CN107238457A - 一种小推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小推力发动机的推力测量装置，包括静架、动架、原位校准装置、测力组件和悬挂部件，动架、原位校准装置和测力组件安装在静架上，悬挂部件用以安装发动机并可调节发动机高度；本发明中悬挂部件由悬挂块、升降螺栓、升降螺纹套、弹性元件、受拉零件、刚性拉压零件或弹性拉压零件组成，采用悬挂安装发动机，可使试验附件数量得以减少，质量得以降低，从而减小了试验装置的惯性力和摩擦力，提高了推力测量精度；采用机械加载方式实施静态校准，简化了原位校准装置的组成，缩短了试验准备阶段时间，提高了测量装置的经济性；针对特定发动机选用合适的零件组装成悬挂部件可增强推力装置的通用性。

Description

一种小推力测量装置

技术领域

本发明属于机械和航空航天试验技术领域，具体涉及一种小推力型航空航天发动机测量装置。

背景技术

试验是确定发动机性能指标，评价发动机可靠性和寿命的唯一方法，是检验发动机能否定型及验收的唯一手段。从发动机试车对试验设备、试验技术和试验方法的要求来看，试验内容可以归为四类：组合件试验；发动机地面试验；发动机高空模拟试验；子级整机试车试验。其中，发动机地面试验涵盖内容更为丰富，因此发动机地面试验试车台相对更为重要。

发动机试验技术发展，主要面临四个方面的问题：低温、高压、大推力发动机试车遇到的新课题；小推力发动机试验需要研究的问题；高空模拟试验技术问题；发动机数学模拟试验研究技术。

其中，脉动式(脉冲式)小推力发动机，可用于姿态控制、稳定、变轨、交会和位置保持等方面。但是，要测量持续时间为毫秒级的上升/下降沿的脉冲推力，要求发动机、试车架、推进剂管路、测量导管、传感器和电缆组成的机械系统有良好的动态性能，能不失真地响应脉冲推力。试车架和传感器动态性能对发动机试验系统动态响应性能起着至关重要的作用。

测量发动机性能参数的试验装置称为推力台(或称为试车台)。推力台是用于发动机在地面进行试验时的试验装置，主要完成发动机的推力测量、有关物理参数(压力、温度、流量等)的测量，根据试验数据做出相应的处理对发动机进行性能评估。

试车台由试车架和辅助设备组成。

试车架由静架、动架、推力架、测力组件和小位移元件等五部分组成。此外可根据具体要求可另行设计安装，原位校准装置、安全限位装置和旋转动力装置等部分。在实际情况中，试车架的部件命名可能存在差异，但根据部件功能均可归类至上述组成部件中。

静架：是试车架的承力构件，由承受主推力和侧向力的钢架和承受发动机、动架质量的钢架组成，它与试车台实体紧固的连成一体，承受各种作用力和力矩。它的连接部位，常常安装有活动连接件，可通过调节与测力组件，原位校准装置等连接。

动架：是定位和固定发动机的结构件，一方面与发动机定位和连接，确保与发动机一起运动；另一方面要提供与测力组件、原位校准装置、小位移元件的定位和连接，以确保准确的测量。

推力架：也是动架的一部分，是发动机主推力的传力结构件，使发动机轴线对准主推力测量元件。一般做成锥形结构，大端与发动机前裙端面连接，小端与测力组件定位连接，发动机推力通过前裙端面传给推力架，并通过成锥形均匀分布的多根传力杆件集中到小端传给测力组件。

测力组件：是试车架感受发动机作用力的测量元件，一般由测力传感器、挠性件(或球面接头)和连接件组成。传感器用来感受作用力，挠性件用来改善传感器的受力状态，消除非轴向力对测量的干扰。

小位移元件：是动静架之间的连接件，用来支撑发动机和动架组合体的质量，并提供沿发动机轴向运动的小位移自由度，使发动机推力全部作用到推力传感器上。常用元件有滚动元件和弹性元件。

原位校准装置：用于高精度试车架的静态校准，由标准力源、标准力传感器、传力件、安装连接件等组成。力源是模拟推力的发生，它可以是机械式(如千斤顶、杠杆机构等)，也可以是液压的。当推力大于100KN时，一般采用液压式。它具有结构紧凑、体积小、质量小、便于在试车架上安装、产生的力值大等优点。要求力源加载、卸载过程稳定，一般要求在半分钟内力值变化不大于0.03％。标准力传感器是用来指示力源力值的传感器，要求有好的稳定性和高的精度，基本误差小于0.1％，稳定度大于0.05％半年。

安全限位装置：是试车架的安全防护构件，用来限制试车架可动部件在允许的正常范围内活动，超过允许范围，则起刚性限位作用。它有很高的强度和刚度，分布于试车架的薄弱环节处和关键部位，防止他们出现过大的变形和破坏，也可减小发动机工作失常时造成的破坏。

现有的测量航空航天发动机的推力测量装置(试车架)，可分为以下几类：

根据发动机的安装方式分类，水平横卧式、倾斜放置式和垂直悬挂式(又分为，正立式或倒立式)。

倾斜放置式试车架，一般用于中等推力发动机。发动机的中心线和水平面成一定角度，此角度约等于尾喷管收敛角的一半。此种试车架实用性较差，在地面试验中，使用较少。

横卧式推力台结构，如图1所示，一般用于小推力发动机。横卧式推力台一般由承力墩1、试验发动机2、试车架3和地基4组成。试车架3一般由动架、测力组件、水平可动装置、安装组件等组装而成。安装时使试验发动机2的中心线和地面平行。

现有水平横卧式试车架的不足：

1.工作平台和试验发动机2之间的活动空间狭小，安装大量试验附件(压力/力/加速度/温度传感器、推进器供给管、点火设备等)时不方便甚至十分困难，因此安装试验准备过程复杂，试验准备时间长。

2.当前采用水平安装于工作台上的可动装置的组成零件(例如导轨滑块、支撑块、滑动/滚动轴承组合件等)数量多和质量大，试验发动机2工作时需要克服的惯性力和摩擦力大，导致推力损失较大，因此这种形式的可动装置不利于准确测量发动机的推力；

3.对于高精度的试车架，当前采用液压加载系统或机械杠杆装置(用标准质量块作为标准力)作为原位校准装置居多，液压加载系统复杂、成本高(要求各接口、阀门接触良好、密封性好、承压性能强)、特别是压力缸结构尺寸一旦确定，该套液压加载系统只能用于一种特定的试车架；机械杠杆装置不能用于动态测力组件的静态校准，无法实施不定级校准；因此上述两类原位校准装置的通用性较差且机械杠杆装置的功能不够完善；

4.不同类型的可动装置的滑动或滚动性能和质量差别很大，针对不同类型的试验发动机，试车架的测量准确性受到影响且通用性受到限制；另外，可动装置的维护(例如滚/滑动元件的更换、润滑、防尘等)比较复杂。

正立式垂直推力台结构，如图2所示，当前大吨位推力、大尺寸的发动机主要采用这种安装方式。正立式垂直推力台一般由提升机构5、承力平台6、测力组件7、吊挂8、试验发动机9、工作台10、立柱11和导流槽12组成。发动机以正立或倒立的形式悬挂于试车架上。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种小推力测量装置，对现有的横卧式试车架进行改进和创新，可以提高推力测量结果的准确性，增强试车架的通用性，降低试车架成本及缩短试验准备时间。

本发明一种测量航空航天发动机小推力的地面试验装置，组成为静架、动架、原位校准装置、悬挂部件和测力组件等部分。

静架固定安装于工作平台上。静架的功能是：承受发动机推力，作为其他零部件的承载件。静架的中间空心空间用于安装原位校准装置；静架的主承力壁外侧壁面上安装带有通孔的大法兰，大法兰上均布安装有四支动态力传感器。静架的薄承力壁外侧壁面上安装有耐磨螺母块。

动架安装于发动机和测力组件之间。动架的功能是：使发动机和测力组件、原位校准装置保持同轴，将发动机的推力传递至测力组件上，在发动机工作时起到隔热的作用。动架结构为两端法兰中间连杆形式。

机械加载式的原位校准装置安装于静架的空心部位。原位校准装置的功能：对推力测量系统起到静态校准的作用。原位校准装置由丝杠、螺母块、承力环、内弹簧、外弹簧、内套筒、外套筒、角接触球轴承、螺纹连接件、标准力传感器、传力杆和紧固标准件组成。

悬挂部件依据发动机的实际结构和尺寸，使用合理的数量，选择最佳的位置安装于工作平台上。悬挂部件由悬挂块、升降螺栓、螺纹套、弹性元件(例如钢片、细钢丝线、万向挠性元件等)、受拉零件(例如卡环、卡箍、上拉环、下拉环等)、刚性或弹性拉压零件(例如伸缩弹簧、螺纹拉杆、内外螺纹杆)及若干标准件组成。

测力组件安装于大法兰和动架之间。测力组件功能：测量推力(动态推力、发动机稳态工作时推力)。测力组件由四支力传感器组成。

本发明的优点在于：

(1)采用悬挂方式安装发动机，能减少附件数量和减小附加质量，发动机和工作平台之间的工作空间大，降低了试验装置的惯性力和摩擦力，方便了试验设备组装，提高了系统的测量结果的精度。

(2)悬挂部件的弹性元件、受拉零件和刚性/弹性拉压零件以及动架的结构形式简单，悬挂部件根据实际情况可选用适合的零件，零件的可维护性和可替换性强；动架可根据发动机和传感器的结构尺寸做出相应的改变，动架的设计制造时间短、成本低；因此试车架通用性得到增强，试验准备时间被缩短。

(3)采用丝杠作为加载装置，原位校准装置得以简化，有效的降低了试车架成本。

(4)试车架的组成部件数量少(仅有五部分)，试车架可高精度测量推力的同时，试验准备阶段的程序简易、耗时短。

(5)静架的四块承力壁以及承力壁组成的截面为矩形，零件的横截面为矩形时抗扭强度和抗弯强度均最大(相对于圆形、方形、工字型、T字型等而言)，因此试车架的刚度大、固有频率高，能测量高频率的推力。

附图说明

图1为横卧式推力台结构简图。

图2为正立式垂直推力台结构简图。

图3为小推力测量装置结构简图。

图4为静架、原位校准装置及动架组装剖面图。

图5为悬挂部件。

图中：

1.承力墩； 2.试验发动机； 3.试车架； 4.地基；

5.提升机构； 6.承力平台； 7.测力组件； 8.吊挂；

9.试验发动机； 10.工作台； 11.立柱； 12.导流槽；

13.原位校准装置； 1301.丝杠； 1302.丝杠锁紧零件 1303.螺母块；

1304.承力环； 1305.内弹簧； 1306.内套筒； 1307.外弹簧；

1308.外套筒； 1309.角接触球轴承； 1310.定位零件 1311.锁紧零件

1312.螺纹连接件； 1313.标准力传感器； 1314.传力杆； 14.静架；

15.测力组件； 1501.力传感器； 1502.紧压零件 16.动架；

17.发动机； 18.悬挂部件； 1801.升降螺栓； 1802.悬挂块；

1803.升降螺纹套； 1804.弹性元件； 1805.受拉零件；

1806.刚性/弹性拉压零件； 19.工作平台； 20.大法兰。

具体实施方式

下面以一种长宽比约为1000mm/60mm的脉冲爆震发动机为实例说明使用本小推力测量装置，针对不同类型的发动机需要灵活地选用有关零部件以应用本发明装置。

应用本发明装置，分为两步，一是组装推力测量系统及发动机；二是调试推力测量系统。

组装步骤依次为，静架14、原位校准装置13、测力组件15、动架16、悬挂部件18和发动机19。

调试推力测量系统主要内容是，调节发动机18和测力组件19的同轴度。最终，组装原理图见图3。

将静架14紧固安装于工作平台19上。静架14为无顶五面矩形体，其中四块承力壁构成中空矩形体；主承力壁的厚度和高度均大于其余三块的高度和厚度；静架14的底板长宽均大于四块承力壁组成的矩形体长宽；静架14的底板边缘位置开有八个通孔，方便螺栓穿过通孔将静架固定于工作平台上。主承力壁的中间部位开有通孔，主承力壁的外壁面紧固安装带有通孔的大法兰；薄承力壁的中间部位开有通孔，薄承力壁的外壁面紧固安装有与丝杠1301配合的螺母块。

原位校准装置13安装于静架14中，起到产生标准力的功能，用于获取推力测量系统的静态性能。将螺母块1303固定安装于静架14薄承力壁外侧，丝杠1301与螺母块1303配合安装；再将丝杠锁紧零件1302旋在丝杠1301上并紧贴螺母块1303。接着，将承力环1304套在位于静架14内部的丝杠1301上；依次安装内弹簧1305、内套筒1306、外弹簧1307、外套筒1308、两个角接触球轴承1309、定位零件1310和锁紧零件1311。最后，依次安装螺纹连接件1312、标准力传感器1313、和传力杆1314。

测力组件15安装于大法兰20与动架16法兰之间，起到传感测量推力的作用。测力组件15由四支力传感器1501和紧压零件1502组成；力传感器1501分布于上下左右四个方位，相邻传感器夹角呈直角；传感器的力感受面位于动架法兰侧，非力感受面与大法兰紧贴。

动架16用于连接测力组件15和发动机17，起到传递力、促使发动机17和测力组件15保持同轴的功能。动架16为两端法兰中间连杆的结构形式；与测力组件15连接侧的动架16法兰边缘有四个均布的通孔，法兰的中间为空心外凸圆柱结构；与发动机17连接的动架16法兰边缘有四个均布的通孔，法兰中心为通孔；动架16两个法兰之间由直杆连接。动架16与发动机17连接侧的法兰中心带有通孔，通孔在动态校准试验中的激振试验起到至关重要的连接作用。具体是，激振试验中将一个螺栓的螺纹杆穿过通孔与激振器前端的阻抗头(带有测量力和加速度的功能)上螺纹孔紧密连接；螺栓的螺帽外廓尺寸大于通孔的直径，以便螺帽和垫片紧贴于法兰。在发动机点火试验中，此通孔可用于安装压力传感器，用于测量脉冲爆震发动机推力壁上的燃气压力。

悬挂部件18安装于工作平台19上，起到固定和调节发动机17高度的作用。本实例中的发动机17长度远远大于宽度，因此需要使用两组悬挂部件18。发动机17结构近似于一端封闭的空心直管，质量分布均匀，因此两组悬挂部件18等距的安装于发动机17长度平分线两侧即可。具体安装发动机17过程是，将发动机17放置于带有升降功能的支撑架上，将发动机17升至所需高度(要稍微高于目标高度)。接着受拉零件1805(本实例中可用上拉环和下拉环)紧固安装于发动机17上，弹性元件1804(弹性元件1804均布于发动机17外壁四周，弹性元件1804与受拉零件1805配合安装，本实例可用钢片或细钢丝线)安装于受拉零件1805和升降螺纹套1803之间，升降螺栓1801螺旋安装于悬挂块1802上，将升降螺栓1801与升降螺纹套1803连接，最后将刚性/弹性拉压零件1806与弹性元件1804连接(本实例可用螺纹拉杆和内外螺纹杆)。最后，将发动机17和动架16连接，固定悬挂块1802。

使用两把高度尺、一把水平尺，来测试发动机17外壳的高度，据此判断发动机轴线是否与测力组件15的轴线在同轴度误差范围内。首先，先测量大法兰20的外缘高度，计算出大法兰20中心距离工作平台19的高度(此高度即为测力组件中心轴线距离工作平台的高度)；接着，利用水平尺来检测发动机17的水平度，调节升降螺栓，促使发动机17保持水平；然后，将两把高度尺游标卡到所需要的高度，调节升降螺栓，使发动机17外壳与高度尺游标相接触(即发动机和测力组件保持同轴)。

Claims (10)

1.一种小推力测量装置，包括原位校准装置(13)、静架(14)、测力组件(15)、动架(16)和悬挂部件(18)，所述原位校准装置(13)、测力组件(15)和动架(16)规范组合安装在静架(14)上；其特征在于：所述悬挂部件(18)以悬挂方式安装发动机(17)，所述原位校准装置(13)以机械加载方式实施静态校准。

2.根据权利要求1所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述悬挂部件(18)包括升降螺栓(1801)、悬挂块(1802)、升降螺纹套(1803)、弹性元件(1804)、受拉零件(1805)、刚性拉压零件或弹性拉压零件(1806)；所述悬挂块(1802)安装在工作平台(19)上；所述升降螺栓(1801)安装在悬挂块(1802)上；所述升降螺纹套(1803)安装在升降螺栓(1801)上；所述弹性元件(1804)与升降螺纹套(1803)和受拉零件(1805)连接；所述受拉零件(1805)安装在发动机(17)上；所述刚性拉压零件或弹性拉压零件(1806)安装在悬挂块(1802)上并与弹性元件(1804)连接；所述升降螺栓(1801)和升降螺纹套(1803)用以调节发动机(17)高度；所述弹性元件(1804)用以实现发动机(17)自由振动；所述升降螺栓(1801)与升降螺纹套(1803)和刚性拉压零件或弹性拉压零件(1806)用以实现发动机(17)只具有轴线方向上的平动自由度。

3.根据权利要求1所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述原位校准装置(13)包括丝杠(1301)、丝杠锁紧零件(1302)、螺母块(1303)、承力环(1304)内弹簧(1305)、内套筒(1306)、外弹簧(1307)、外套筒(1308)、角接触球轴承(1309)、定位零件(1310)、锁紧零件(1311)、螺纹连接件(1312)、标准力传感器(1313)和传力杆(1314)；所述螺母块(1303)安装在静架(14)上；所述丝杠(1301)与螺母块(1303)配合安装；所述内弹簧(1305)套装在丝杠(1301)上；所述内套筒(1306)套装在内弹簧(1305)上；所述外弹簧(1307)套装在内套筒(1306)上；所述外套筒(1308)套装在外弹簧(1307)上；所述角接触球轴承(1309)的内圈安装在丝杠(1301)上外圈安装在内套筒(1306)内部；所述螺纹连接件(1312)连接内套筒(1306)和标准力传感器(1313)；所述标准力传感器(1313)安装在螺纹连接件(1312)上；所述传力杆(1314)安装在标准力传感器(1313)上；所述丝杠(1301)将旋转运动转换为直线运动用以产生标准力；所述内弹簧(1305)、外弹簧(1307)、内套筒(1306)和外套筒(1308)用以实现减缓加载和卸载过程中冲击的影响；所述角接触球轴承(1309)用以防止内套筒(1306)、螺纹连接件(1312)和标准力传感器(1313)发生转动；所述标准力传感器(1313)用以测量标准力；所述传力杆(1314)用以传递拉力对测力组件(15)产生压力作用以实现静态校准。

4.根据权利要求1所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述动架(16)的结构为两端法兰中间连杆形式，所述动架(16)用以传递推力且促使发动机(17)和测力组件(15)保持同轴。

5.根据权利要求1所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述测力组件(15)包括四支力传感器(1501)和紧压零件(1502)，所述测力组件(15)用以传感测量推力。

6.根据权利要求1所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述发动机(17)包括小推力型航空航天发动机、其他类型小型动力装置。

7.根据权利要求2所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述弹性元件(1804)包括钢片、细钢丝绳或万向挠性元件。

8.根据权利要求2所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述受拉零件(1805)包括上拉环、下拉环、卡箍或卡环。

9.根据权利要求2所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述刚性拉压零件或弹性拉压零件(1806)包括螺纹拉杆、内外螺纹杆或可调弹性弹簧。

10.根据权利要求6所述的一种小推力测量装置，其特征在于：上述小推力型航空航天发动机包括姿态控制火箭发动机、轨道控制火箭发动机、脉冲爆震发动机、小型航空发动机或小型固体火箭发动机。