張春月，邊　杰

(中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南株洲　412002)

0　引言

航空渦輪發(fā)動機通用規(guī)范(GJB241—87、GJB242—87)要求，發(fā)動機壓力平衡系統(tǒng)應提供合適的單向軸向載荷，以保證在發(fā)動機工作包線內(nèi)所有功率狀態(tài)下，不會因軸向力過大甚至超過止推軸承所允許的負荷而導致軸承損傷，也不會因軸向力過小甚至方向變換而引起軸承輕載打滑蹭傷，使軸承能在設計使用壽命期內(nèi)滿意地工作[1]。在飛行前規(guī)定試驗階段應完成轉(zhuǎn)子軸向力分析和實測驗證。

如何設計一種軸向力測試傳感器，使其結(jié)構(gòu)具有一定的通用性，能夠滿足不同型號發(fā)動機軸向力測試需要；并且能與軸承座結(jié)構(gòu)相匹配，使傳感器安裝位置處的結(jié)構(gòu)調(diào)整盡量小，這是發(fā)動機測試人員亟待解決的問題。

文中介紹了一種測量發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力的試驗方法，即在發(fā)動機轉(zhuǎn)子滾珠軸承外環(huán)前面或后面安裝一個貼有應變片橋路并帶多個軸向凸臺的機電式傳感器，可實時測量轉(zhuǎn)子向前或向后的軸向力。

1　軸向力測量傳感器設計

1．1傳感器結(jié)構(gòu)及設計原理

傳感器一般采用軸向兩邊交錯各帶n個周向均布凸臺的彈性環(huán)結(jié)構(gòu)，其中凸臺數(shù)n由發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力測量范圍及傳感器軸向允許的最大位移量決定。某型號所使用的一種典型傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其凸臺數(shù)n為6。

圖1　一種典型的傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器的內(nèi)徑φ內(nèi)與被測處軸承外環(huán)內(nèi)徑[2]相當、外徑φ外比軸承外環(huán)外徑尺寸稍小，徑向環(huán)寬為b。傳感器的軸向長度H包括1個橋臂厚度h、2個凸臺高度，凸臺周向?qū)挾葹閃。根據(jù)預測的轉(zhuǎn)子最大軸向力p、傳感器的內(nèi)徑φ內(nèi)、外徑φ外的尺寸決定n、H、h、b、W等參數(shù)。傳感器結(jié)構(gòu)周向展開圖見圖2，彈性環(huán)單跨力學模型及彎矩、撓度分布圖見圖3。

圖2　彈性環(huán)周向展開圖

圖3　彈性環(huán)單跨力學模型及彎矩、撓度分布圖

傳感器受到軸向載荷時，相當于在彈性環(huán)的單跨中點施加集中力，假設在圖2中A與B點的轉(zhuǎn)角θ和撓度Y均為0，如圖3所示，由于彈性環(huán)結(jié)構(gòu)對稱，載荷對稱，故AC與BC的變形也對稱。這可視為靜不定問題。經(jīng)過計算可得彈性環(huán)的軸向撓度或位移量為[3]：

(1)

式中：l為A、B凸臺之間的周向跨度；E為材料彈性模量；b為徑向環(huán)寬；h為彈性環(huán)橋臂厚度。

如果彈性環(huán)撓度或位移量過小，則傳感器不夠敏感；如果軸向位移量過大，則傳感器的線性度會變差，還可能會影響中央傳動齒輪的正常工作。經(jīng)過大量試驗表明，其撓度控制在0.035～0.060 mm間為佳。

彈性環(huán)的單跨最大彎矩M與凸臺根部的最大應力σ、應變ε值[3]分別為：

(2)

(3)

(4)

1．2應變片粘貼

為了方便說明，在圖2中定義C凸臺為正面凸臺，A、B凸臺為反面凸臺。彈性環(huán)的受力分析結(jié)果表明，每個正面凸臺和每個反面凸臺在正面的軸向投影的兩側(cè)靠根部處變形最大，即表面應變量最大，最大應變量由式(4)給出。因此，在緊靠這兩處沿周向粘貼應變片，能獲得最大應變信號，為了提高測量靈敏度，在同一面圓周均布粘貼8個應變片，其中4片受壓，4片受拉，組成全橋測試電路。每個橋臂為受相同方向應變的2個應變片串聯(lián)且受到同樣軸向力時，其電橋輸出電壓會增加1倍，或靈敏度提高1倍。應變片粘貼位置及引線示意圖見圖4。

圖4　彈性環(huán)上應變片粘貼位置及全橋接線圖

2　傳感器力學模型有限元分析

傳感器在最大軸向力作用下仍保持彈性變形是其可靠測量發(fā)動機軸向力的關鍵技術，為了驗證所設計的傳感器在軸向力測量過程中是否一直工作在線性區(qū)間，采用有限元法計算傳感器的軸向撓度，檢驗其軸向變形量與軸向載荷是否保持線性關系。

傳感器軸向受力分析示意圖見圖5，通過上下兩塊壓板來完成軸向加載，軸向載荷施加在上壓板圓心處。上下壓板的材料與彈性環(huán)相同。采用MSC/PATRAN進行有限元前處理，MSC/MARC進行接觸分析及有限元后處理。傳感器有限元網(wǎng)格模型如圖6所示，約束了A處的周向和軸向位移，B處和C處部分節(jié)點的周向位移，在相應位置處定義接觸。某傳感器軸向力測試范圍為0～5 000 N，在指定載荷下計算得到的位移結(jié)果見表1，由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，傳感器在0～5 000 N的軸向載荷范圍內(nèi)其軸向變形是線性的。在圖7中可以看出，傳感器凸臺處的位移量最大，這與2．1節(jié)中理論分析結(jié)果相吻合。有限元分析結(jié)果表明傳感器的設計是合理的。

圖5　傳感器軸向受力分析示意圖

圖6　傳感器有限元網(wǎng)格模型

圖7　傳感器在軸向載荷5000N時軸向位移分布

3　軸向力測量傳感器應用

3．1軸向力測量系統(tǒng)概述

軸向力測試系統(tǒng)組成如圖8所示，一般包括測量傳感器、應變測試儀及信號采集分析系統(tǒng)3部分。測試傳感器的安裝位置由測量處軸向力的方向決定。對于航空發(fā)動機系統(tǒng)，壓氣機轉(zhuǎn)子軸向力向前，因此測試傳感器需安裝在軸承外環(huán)前；渦輪轉(zhuǎn)子軸向力向后，測試傳感器安裝在軸承外環(huán)后面即可測出向后的軸向力。如果某些特殊情況下軸向力方向未知，或者發(fā)動機因排故需要要求同時測量轉(zhuǎn)子向前、向后軸向力，則需按照圖8所示方式在軸承外環(huán)前后各安裝一個傳感器。

表1　傳感器軸向位移計算結(jié)果

圖8　軸向力測試系統(tǒng)組成

傳感器輸出應變信號，通過專門的傳感器校準試驗，得到應變量與軸向載荷量的關系，從而將應變值轉(zhuǎn)換為軸向力值。同時將轉(zhuǎn)速信號及軸向力信號接入數(shù)采系統(tǒng)，得到任意轉(zhuǎn)速下的軸向力數(shù)值。根據(jù)測試位置處滾珠軸承所能承受載荷的范圍來判斷該發(fā)動機壓力平衡系統(tǒng)提供的載荷是否合適。

3．2軸向力測試系統(tǒng)誤差分析

軸向力測試系統(tǒng)誤差主要包括測試傳感器精度及測試儀器引起的誤差。軸向力測量傳感器經(jīng)過校準試驗后，常溫下其測試精度在±0.5%以內(nèi)。由于傳感器在發(fā)動機中的實際工作溫度可達到130 ℃左右，高溫下會引起應變片溫度漂移。因此在傳感器設計上采用了20～130 ℃溫漂很小的一種進口應變片，經(jīng)過大量試驗驗證，應變片溫漂引起的軸向力測量誤差在±3%以內(nèi)。一般情況下，測試儀器引起的誤差在±0.5%以內(nèi)，因此軸向力測試系統(tǒng)誤差總量在±4%以內(nèi)，能夠滿足工程測試需要。

3．3軸向力測量傳感器應用

某型壓氣機轉(zhuǎn)子軸向力測試曲線如圖9所示?？梢钥闯觯S向力數(shù)值保持正值，即軸向力方向一直向前，并且大小隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大而增大，減小而減小。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定時，軸向力測試曲線為一條平直線，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)階梯狀變化。在發(fā)動機停車后，軸向力也跟隨歸零，可見傳感器安裝情況良好，與軸承座之間并無卡滯現(xiàn)象，軸向力測試結(jié)果真實、可靠。

圖9　某型壓氣機轉(zhuǎn)子軸向力測量曲線

4　結(jié)論

介紹了一種用于航空發(fā)動機軸向力測量的機電式傳感器的設計方法和技巧。根據(jù)發(fā)動機主軸承參數(shù)及其支承結(jié)構(gòu)的特點和預計的軸向載荷范圍，可設計出合適的軸向力傳感器。通過安裝單個傳感器測量單向力，在軸承外環(huán)前后各安裝一個傳感器同時測量向前、向后的軸向力。在傳感器上圓周均布粘貼8個應變片并接成全橋，使其靈敏度提高1倍，且降低了轉(zhuǎn)子軸向力偏載引起的誤差。采用有限元方法對傳感器進行了力學分析，確保了傳感器工作在彈性范圍內(nèi)，即傳感器軸向變形量與軸向載荷量呈線性關系，從而保證測試結(jié)果準確、可靠。最后介紹了傳感器在某型發(fā)動機上實際應用情況，給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)子在各種轉(zhuǎn)速下的軸向力數(shù)據(jù)曲線。目前使用該測量傳感器已成功完成多種型號多臺次發(fā)動機的軸向力測量試驗。結(jié)果表明，該測試傳感器能夠精確、可靠地完成軸向力測試試驗。

參考文獻：

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