CN105571761A - 一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置 - Google Patents

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    • G01L5/133—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the tractive or propulsive power of vehicles for measuring thrust of propulsive devices, e.g. of propellers

Abstract

本发明公开了一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置，包括刚性连接段35、第一弹簧片36、第二弹簧片38、第三弹簧片39和固定螺栓37，其中，刚性连接段35横截面为凸形对称结构，第一弹簧片36、第二弹簧片38和第三弹簧片39一端与刚性连接段35固定连接，第一弹簧片36和第三弹簧片39连接在刚性连接段35的对称两侧，第二弹簧片38固定连接在刚性连接段35的中间凸起位置；第一弹簧片36和第三弹簧片39呈对称分布，当第一弹簧片36和第三弹簧片39与定架1连接时，第二弹簧片38与动架21连接；当第一弹簧片36和第三弹簧片39与动架21连接时，第二弹簧片38与定架1连接，定架1固定于地基，动架21与被测试设备连接。

Description

一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置
技术领域:
本发明属于发动机推力测试领域，具体涉及一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置。
背景技术：
推力是发动机最主要性能指标之一，试验过程中准确地测量出发动机推力，对于发动机研制与性能评定具有重要意义。推力台架作为推力测量中的关键部件，其性能对推力测量精度影响较大。航空发动机推力台架均采用挠性连接装置作为弹性元件，对系统进行支撑和导向。对于推力测量台架，支撑元件在发动机推力测量的整个范围内需要阻力小，才能保证推力测量的精度。同时，需要具有滞后特性好，特别是对于需要具备瞬态推力测量的试验科目。再者，支撑元件需要承受发动机、台架等设备的重量，最大可达50T。
目前，推力测量台架均采用弹簧片作为弹性元件，在台架前后四个角分别布置弹簧片，构成平行片簧机构。弹簧片的一端固定在动架上，一端固定在定架上。发动机通过主辅支点安装在动架上，试验中，发动机推力通过主辅支点和动架传递给推力传感器。推力传递过程是动架通过弹簧片的变形实现，即动架和定架之间产生相对位移，推力传感器根据相对位移实现推力的测量。
此种形式的台架支撑方式，弹簧片在承受重载荷时，其位置精度、阻力和滞后特性并不能满足推力测量要求。弹簧片变形会产生阻力(即台架刚度)，一般为推力的3‰。对于相同的弹簧片，其阻力大小会随着其轴向载荷的变化而线性变化。虽然在推力评定过程中对台架刚度进行了修正，但试验中台架受力情况复杂，台架刚度波动较大，影响了推力测量精度。
发明内容：
发明目的：
设计高分辨率和高柔性的弹性连接装置，用于单分量推力测量台架，主要包括航空发动机试验、火箭发动机试验以及其他用于推力测量的场合，实现推力的高精度测量。
本发明实现上述目的的方案：
一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置，其特征在于，包括刚性连接段(35)、第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)、第三弹簧片(39)和固定螺栓(37)，其中，刚性连接段(35)横截面为凸形对称结构，且不产生弹性变形，第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)一端与刚性连接段(35)固定连接，第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)连接在刚性连接段(35)的对称两侧，第二弹簧片(38)固定连接在刚性连接段(35)的中间凸起位置；第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)以第二弹簧片(38)为轴呈对称分布，当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与定架(1)连接时，第二弹簧片(38)与动架(21)连接；当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与动架(21)连接时，第二弹簧片(38)与定架(1)连接，定架(1)固定于地基，动架(21)与被测试设备连接。
当第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)与动架(21)连接，并且承受竖直方向压力时，其中点两侧共计60％～80％的长度设置为加厚区，加厚区厚度与其余区域厚度的比值不小于3。
关于技术效果的描写：
图9为弹性连接装置刚度变化曲线，从图中可以看出，本发明设计的并联式弹性连接装置横向弯曲刚度基本保持不变，不随轴向载荷变化而变化，具有高灵敏度高柔性；而传统单弹簧片式柔性件的横向弯曲刚度随轴向载荷增加而线性变化；相同载荷条件下，本发明设计的并联式弹性连接装置与单弹簧片式柔性件相比，横向刚度比小很多。
本发明设计的高灵敏度高柔性并联式弹性连接装置用于推力测量系统中，通过对多个弹簧片的拉压组合，并进行几何参数的优化设计，保证台架刚度恒定，不受外载荷的影响，简化了推力评定和修正过程，提高了推力测量精度。同时，通过多个弹簧片的并联组合，在系统稳定性不变的前提下，降低了台架刚度，提高了系统灵敏度。
关于说明书附图
图1a、图1b和图1c为发动机支撑式台架用柔性连接装置原理图；
图2a和图2a为发动机吊挂式台架用柔性连接装置原理图；
图3a、图3b、图3c和图3d为发动机支撑式台架用加厚型柔性连接装置原理图；
图4a、图4b、图4c和图4d为发动机吊挂式台架用加厚型柔性连接装置原理图；
图5和图6为本发明在推力测量台架上的安装示意图；
图7a和图7b为弹簧片模型示意图；
图8为本发明其中一个实施例的结构示意图；
图9为本发明刚度变化曲线；
其中，1、定架；2、刚性连接段模型；3、第一弹簧片模型；4、第二弹簧片模型；5、第三弹簧片模型；6、第二弹簧片运动端；7、加厚型第二弹簧片模型；8、第一弹簧片运动端；9、第三弹簧片运动端；10、加厚型第一弹簧片模型；11、加厚型第三弹簧片模型；20、第一并联式弹性连接装置；21、动架；22、发动机；23、辅助支点；24、主支点；25、第二并联式弹性连接装置；26、第三并联式弹性连接装置；27、第三并联式弹性连接装置；28、推力测量传感器；31、弹簧片上柔性段；32、弹簧片加强段；33、弹簧片下柔性段；34、弹簧片下安装端；35、弹簧片上安装端35、刚性连接段；36、第一弹簧片；37、固定螺栓；38、第二弹簧片；39、第三弹簧片；
具体实施方式：
本发明涉及的一种用于发动机推力测量台架的高灵敏度高柔性并联式弹性连接装置，通过对多个弹簧片进行并联组合，实现连接装置既有承压弹性元件又有承拉弹性元件，提高了连接装置的灵敏度和柔性，间接提高了推力测量台架的精度。
本发明设计用于发动机推力测量试验的柔性连接装置，包含固定端、运动端、刚性连接段、三块等长弹簧片，具有多种结构形式，如图1～图4所示。图1为发动机支撑式台架用柔性连接装置原理图；图2为发动机吊挂式台架用柔性连接装置原理图；图3为发动机支撑式台架用加厚型柔性连接装置原理图；图4为发动机吊挂式台架用加厚型柔性连接装置原理图。
图1(a)中，定架(1)作为基础装置，承载整个台架系统；第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)上端固定在定架(1)上，下端固定在刚性连接段模型(2)上；第二弹簧片模型(4)上端与第二弹簧片运动端(6)连接，下端与刚性连接段模型(2)连接；第二弹簧片运动端(6)在水平外力T的作用下产生位移，整个柔性连接装置会产生变形，图1(a)虚线所示；第一弹簧片模型(3)、第二弹簧片模型(4)、第三弹簧片模型(5)分别起导向作用，刚性连接段模型(2)起传递载荷的作用。根据力学原理，第二弹簧片模型(4)受到的水平外力T作用，第一弹簧片模型(3)和第三弹簧片模型(5)分别受到T/2的水平外力作用，使得第二弹簧片运动端(6)位移量等于三个弹簧片变形量之和，比第二弹簧片模型(4)变形量大，从而降低整个系统的刚度。相应的，可以采用较小的力T就可使第二弹簧片运动端(6)产生位移，提高了系统的灵敏度。同理，该分析内容适用于图1和图2所示的连接形式。
图1(b)中，第二弹簧片模型(4)上端与定架(1)连接保持静止，下端与刚性连接段模型(2)连接；第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)下端与刚性连接段模型(2)连接；第一弹簧片运动端(8)、第三弹簧片运动端(9)与动架(21)连接，在水平外力作用下产生位移，系统变形原理与图1(a)类似。
图1(c)与图1(a)结构一致，区别在于第二弹簧片运动端(6)除了受到水平外力T的作用外，还受到竖直力P(即台架及发动机等重量)作用。在竖直方向上，第二弹簧片模型(4)在外力P的作用下产生压变形；刚性连接段模型(2)将载荷P分别传递给第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)，使其分别受到P/2的作用产生拉变形。第二弹簧片模型(4)受到压力作用，会产生屈曲效应，其屈曲载荷与相同尺寸的传统单弹簧片连接装置相同；整个柔性连接装置承压能力取决于第二弹簧片模型(4)的屈曲载荷。类似的，图1(b)柔性连接装置承压能力取决于第一弹簧片模型(3)和第三弹簧片模型(5)的屈曲载荷。
根据圣维南定律，薄板轴向载荷会使其横向弯曲刚度变化。第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)受拉后，横向弯曲刚度将变大，即拉力刚化效应；第二弹簧片模型(4)受压后，横向弯曲刚度表小，即压力软化效应。其中，横向弯曲刚度随着弹簧片轴向载荷呈线性变化关系。通过合理的弹簧片结构参数设计，可保证弹性连接装置的刚度保持不变。
图2(a)的连接形式与图1(a)、图1(c)类似，在真实外力作用下，第二弹簧片模型(4)在竖直方向产生拉变形，横向弯曲刚度变大；第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)在竖直方向分别产生压变形，横向弯曲刚度变小；整个柔性连接装置的承压能力取决于第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)的屈曲载荷。
图2(b)的连接形式与图1(b)类似，在真实外力作用下，第二弹簧片模型(4)在竖直方向产生压变形，横向弯曲刚度变小；第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)在竖直方向分别产生拉变形，横向弯曲刚度变大；整个柔性连接装置的承压能力取决于第二弹簧片模型(4)的屈曲载荷。
图3(a)类似于图1(a)，将第二弹簧片模型(4)改成加厚型第二弹簧片模型(7)，通过增加弹簧片中点两侧区域的厚度，提高了第二弹簧片的承压能力。图3(b)类似，将三个弹簧片均成了加厚型弹簧片。
图3(c)类似于图1(b)，将第一弹簧片模型(3)、第三弹簧片模型(5)换成加厚型第一弹簧片模型(10)、加厚型第三弹簧片模型(11)，提高了系统的承压能力。图3(d)，将三个弹簧片模型换成了加厚型弹簧片模型。
图4中的结构形式将图3的结构形式进行了翻转180°，图4(a)和图4(c)将受压弹簧片模型换成加厚型弹簧片模型，图4(b)和图4(d)类似于图3(b)和图3(d)。
图5和图6为本发明在推力测量台架上的安装示意图。图7a和图7b为弹簧片模型示意图，其中，弹簧片上柔性段(31)、下柔性段(33)分别长度为50mm，厚度为6mm，宽度为150mm；弹簧片加厚段(32)长度为160mm，厚度为20mm，宽度为150mm；弹簧片上安装端(35)、弹簧片下安装端(34)长度分为为40mm，厚度为20mm，宽度为150mm。
图8为图3(d)模型应用的实施例结构示意图，包括刚性连接段(35)、第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)、第三弹簧片(39)和固定螺栓(37)，其中，刚性连接段(35)横截面为凸形对称结构，且不产生弹性变形，第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)一端与刚性连接段(35)固定连接，第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)连接在刚性连接段(35)的对称两侧，第二弹簧片(38)固定连接在刚性连接段(35)的中间凸起位置；第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)呈对称分布，当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与定架(1)连接时，第二弹簧片(38)与动架(21)连接；当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与动架(21)连接时，第二弹簧片(38)与定架(1)连接，定架(1)固定于地基，动架(21)与被测试设备连接。
当第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)与动架(21)连接，并且承受竖直方向压力时，其中点两侧共计60％～80％的长度设置为加厚区，加厚区厚度与其余区域厚度的比值不小于3。

Claims (2)

1.一种用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置，其特征在于，包括刚性连接段(35)、第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)、第三弹簧片(39)和固定螺栓(37)，其中，刚性连接段(35)横截面为凸形对称结构，且不产生弹性变形，第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)一端与刚性连接段(35)固定连接，第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)连接在刚性连接段(35)的对称两侧，第二弹簧片(38)固定连接在刚性连接段(35)的中间凸起位置；第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)以第二弹簧片(38)为轴呈对称分布，当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与定架(1)连接时，第二弹簧片(38)与动架(21)连接；当第一弹簧片(36)和第三弹簧片(39)与动架(21)连接时，第二弹簧片(38)与定架(1)连接，定架(1)固定于地基，动架(21)与被测试设备连接。
2.根据权利要求1所述的用于发动机推力测量台架的并联式弹性连接装置，其特征在于，所述的第一弹簧片(36)、第二弹簧片(38)和第三弹簧片(39)，当其与动架(21)连接，并且承受竖直方向压力时，其中点两侧共计60％～80％的长度设置为加厚区，加厚区厚度与其余区域厚度的比值不小于3。
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