(zhì)量配平結(jié)構(gòu)，如圖4所示。配平結(jié)構(gòu)主要包括螺紋桿、配平塊、底座和標(biāo)準(zhǔn)緊固件（螺母、平墊、彈墊）。底座通過兩個(gè)鉸制孔安裝在葉盤上，中間銑出一道安裝槽，用于安裝和約束配平塊。底座左側(cè)銑出一個(gè)方形的缺口，這樣使配平結(jié)構(gòu)的質(zhì)心偏向外側(cè)，有利于質(zhì)量配平。將螺紋桿擰入底座中，并把一組螺母、彈墊、平墊套在螺紋桿上，將他們移到標(biāo)定的位置。配平塊和螺紋桿采用小間隙配合，以便于調(diào)整配平塊的位置。把配平塊放在標(biāo)定的位置，再裝入另外一組緊固件，然后同時(shí)擰緊兩邊的螺母，至此配平結(jié)構(gòu)安裝完成。

圖4 飛脫夾具及配平塊的安裝效果

在設(shè)計(jì)配平結(jié)構(gòu)時(shí)，可將其質(zhì)量設(shè)計(jì)成與飛脫夾具的質(zhì)量相接近，這會(huì)使質(zhì)量配平工作更簡單。在安裝飛脫夾具前，需測(cè)量其質(zhì)心位置。由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只需測(cè)量質(zhì)心所在的半徑即可。根據(jù)飛脫夾具的質(zhì)心位置，調(diào)節(jié)配平塊的位置，使配平結(jié)構(gòu)的質(zhì)心所在半徑與飛脫夾具的質(zhì)心所在半徑相等即可。使用配平結(jié)構(gòu)的好處是：若更換飛脫質(zhì)量，做不同突加不平衡載荷下的飛脫試驗(yàn)時(shí)，可直接通過調(diào)節(jié)配平塊的位置實(shí)現(xiàn)質(zhì)量配平，配平效率較高。

為了校核配平結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，設(shè)置配平塊與底座的接觸類型為“摩擦”，其他零件的接觸面為“綁定”。兩個(gè)鉸制孔設(shè)置為“固定約束”，旋轉(zhuǎn)中心是底座左側(cè)棱邊的中心。經(jīng)計(jì)算得到配平結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖5所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋桿的根部，為262MPa，可選用65Mn等屈服強(qiáng)度較高的材料制作螺紋桿。而底座、配平塊和緊固件上的應(yīng)力較?。ㄐ∮?0 MPa），選用普通鋼材制造即可。從仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的配平結(jié)構(gòu)是合理的，安全系數(shù)較高，若在更高的轉(zhuǎn)速下開展試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備也是足夠的。

圖5 配平結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

結(jié)束語

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中突加不平衡試驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠精準(zhǔn)控制飛脫轉(zhuǎn)速的電控飛脫夾具。試驗(yàn)測(cè)試及對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果表明，該夾具結(jié)構(gòu)精簡、使用便捷、響應(yīng)迅速、控制精度高，有助于提升飛脫試驗(yàn)的效率和品質(zhì)。