某發動機姿態試車臺全姿態角度側滾臺架設計及仿真分析

張歡 張婷婷 肖志明 李霖

摘 要：針對某渦軸發動機姿態試車臺側滾姿態角度范圍有限，難以獲得發動機在整個飛行包線內的各項參數變化，為了模擬飛機各種飛行姿態下的發動機狀態，滿足航空發動機姿態試驗需求，需建立涵蓋所有飛行姿態的試驗臺。本文需針對現有姿態側滾臺架進行分析，提出一個全姿態角度側滾臺架設計方案，并利用有限元軟件對其頻率特性和結構強度進行了仿真計算分析，結果滿足試驗需求。

關鍵詞：航空發動機試驗；全姿態角度；仿真

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0082-04

航空發動機被譽為飛機制造業“皇冠上的明珠”，發動機姿態試驗是考察發動機在整個飛行姿態包線內發動機各系統的工作情況的特種試驗，被列入“飛行前規定試驗”結構試驗的重要項目之一[1]由于發動機在飛行包線內轉子受力、滑油壓力等各項參數變化幅度較大，對發動機各個部件的性能及工作穩定性，對發動機的振動、結構強度、軸承的潤滑等均有重大影響。隨著科學技術的不斷提高，飛機的更新換代，各項性能的提高，飛機的機動性能也越來越高。能夠做出各種高難度的飛行姿態，所以現有的側滾姿態角度范圍難以滿足今后的試驗要求。

目前國內已有渦軸發動機姿態試車臺，發動機安裝在側滾設備上與側功系統均固定在平臺上做俯仰運動。而側滾驅動機構安裝在發動機及測功器之間，故發動機及測功器之間的傳動軸系較長，導致其轉動穩定性不高。且側滾驅動機構因其自身能力的限制，其側滾角度最大只能實現±50°，極大的限制了航空發動機進行大姿態側滾運動的能力，對于較大姿態的側滾乃至于倒飛試驗等要求難以滿足。如何實現側滾臺架全姿態角度運動，并滿足航空發動機與測功器之間傳動軸盡量縮短的要求，是急需解決的問題。本文介紹了一種用于發動機姿態試驗的全姿態角度側滾臺架設計，并利用有限元軟件對其頻率特性和結構強度進行了仿真計算，能在一定程度上指導試驗過程，規避試驗風險，確保其滿足試驗需求。

1 全姿態角度側滾臺架方案設計

側滾運動姿態臺架的改進方案擬設計為整體籠狀結構，籠裝結構即為發動機共用基座，其前后兩端用軸承支撐，內部有發動機公用安裝基座，外部連接齒輪與液壓馬達連接。

全姿態側滾臺架的整體結構示意圖如圖1所示，主要由發動機安裝架、支撐座、傳動系統、驅動系統、姿態保持系統（剎車系統）等組成。

其中發動機安裝架與齒輪和軸承內圈固定，軸承外圈固定在支撐座上，可以通過齒輪傳動機構驅動發動機安裝架與發動機一起做側滾方向的運動，并可通過剎車盤固定在當前姿態。

傳動系統與驅動系統為了不與發動機安裝架架發生干涉，選擇安裝在基座下方，如圖2所示，液壓馬達采用豎置安裝，經減速器減速后連接主動輪，主動輪驅動從動輪，從動輪與發動機安裝架相連。剎車卡鉗固定在后軸承支座上。

液壓系統原理圖如圖3所示：整個控制系統包括1臺工業控制計算機、1臺二通道的伺服控制器、1臺伺服閥、1臺液壓馬達、1只角位移傳感器、1塊開關量控制板卡，2臺電磁換向閥、2臺油缸。

該設計利用伺服電機和齒輪驅動代替原有的直線液壓缸與齒條驅動，消除了行程限制，可以實現全姿態角度的側滾；并且使用大型旋轉支承作為軸承，使發動機可以從軸承內環穿過，可大大縮短傳動軸系長度，增加試驗的安全性。

2 仿真分析

發動機姿態試驗臺作為特種試驗平臺，將面臨各種不同型號發動機姿態試驗的需求。為明確臺架對各不同性能發動機的符合性，本節將對全姿態角度側滾臺架的結構特性進行仿真計算，可用于指導不同發動機試驗前的可行性分析和風險評估。

由于該側滾臺架的零件組成多，整體結構較為復雜，整體仿真計算難度較大，因此，需拆分后對各關鍵受力的零組件進行仿真。本文對發動機安裝架的模態、支撐座的形變，驅動齒輪的強度等進行了仿真分析。

2.1 發動機安裝架模態分析

發動機安裝架作為與發動機本體直接相固定的組件，其固有頻率對發動機震動的影響最大。因此本小節對發動機安裝架的各階振動模態進行了分析，確保其固有頻率不在發動機長期工作轉速范圍內。

導入發動機安裝架組件模型，模型材料均設置為鋼，其材料特性參數見表1。

根據上述的參數設置劃分網格劃分，計算其前4階固有頻率及對應的臨界轉速如表2所示，其1階固有頻率為191.13Hz，4階固有頻率為409.47Hz。這可以指導試驗人員在操作發動機試驗時時需盡快越過共振頻率對應的臨界轉速。

通過對發動機安裝架的模態分析，得到發動機安裝架在發動機轉速范圍內的共振頻率和臨界轉速。這對該側滾臺架上的發動機試驗過程具有重大的指導作用，并能在一定程度上為試驗中出現振動故障的診斷分析等提供參考。

2.2 支撐座強度分析

支撐座是整個側滾臺架的主要受力部件，不僅需要其所受應力在安全需用范圍內，而且需要其不能產生較大的變形，否則會對發動機與測功器的同軸度，連接軸的軸向間隙等有重大的影響。

支撐座模型如圖4所示，材料設置為鋼材，其材料特性參數同表1。所畫網格數量合計36411，節點數合計64534。然后進行約束與加載：將支撐座與導軌向接觸的底面固定，對支撐座兩端內環面施加繞X軸方向的扭矩載荷135N.mm（發動機扭矩），并添加沿Z軸負方向的重力載荷（g=9.8m/s2）。

由于該側滾臺架用于航空發動機的姿態試驗，其姿態位置隨俯仰平臺一起變化，其受重的方向也隨之改變，在支撐座旋轉90°后，其所受重力沿X方向（發動機軸向），且受到另外的由發動機和安裝架（質量合計約400kg）的重力4000N，左右兩環各2000N，其在豎立時的受力狀態最為嚴苛。因此本文計算了支撐座水平放置和旋轉90°豎立時的受力情況。

支撐座在水平和豎直狀態下的平均應力分布云圖如圖5所示，根據計算結果，在水平狀態下，支撐座所受最大應力為1.03MPa；即使在最嚴苛的姿態下（支撐座豎直時），支撐座所受最大應力也僅有11.2Mpa，遠小于材料的屈服極限，安全系數在10以上，而在故該支撐座材料性能滿足要求。

支撐座在水平和豎直狀態下的變形位移云圖如6所示，在水平位置時，最大變形量約為0.009mm，主要是由發動機扭矩產生的變形，這對發動機同軸度的影響不大。在豎直狀態下，其外緣頂端最大變形量約為0.16mm，主要是由于重力導致的沿發動機軸向的變形，由此導致中軸偏轉角度小于0.02°，對其整體同軸度影響不大，發動與測功器之間可使用彈性聯軸器較容易吸收該部分形變。此外，由于該計算為忽略與其相連的軸承、發動機安裝架等后的計算結果，實際上軸承、發動機安裝架等的存在會大大加強整體的剛度，使其實際的形變量更小。故該支撐座剛度能滿足要求。

2.3 齒輪強度分析

齒輪是驅動發動機做側滾運動的關鍵受力部件，本方案所用齒輪組的參數如表3所示。

對齒輪組模型進行網格劃分，如圖7所示。本計算主要考察的是齒強度，因此對齒面及其附近的網格進行了細化，以得到更為精確的結果。材料設置為鋼材，其材料特性參數同表1。對兩齒輪的中心軸施加圓柱約束，使之僅能繞各自中心旋轉，并對齒輪施加3kN·m的扭矩（驅動側滾運動最大扭矩估算值，包含發動機扭矩以及重力因素、摩擦阻力等）。

根據上述約束和載荷條件計算，齒輪嚙合過程中1s內的動態最大等效應力如圖8所示。在前0.1s內，由于齒輪間存在間隙還未完全嚙合，在此期間不存在應力應變。在嚙合過程中，齒輪所受的最大應力呈周期性變化，其峰值為331.09MPa，此時對應的最大應變為1.66×10-3mm。齒輪嚙合過程中的最大接觸應力仿真計算結果如圖9所示，其最大峰值為237.25MPa，若根據赫茲公式計算所得最大接觸應力為228.46MPa，與軟件計算結果差別僅有3.7%。

4 結論

本文設計了一種用于發動機姿態試驗側滾臺架，實現了全側滾角度運動的突破，并具有軸系短，安全性高等優點。并利用有限元軟件對其頻率特性和結構強度進行了仿真計算，得到了各關鍵部位的頻率特性和結構強度校核數據，這對以后發動機試驗前的可行性分析，試驗過程中的操作注意事項，以及發動機姿態試驗過程以及可能出現故障的診斷分析等具有重要的指導意義。

參考文獻

[1] 龍合良，唐名揚.渦軸發動機姿態試車臺姿態臺架方案設計探討[C].中國航空學會，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2018.