提高發動機推力裝置軸向力同軸度的方法

陳 豪，龍創平

（西安航天動力試驗研究所，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著國家對航天事業的大力支持以及對探索宇宙空間提出更多的要求，對航天器及其推進系統的性能要求也日益增加。而發動機的推力指標是對航天器在宇宙空間運動性能最好的概述。由于目前研制發動機型號不斷增加，對其推力指標的測量也提出更高的要求。發動機測量其推進力的測量裝置是該種發動機推力性能測量的關鍵設備。

其原理是用電缸加載裝置經過某種方式拉動測力標定傳感器，標定測量發動機傳感器，使傳感器達到要求的形變量并記錄該拉力；再將發動機連在推力支座上，給測量發動機傳感器并施加推力，達到同樣的形變量并記錄該推力，兩種數據相互比較得到發動機的有效指標。

而影響該指標的偏差主要由目標力和標定力每次的連接方式所引起的誤差導致。所以，本文主要從測量拉力的數學模型和兩側的連接方式闡述提高同軸度的方法

1 幾何模型的建立

由于標定力與目標力擬合度要求不小于99.9999%，而測力裝置的兩固定端的距離在81.5mm到235mm之間，拉力約為75N。根據現有結構建立數學模型，如圖1所示。

圖1 數學模型Fig.1 Mathematical Model

設定標定力為FC，目標力FA，擬合度99.9999%≥，而且

則：cosα≤99.9999%，即：∠α≤0.08°

由于A的范圍在[81.5，235]

則

則拉力方向同軸度最大的偏移量應小于0.115mm。

2 連接方式對比

目前測力裝置連接兩固定端的拉力方式有兩種，一種是通過金屬絲連接，一種是通過金屬拉桿的連接。

2.1 金屬絲的連接

采用金屬絲的連接方式具有的優點是金屬絲本身很輕且為柔性，基本可以忽略金屬絲對測量數據的影響。

根據該原理建立相應的試驗模型，如圖2所示。

圖2 金屬絲連接模型Fig.2 Wire connection model

金屬絲兩端均與轉接環連接，見圖3。轉接環再分別連接到傳感器和力加載裝置上。而轉接環的金屬絲連接孔做成錐臺形式，錐臺一端為φ0.2mm的小孔，另一端按照一定角度制作成錐形。金屬絲穿過錐臺的小孔，在錐臺的另一端打一到兩個小結，再使用錫焊固定在錐臺側。

金屬絲材料：銅絲；

轉接環材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N；

經過試驗，存在的問題主要有以下兩點：①金屬絲的強度不足于支撐測量力的大小，導致金屬絲被直接拉斷；②金屬絲在轉接環固定的拉力不足于支撐測量力，實驗過程中，金屬絲會直接從轉接環上被拉脫。

圖3 轉接環連接圖示Fig.3 Connecting ring diagram

可知推力軸線上的金屬絲需要承受與發動機同樣大小的力，而由于金屬絲一般直徑只有φ0.2mm，所以很容易出現力加載時，金屬絲拉脫或者直接斷裂的情況發生。該情況的發生直接影響到推力測量試驗的正常進行，影響產品試驗的可靠性。

2.2 金屬拉桿的連接

采用金屬拉桿的連接方式的優點是拉桿對拉力的變化大小不敏感，可承受較大拉力，剛性好，不易受到柔性材料的彈性變形影響。

根據該原理建立相應的試驗模型，如圖4所示。

設計采用拉環與拉桿連接方式，拉環1與發動機安裝側連接固定，拉桿與傳感器連接固定，拉桿前端設置有拉環2，該拉環帶有中心軸可以與拉環1接觸并拉動。

圖4 金屬拉桿接模型Fig.4 Metal rod connection model

拉桿與拉環材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N。

經過試驗，該方案可承受測量拉力。但是由于拉環2的軸與拉環1的環由于不可能完全同軸度一致，所以在初期接觸的時間里，測量的拉力的豎直并不是一個穩定的線性數值，而是波浪無規則變化的。當拉環與軸拉直處于同一軸線時，拉力數據趨于穩定，線性變化。

根據兩種連接方式的對比，采用拉桿的方式測量拉力。

2.3 金屬拉桿連接方式的討論

金屬拉桿的連接方式相比于金屬絲而言，其中間過渡環節過多，影響同軸度精度的情況主要出現在元件與元件之間的螺紋連接處。傳感器兩端的同軸度最大相差為0.03mm，除此之外，螺紋連接處還有發動機側與拉環1連接，拉環1與拉環2連接，拉桿與拉環，拉環與傳感器之間的同軸度均對測量有影響 （這里默認以傳感器位置為檢測起點）。每處的同軸度約為0.02mm。

這里沒有考慮傳感器與電缸側同軸度的影響是因為檢測位置在傳感器，所以同軸度的檢測均以傳感器為起始點。其兩側分別保證同軸度即可。

3 結論

采用該同軸度的設計，使發動機推力架測量擬合度滿足最終的技術要求。通過多次試驗，滿足客戶要求并最終完成驗收。

根據發動機推力架推力檢測的要求，即標定力與目標力之間擬合度在99.9999%以上，實際上是對傳感器所在軸線上同軸度的嚴格要求。在不改變結構方案上即可滿足檢測要求。如果推力的擬合度要求更高，還可以加長文中距離A（發動機推力處于傳感器之間的距離），這樣可以盡量減少數學模型中α的角度，即可達到同軸度要求。

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