矢量推力模擬加載及測試校準(zhǔn)技術(shù)研究

王洪博，李程，曾吾，俞錦，王辰辰

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)的推力是鑒定其合格與否的重要參數(shù)之一。隨著矢量推力發(fā)動機(jī)的研制，對矢量推力的準(zhǔn)確測試成為驗(yàn)證發(fā)動機(jī)或推力矢量噴管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效措施。發(fā)動機(jī)矢量推力的測量直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)矢量噴管的傾角的變化，從而決定飛行器的姿態(tài)和動作，因此，矢量推力的準(zhǔn)確測試從很大程度上影響著發(fā)動機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)和試驗(yàn)工作［1］。

為了適應(yīng)于矢量推力發(fā)動機(jī)的試車試驗(yàn)，國內(nèi)部分主機(jī)場所已經(jīng)研制或正在研制矢量推力發(fā)動機(jī)及發(fā)動機(jī)矢量推力試車臺，現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)試車臺推力校準(zhǔn)僅僅局限于對單個分量進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，由單個力值分量再推導(dǎo)出矢量力，缺乏對多個分量同時校準(zhǔn)的手段。這種做法和實(shí)際的情況存在較大誤差，不能滿足矢量推力準(zhǔn)確測量的要求［2-4］。提出了對發(fā)動機(jī)試車臺施加標(biāo)準(zhǔn)矢量力進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，具體校準(zhǔn)過程采用兩種方案:一種是利用精確控制標(biāo)準(zhǔn)矢量力的加載方向和大小，串接高準(zhǔn)確度單向力傳感器來復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的方法進(jìn)行校準(zhǔn);另一種是利用一只多分量力傳感器作為比對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行矢量推力的校準(zhǔn)，對兩種方案進(jìn)行比較，得出可行的測試及校準(zhǔn)方案。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，設(shè)計(jì)了一套簡易的模擬加載試驗(yàn)裝置。

1 矢量推力模擬加載及測試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性以及熟悉加載系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝與配置情況，設(shè)計(jì)一套簡易的模擬加載試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。長方體支架底板尺寸為770 mm×770 mm，厚100mm，支架高600 mm，立柱直徑80 mm，間距600 mm。在頂板中心安裝多分量力傳感器和半球體，在底板指定位置安裝連同楔形塊一起的標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載機(jī)構(gòu)，楔形塊上面連接由液壓缸、加載桿、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器等構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)矢量力力源，通過手動控制液壓缸并配合楔形塊加載到預(yù)設(shè)壓力值。

圖1 模擬加載測試裝置簡圖

矢量推力模擬加載及測試系統(tǒng)的基本工作過程為:通過矢量力加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定方向和角度的力值加載，連接在液壓缸活塞桿上的單分量力傳感器通過壓頭接觸上端的半球體球頭，加載的標(biāo)準(zhǔn)力值由單分量傳感器給出，與半球頭連接在一起的多分量力傳感器給出X，Y，Z三個方向的力值，通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及后處理。其中單分量力傳感器的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)力值，三分量力傳感器X，Y，Z三方向的輸出作為參考。

模擬現(xiàn)場加載試驗(yàn)系統(tǒng)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載機(jī)構(gòu)，單分量、多分量力傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，角度控制機(jī)構(gòu)和專用連接機(jī)構(gòu)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載機(jī)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載機(jī)構(gòu)采用手動控制調(diào)節(jié)液壓缸的方式進(jìn)行力值加載，建立現(xiàn)場加載的標(biāo)準(zhǔn)力源，系統(tǒng)簡單，操作靈活，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在液壓缸活塞桿上連接標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，對液壓缸輸出力值進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。標(biāo)準(zhǔn)力傳感器另一端連接加載桿，傳遞標(biāo)準(zhǔn)矢量力的輸出，手動控制機(jī)構(gòu)供壓穩(wěn)定性好，操作方便。進(jìn)油管路連接液壓缸的進(jìn)油口，手動控制輸出通過二次儀表進(jìn)行監(jiān)測實(shí)時反饋輸出力值的大小。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)矢量力加載機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 力傳感器及其采集系統(tǒng)

單分量力傳感器選用HBM公司的Z4A單分量傳感器，量程為200 kN，非線性0.03%FS。根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，力傳感器與液壓缸和加載桿的連接方式均為通過螺孔連接固定。傳感器在使用前經(jīng)過100 t標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，電壓放大器選用ENDEVCO136，供電電壓5 V，放大倍數(shù)500倍，得到傳感器工作直線方程

式中:y為電壓放大器輸出電壓值，V;x為加載的標(biāo)準(zhǔn)力值，kN。

多分量力傳感器選用的是KISTLER公司的9377C型三分量力傳感器，量程X/Y向±30 kN，Z向±150kN，非線性0.25%FS。放大器選用KISTLER公司的八通道電荷放大器，各方向靈敏度為

9377C型三分量力傳感器具有技術(shù)相對成熟、穩(wěn)定性好、頻率范圍寬和便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。其另一個優(yōu)點(diǎn)在于它的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在多分量力傳感器的另一端安裝半球體球頭，同樣也是根據(jù)多分量力傳感器接觸面結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)球頭安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，半球體球頭安裝件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。利用該多分量力傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)便于保證多分量力傳感器和半球體球頭軸線的一致性。

圖3 半球體球頭安裝件結(jié)構(gòu)圖

1.3 角度控制機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)不同方向的矢量力加載，標(biāo)準(zhǔn)力源應(yīng)能進(jìn)行位置和方向的調(diào)整，因此設(shè)計(jì)加工了0°，5°，10°，15°和20°五種角度的楔形塊以實(shí)現(xiàn)固定角度的加載，在楔形塊后部連接一個鋼架底座，該底座利用圓周內(nèi)均布螺紋孔的方式輔助楔形塊實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)在周向360°的調(diào)整。根據(jù)每次要調(diào)整的角度設(shè)計(jì)在楔形塊和鋼架上對應(yīng)所需要的螺紋孔個數(shù)，在本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)每次調(diào)整45°，均布了8個螺紋通孔。

2 系統(tǒng)軟件

矢量推力模擬測試系統(tǒng)的軟件主要包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及計(jì)算結(jié)果三部分，軟件界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件界面

參數(shù)設(shè)置部分包含楔塊角度和旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)置，楔塊角度可選0°，5°，10°，15°和20°，對應(yīng)實(shí)際五種不同角度的楔形塊;旋轉(zhuǎn)角度可選0°，45°，90°、135°，180°，225°，270°和315°八種角度。

數(shù)據(jù)顯示部分包括單分量力傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)加載力值F及多分量力傳感器輸出的X，Y，Z三個方向的力值。通過加載的標(biāo)準(zhǔn)單向力值F及楔塊角度、旋轉(zhuǎn)角度可以計(jì)算出X，Y，Z三個方向輸出的理論計(jì)算力值，和實(shí)際輸出的三個方向力值進(jìn)行對比得到不同方向上的力值差值。

計(jì)算結(jié)果部分包括由多分量力傳感器測得的X，Y，Z三個方向力值計(jì)算得到的合成矢量力的力值大小及方向，另外計(jì)算分解得到了矢量力的合成角θ(對應(yīng)楔塊角度)和合成角φ(對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度)，并給出了和實(shí)際加載角度的差值。

3 矢量推力模擬加載及測試試驗(yàn)

分別采用角度5°，15°和20°的楔形塊進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)，以旋轉(zhuǎn)角度225°為例得到的試驗(yàn)測試結(jié)果及輸出力值和誤差如表1所示。

表1 合成輸出力值及誤差

合成矢量力的角度及誤差如表2所示。

從表中可以得出如下規(guī)律:①在三個加載角度5°，15°和20°下施加不同力值時，隨著加載力值的增加，由三分量傳感器X，Y，Z三向輸出的力值計(jì)算得到合成矢量力的力值及角度誤差越來越大;②在相同加載力值時，隨著楔塊角度的增加，計(jì)算得到合成矢量力的力值及角度誤差越來越大。

表2 合成矢量力角度及誤差

分析原因如下:①對于相同的加載角度，加載力值越大，液壓加載裝置及試驗(yàn)支架部分形變越大，因此造成實(shí)際加載角度改變越大;②對于相同的加載力值，楔塊角度越大，同樣形變越大，實(shí)際加載角度改變也越大。

4 結(jié)論

利用一只多分量力傳感器作為比對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行矢量推力的校準(zhǔn)時存在比較大的誤差，主要原因有三分量力傳感器各方向力之間的耦合，三分量力傳感器各方向力本身的測量誤差以及在力的加載過程中支架的形變等因素。鑒于上述存在的問題，下一步擬開展利用一只高精度單向力傳感器校準(zhǔn)的方法，加載力的角度由空間位置測量系統(tǒng)在每次加載時實(shí)時測量。

［1］黃知濤，胡正峰，郭偉民.W2P1微型渦噴發(fā)動機(jī)地面試車臺推力測量系統(tǒng)［J］.測控技術(shù)，1999(9):40-42.

［2］吳惠明，焦獻(xiàn)瑞.發(fā)動機(jī)試車臺推力測量系統(tǒng)中心加載現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.計(jì)測技術(shù)，2009，29(1):28-30.

［3］SAE-AIR4951.Test Cell Thrust Measurement［S］.SAE，2011.

［4］尹驥，張有.航空發(fā)動機(jī)矢量推力測量方法簡介［C］//中國航空學(xué)會第十一屆發(fā)動機(jī)試驗(yàn)與測試技術(shù)學(xué)術(shù)會.北京:中國航空學(xué)會，2012.