CN105738086B - 一种航空发动机风扇轴旋转弯矩加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机轴类部件试验技术，涉及一种发动机风扇轴旋转弯矩载荷的加载方法。目前，在航空发动机风扇轴定寿试验中，旋转弯矩的加载多是通过电机高速旋转拖动加载机构实现的。本发明的加载装置没有引入任何高速旋转机构，载荷幅值、旋转方向和频率(介于5Hz～50Hz)依据试验需求可通过软件灵活调整，输出载荷模拟准确，自动化程度及试验效率高。

Description

一种航空发动机风扇轴旋转弯矩加载方法

技术领域

本发明属于航空发动机轴类部件结构强度试验领域，主要涉及发动机风扇轴复合疲劳试验中旋转弯矩载荷的加载方法。

背景技术

目前，在航空发动机风扇轴定寿试验中，旋转弯矩的加载多是通过电机高速旋转拖动加载机构实现的，弯矩载荷难以与其它载荷有效复合且保持精确时序，载荷幅值(大小)和旋转频率不易灵活调整，加载过程不稳定且引入额外的附加力(如偏心力、离心力等)。

作用在主轴上的弯矩是飞机机动飞行时转子的惯性力和陀螺力矩引起的，虽然作用时间不长，循环次数也不多，但由于高速主轴的应力交变次数很多，其造成的循环疲劳损伤是不可忽视的。因此，准确地进行旋转弯矩加载对于发动机轴类部件的定寿工作是非常重要的。

针对不同试验对象，依据旋转弯矩载荷类型，典型的旋转弯矩获取方式有以下两种：

一是在匀质配重盘上下面对称位置装配同质量偏心配重块，电机带动配重盘旋转，两个偏心配重块的离心力产生力偶。

这种方法的缺点在于电机的皮带轮的张紧力会对试验对象产生一个不期望的偏心力；离心力与配重块质量、电机转速有关，旋转弯矩加载频率由电机转速决定，在配重盘、配重块质量确定情况下无法灵活地进行载荷和频率的调整；配重块造成的不平衡转子在高速旋转情况下，易产生振动和噪声，在加载精确性和安全性(配重块与配重盘连接形式)上不可保证。

二是设计一套与弯矩盘外圆周同心的圆环型机械机构，在弯矩盘外圆周与圆环型机械机构间放置一台液压伺服作动筒，由电机拖动该液压伺服作动筒旋转，从而实现旋转弯矩。旋转弯矩大小决定于作动筒的作用力与力臂，旋转弯矩频率决定于电机转速。

这种方法的缺点在于在高达1500RPM(弯矩载荷旋转频率为25Hz时)的转速下，液压伺服作动筒及其控制部件能否正常工作尚需验证；作动筒供油管道、控制系统线缆要随液压伺服作动筒做高速旋转，需要设计专用接口装置，成本高，且疲劳试验过程中设备寿命难以保障，维护保养工作量大；在高速旋转中，附加在作动筒上的离心力尚需计算和处理。

此外，上述两种方法均通过旋转电机拖动进行载荷施加，控制系统不易实现液压系统与电机传动系统的启动/停止时序匹配。

发明内容

设计了一种可实现旋转弯矩准确施加的方法。加载装置(含机械、液压、电气)没有引入任何高速旋转机构，实现输出一个按预设频率旋转的力偶场，旋转方向、载荷幅值和频率(介于5Hz～50Hz)依据试验需求可通过软件灵活调整，输出载荷模拟准确，自动化程度及试验效率得到提高。在其它轴类部件试验有关旋转弯矩载荷模拟的应用上具有很好的借鉴意义。

一种航空发动机风扇轴旋转弯矩加载方法，采用了旋转弯矩加载装置，所述旋转弯矩加载装置包括双端法兰转接盘、弯矩盘、力传感器和双出杆作动筒，所述加载方法包括以下步骤：

1)双端法兰转接盘将风扇轴与弯矩盘刚性对接，弯矩盘模拟输出旋转弯矩传递到风扇轴上；

2)沿弯矩盘外圆周轴向均布八个双出杆作动筒，每个所述双出杆作动筒装配位置间隔45°，作动筒两端均采用球型铰接；

3)每个作动筒通过液压伺服驱动，并接收与控制通道关联的函数发生器所产生的控制指令值，安装于作动筒伸出杆顶端的力传感器进行反馈，指令函数初相角依次相差45°，依据弯矩载荷需求幅值、旋转方向和频率软件可调；

4)八个双出杆作动筒通过力控闭环实现同步加载，还可以将旋转弯矩载荷引入控制器构成外环控制。

附图说明

图1是旋转弯矩加载装置结构图；

图2是弯矩盘上等效力偶示意图。

具体实施方式

依据本方法的旋转弯矩载荷加载装置如图1所示。其中，1-双端法兰转接盘、2-弯矩盘、3-力传感器、4-双出杆作动筒。

通过双端法兰转接盘1将上方的试验件(风扇盘轮盘)同弯矩盘2刚性对接起来，保证弯矩载荷能真实地传递。弯矩盘2外圆周均匀对称设有八个双耳，每个间隔45°，八台双出杆型双出杆作动筒4沿弯矩盘2外圆周轴向立式装配，两端头均为球型铰接，固接有力传感器3的一端与弯矩盘2连接，另一端连接到承力框架上，力传感器3与双出杆作动筒4刚性法兰连接。在八个作动筒的协同作用下，在弯矩盘2上产生一个旋转频率介于5Hz～50Hz的旋转力偶场，从而通过弯矩盘2模拟输出旋转弯矩载荷。

每个作动筒上可施加从-100％至+100％载荷的力，矢量力按余弦规律以预定角频率ω进行变化。这样，沿弯矩盘圆周所产生的旋转力偶场的角频率也是ω。

图2所示为在任意时刻弯矩盘上的等效力偶示意图。

第n个作动筒的加载函数为

A(t)为单个作动筒加载的最大幅值，是关于时间或试验对象类型的函数，可以根据实际试验需求进行设定；

ω为单个作动筒加载的角频率，即弯矩的加载角频率。

设弯矩盘加载点的分布圆半径为L，则总弯矩M由以下公式确定，

其中，i、j为单位向量，k＝0,1,…,7

弯矩向量M的模

|M|＝4A·L (3)

由此可以证明，当ωt∈[0，2π]时，都满足八个作动筒在弯矩盘上产生的合力矩为4AL，合力矩M方向在ωt+π/2角度上。这样，在进行弯矩加载试验的时候，只要保证8个作动筒按照余弦规律进行加载即可。

在控制上采用双闭环的控制方案，对于每个作动筒利用各自控制通道的信号发生器生成式(1)的载荷谱，每个作动筒前端安装的力传感器提供控制反馈，从而形成每个作动筒的内环闭环控制。信号发生器可编程设置载荷信号的幅值和频率，从而实现对旋转弯矩加载幅值和频率的调整。

在风扇轴或试验载荷传递法兰上粘贴应变片，将应变信号通过模拟I/O引入到控制器中，构成旋转弯矩载荷控制闭环。通过反馈值实时调整载荷信号发生器生成的载荷谱的幅值，形成八个作动筒的外环闭环控制。

Claims (1)

1.一种航空发动机风扇轴旋转弯矩加载方法，采用了旋转弯矩加载装置，所述旋转弯矩加载装置包括双端法兰转接盘(1)、弯矩盘(2)、力传感器(3)和双出杆作动筒(4)，其特征在于，所述加载方法包括以下步骤：

1)双端法兰转接盘(1)将风扇轴与弯矩盘(2)刚性对接，弯矩盘(2)模拟输出旋转弯矩传递到风扇轴上；

2)沿弯矩盘(2)外圆周轴向均布八个双出杆作动筒(4)，每个所述双出杆作动筒(4)装配位置间隔45°，双出杆作动筒(4)两端均采用球型铰接；

3)每个双出杆作动筒(4)通过液压伺服驱动，并接收与控制通道关联的函数发生器所产生的控制指令值，安装于双出杆作动筒(4)伸出杆顶端的力传感器(3)进行反馈，指令函数初相角依次相差45°，依据弯矩载荷需求幅值、旋转方向和频率软件可调；

4)八个双出杆作动筒(4)通过力控闭环实现同步加载，或者将旋转弯矩载荷引入控制器构成外环控制。