某型渦軸發動機手動控制桿設計研究

唐利軍　劉知理

摘 要

本文根據某型渦軸發動機試驗要求，結合發動機中心高和手動控制桿實際安裝位置，運用曲柄滑塊機構原理，通過運動和受力分析計算，對手動控制桿進行了合理設計。經過試驗驗證，所設計的手動控制桿能夠滿足發動機試驗要求。

關鍵詞

渦軸發動機;手動控制桿;曲柄滑塊機構

中圖分類號： V233.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.051

0 前言

隨著航空發動機技術的不斷進步和性能的不斷提高，航空發動機燃油與控制系統由簡單到復雜，大致經歷了以下幾個發展階段[1]：機械液壓控制，機械液壓控制+模擬式控制裝置，機械液壓控制+數字式控制裝置，FADEC（全權限數字電子控制）+機械液壓備份裝置，雙通道FADEC。

因為機械液壓控制系統能實現的控制變量有限、控制規律簡單;控制系統響應速度慢、控制精度低;難以與直升機飛行控制系統、火力控制系統進行交聯綜合控制等原因，目前已逐漸被數字式電子控制系統所替代[2]。然而在數字式電子控制系統未完全發展成熟之前，其可靠性不如機械液壓控制系統，因此在某些時候仍然保留了機械液壓控制作為手動備份控制系統。當出現飛行故障或飛行員主動操控時，該電子控制系統將切換到按照固定油氣比控制的手動控制。

本文結合某型渦軸發動機的試驗要求對手動控制桿進行了設計。

1 設計要求

1.1 運動要求

所設計的手動控制桿可實現發動機應急拉桿-30～+30mm之間的直線運動，其中最小位置為-30mm，最大位置為+30mm、中間位置為0mm。

當應急拉桿位于中間位置時，發動機為自動控制模式，手動控制不參與控制;當應急拉桿退出中間位置并向最小位置方向移動時（0～-30mm），發動機自動控制失效，可通過手動控制桿來減少燃油供給;當應急拉桿退出中間位置并向最大位置方向移動時（0～+30mm），發動機自動控制失效，可通過手動控制桿來增加燃油供給。

1.2 受力要求

應急拉桿額定操縱負載：33.3N

應急拉桿退出中間位置的負載：50N

在拉桿行程的最后允許的最大負載：400N

2 理論設計

運用曲柄滑塊機構原理，將曲柄安裝在電機的輸出軸上，通過電機的周轉運動，借助連桿帶動滑塊來驅動應急拉桿完成-30～+30mm的直線運動。

已知步進電機的工作角度為0～120°，驅動力矩≤5N·m，發動機中心高750mm。

2.1 設計計算

曲柄滑塊機構見圖1所示，它由曲柄AB、連桿BC、以及滑塊C組成[3]。設曲柄長度為a、連桿長度為b、偏心距為e、滑塊位移為s、曲柄轉角為、連桿轉角為。

應用幾何關系可推導出曲柄與滑塊對應位置間的關系式：

s=acosα+bcosθ（1）

e=asinα+bsinθ（2）

將公式（1）對時間t求導，得到滑塊的速度：

v=-aω（3）

公式（3）中ω為曲柄角速度。

從公式（1）～（3）可以看出，在曲柄、連桿、偏心距尺寸及曲柄角速度已知的情況下，滑塊的位移和速度僅是曲柄轉角的函數，令：

s=f（α）（4）

公式（5）需滿足電機輸入0～120°的轉角，滑塊位移為-30～+30mm的要求。設最小位置、中間位置、最大位置對應的曲柄轉角分別為α1、α0、α2，得到：

α1+α2=2α0（5）

α2-α1=120°（6）

f（α1）+f（α2）=2f（α0）（7）

f（α1）-f（α2）=60（8）

令α0=90°，由公式（1）、（2）、（5）～（8）可計算出α1=30°，α2=150°，a=34.6mm，e=0.75a=26mm。

為了確定連桿長度對滑塊運動的影響，分別將連桿長度b=400、500、600mm代入公式（1）～（3），若曲柄以5o/s的速率勻速轉動，可得到滑塊位移和速度曲線，見圖2～圖3所示。

從圖2～圖3可知，當b足夠大時，機構的傳動性能參數變化趨于平穩，即繼續增長連桿長度無實用意義，受發動機中心高750mm及手動控制桿安裝位置的限制，確定連桿長度b=600mm。

2.2 設計校核

連桿為受二力構件，其受力只能為指向BC方向，曲柄滑塊機構的受力分析見圖4所示。

因滑塊質量很小，可忽略滑塊的慣性力，根據圖4受力分析可得：

M=F×a×（9）

式中：F為滑塊負載，M為電機驅動力矩。

由公式（9）可知，若曲柄為勻速轉動，在α∈（30°，150°）區間，當α=90°（中間位置）時，M存在最大值。按滑塊負載F=50N，可計算出電機驅動力矩為1.73N·m，小于額定力矩5N·m，滿足要求。

此外，當α=30°和150°時，即滑塊分別在最小位置和最大位置時，還需校核滑塊的負載最大不允許超過400N。按電機驅動力矩=5N·m，根據公式（9）可計算得到：

當α=30°時，滑塊負載F=296.5N<400N，滿足要求;

當α=150°時，滑塊負載F=281.9N<400N，滿足要求。

校核結論：手動控制桿的設計可以滿足電機和應急拉桿的受力要求。

3 結構設計

根據理論計算，當曲柄長度為a=34.6mm、連桿長度為b=600mm、偏心距為e=26mm，可實現曲柄轉角α為30～150°時，滑塊的行程為-30～+30mm之間連續變化，結構設計見圖5所示。

圖5所示的曲柄滑塊結構主要由電機、曲柄、關節軸承、螺栓、連桿、滑塊、滑軌等組成。

4 試驗驗證

通過此方案設計加工一套手動控制桿，以車臺某型渦軸發動機的試驗為例，驗證手動控制桿的能否滿足發動機試驗要求。

試驗程序如下：

（1）用自動模式起動發動機至慢車狀態。

（2）將手動控制桿退出“中間位置”，并向“最大位置”方向移動，增加燃油流量直至最大狀態。

（3）將手動控制桿向“最小位置”方向移動至“中間位置”，切換至自動模式。

試驗過程中發動機主要性能參數變化情況見圖6所示。

圖6中縱坐標ngcr表示相對換算轉速。從中可知，本文設計的手動控制桿可以實現發動機工作狀態的改變，滿足試驗要求。

5 小結

本文根據某型渦軸發動機試驗要求，結合發動機中心高和手動控制桿實際安裝位置，運用曲柄滑塊機構原理，對手動控制桿進行了合理設計。經過試驗驗證，所設計的手動控制桿能夠滿足發動機試驗要求。

參考文獻

[1]張紹基.航空發動機燃油與控制系統的研究與展望[J].航空發動機，2003，29.

[2]李家云，陳華.直升機發動機數字控制系統簡述[J].直升機技術，2002，3.

[3]耿其東，方志國.偏置式曲柄滑塊機構仿真與運動分析[J].機械工程與自動化，2011，6.