CN110895194A - 一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，包括固定横梁框架；该框架内同轴固定设置第一轴承刚度模拟工装、第二轴承刚度模拟工装和第三轴承刚度模拟工装，发动机轴系分别通过第一轴承组件、第二轴承组件和第三轴承组件安装在三个刚度模拟工装上；发动机轴系下部与风扇盘模拟工装上部相连；风扇盘模拟工装下部与弯矩加载工装顶部相连；弯矩加载工装底部通过十字万向节与扭矩加载工装顶部相连；扭矩加载工装底部通过轴拉加载工装与轴向加载作动器顶端铰接；轴向加载作动器与固定横梁框架铰接。本发明能在发动机轴系静强度试验中对发动机轴系进行刚度模拟，明显提升对轴系的轴拉、弯矩和扭矩等载荷复合加载精度，有效准确进行试验。
Description
技术领域
本发明涉及发动机轴系试验技术领域，特别是涉及一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置。
背景技术
目前，发动机轴系属于发动机的核心部件，初步设计阶段在整机试车中，需要考核其最大载荷下的静承载能力是否满足静强度设计要求，从而为结构优化设计提供支撑。根据发动机轴系在实际工况中的受力情况，例如：起飞、俯仰、转向，其静强度试验一般同时包含轴拉、弯矩、扭矩、剪切等载荷，十分复杂。
发动机轴系的静强度试验夹具及转接段设计，应满足发动机轴系静强度试验的载荷模拟、边界条件模拟及相关试验要求。这就需要对发动机轴系进行轴承的刚度模拟，以及加载边界和约束边界的模拟。其中，试验模拟方法需要不断仿真分析优化，尽可能的保证与发动机实际装配情况下轴系的应力应变水平一致。
但是，现有的发动机轴系的静强度试验技术，其在加载的精度等方面，还无法满足用户的需求，需要进一步的细化与改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置。
为此，本发明提供了一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，包括固定横梁框架；
固定横梁框架内部，同轴固定设置有从上到下依次间隔分布的第一轴承刚度模拟工装、第二轴承刚度模拟工装和第三轴承刚度模拟工装；
垂直分布的发动机轴系，分别通过第一轴承组件、第二轴承组件和第三轴承组件，安装在第一轴承刚度模拟工装、第二轴承刚度模拟工装和第三轴承刚度模拟工装上；
发动机轴系的下部，与风扇盘模拟工装的上部相连接；
风扇盘模拟工装的下部，通过螺栓与弯矩加载工装顶部中心位置相连接；
弯矩加载工装左右两侧的外端支臂上，分别设置有一个弯矩加载作动器；
弯矩加载工装的轴向底部，通过十字万向节与扭矩加载工装的顶部相连接；
扭矩加载工装左右两侧的外端支臂上，分别设置有一个扭矩加载作动器；
扭矩加载工装的轴向底部，通过轴拉加载工装与轴向加载作动器的顶端相铰接；
轴向加载作动器的底端，与固定横梁框架的水平底座顶面相铰接。
其中，第一轴承组件、第二轴承组件和第三轴承组件，采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系上。
其中，第一轴承组件、第二轴承组件和第三轴承组件，具体分别为：号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件；
5号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件，分别包括1号轴承及其衬套、2号轴承及其衬套、5号轴承及其衬套，衬套采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系上。
其中，发动机轴系的上部安装有支撑锥臂；
支撑锥臂的顶部通过螺栓，与涡轮盘模拟工装的下侧固定连接；
涡轮盘模拟工装的上侧，通过螺栓与涡轮盘固定工装相连接；
涡轮盘固定工装的顶部，安装在固定横梁框架的顶部横梁的底面。
其中，支撑锥臂上部的法兰端面，通过螺栓的形式固定到涡轮盘模拟工装上。
其中，发动机轴系的下部，通过套齿与风扇盘模拟工装的上部相连接。
其中，固定横梁框架包含水平底座和顶部横梁；
水平底座与顶部横梁之间，通过四根立柱连接，形成自平衡封闭框架。
其中，两个弯矩加载作动器的轴线垂直于水平面；
两个扭矩加载作动器的轴线均与水平面平行，并且以扭矩加载工装的中心点为原点对称分布。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，其能够在发动机轴系的静强度试验中，对发动机轴系进行刚度模拟，明显提升对发动机轴系的轴拉、弯矩和扭矩等载荷的复合加载精度，从而有效准确的进行发动机轴系静强度试验，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，还能够对发动机轴系进行刚度模拟，更好地满足静强度试验的要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置中包括的刚度模拟部分的剖面结构示意图；
图中，1、第一轴承刚度模拟工装，2、涡轮盘模拟工装，3、轴承组件，4、支撑锥臂，5、发动机轴系；
6、第二轴承组件，7、第二轴承刚度模拟工装，8、第三轴承组件，9、第三轴承刚度模拟工装，10、风扇盘模拟工装；
11、涡轮盘固定工装，12、固定横梁框架，13、弯矩加载工装，14、十字万向节，15、扭矩加载工装；
16、轴拉加载工装，17、弯矩加载作动器，18、扭矩加载作动器，19、轴向加载作动器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1、图2，本发明提供的一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，包括固定横梁框架12；
固定横梁框架12内部，同轴固定设置有从上到下依次间隔分布的第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9；
垂直分布的发动机轴系5，分别通过第一轴承组件3、第二轴承组件6和第三轴承组件8，安装在第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9上；
在本发明中，需要说明的是，第一轴承组件3、第二轴承组件6和第三轴承组件8，都是通过加热装配的方式，进行过盈配合装配。
发动机轴系5的下部，与风扇盘模拟工装10的上部相连接；
风扇盘模拟工装10的下部，通过螺栓与弯矩加载工装13顶部中心位置相连接；
弯矩加载工装13左右两侧的外端支臂上，分别设置有(铰接)一个弯矩加载作动器17；
弯矩加载工装13的轴向底部(具体为底面)，通过十字万向节14与扭矩加载工装15的顶部(具体为顶部的上表面)相连接；
扭矩加载工装15左右两侧的外端支臂上，分别设置有一个扭矩加载作动器18；
在本发明中，需要说明的是，扭矩加载作动器18，与弯矩加载作动器17，两者不连接，相互独立。
在本发明中，具体实现上，扭矩加载作动器18，与固定横梁框架12的立柱123，两者相互垂直并且两者通过螺栓固定连接，能够起到固定作用和提供反作用力。
扭矩加载工装15的轴向底部，通过轴拉加载工装16与轴向加载作动器19的顶端相铰接；
轴向加载作动器19的底端，与固定横梁框架12的水平底座121顶面相铰接。
在本发明中，具体实现上，第一轴承组件3、第二轴承组件6和第三轴承组件8，具体分别为：5号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件。
具体实现上，第一轴承组件3、第二轴承组件6和第三轴承组件8，采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系5上。
具体实现上，5号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件，分别包括1号轴承及其衬套、2号轴承及其衬套、5号轴承及其衬套，衬套采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系5上。
在本发明中，具体实现上，发动机轴系5的上部安装(通过螺栓)有支撑锥臂4；
支撑锥臂4的顶部通过螺栓，与涡轮盘模拟工装2的下侧固定连接；
涡轮盘模拟工装2的上侧，通过螺栓与涡轮盘固定工装11相连接；
涡轮盘固定工装11的顶部，安装(通过螺栓)在固定横梁框架12的顶部横梁122的底面。对于本发明，对涡轮盘固定工装11可以进行微调。以保证同轴度。
具体实现上，支撑锥臂4上部的法兰端面，通过螺栓的形式固定到涡轮盘模拟工装2上。
在本发明中，具体实现上，发动机轴系5的下部，通过套齿与风扇盘模拟工装10的上部相连接。
在本发明中，具体实现上，第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9，分别是5号轴承刚度模拟工装、2号轴承刚度模拟工装和1号轴承刚度模拟工装，其中，第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9以规定的径向刚度作为约束，同时，第二轴承刚度模拟工装7还以规定轴向刚度进行约束。
需要说明的是，在本发明中，扭矩、弯矩、轴拉是通过风扇盘模拟工装10，以套齿连接的形式传递给发动机轴系5。
在本发明中，具体实现上，固定横梁框架12包含水平底座121和顶部横梁122；
水平底座121与顶部横梁122之间，通过四根立柱123连接，形成自平衡封闭框架。
在本发明中，具体实现上，两个弯矩加载作动器17的轴线垂直于水平面。需要说明的是，在加载时，其中一个弯矩加载作动器17是推力，另外一个弯矩加载作动器17是拉力。
在本发明中，具体实现上，两个扭矩加载作动器18的轴线均与水平面平行，并且以扭矩加载工装15的中心点为原点对称分布。需要说明的是，在加载时，两个扭矩加载作动器18均为拉力。
需要说明的是，在本发明中，发动机轴系5在装配及试验过程中，需要用弹性绳进行保护。
需要说明的是，对于本发明，三个轴承组件、三个轴承刚度模拟工装以及固定横梁框架的组合系统，可以视为多个串联的弹簧，则支撑组件的刚度为：
式中：k为需模拟的组合刚度；k1为轴承组件的刚度(具体等于第一轴承组件3、第二轴承组件6和第三轴承组件8的平均刚度)；k2为轴承刚度模拟工装的刚度(具体等于第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9的平均刚度)；k3为固定横梁框架的刚度。
进一步的，根据轴承选型，可以计算出所述轴承组件的径向刚度k1。
式中，F为径向刚度负荷，单位N；δ1为轴承径向弹性位移，单位mm；δ2为轴承外圈与轴承支座的接触变形，单位mm；δ3为轴承内圈与轴径的接触变形，单位mm。
需要说明的是，具体实现上，所述轴承刚度模拟工装的刚度k2，通过有限元进行仿真计算，其中，不仅仅需要考量模拟工装的径向刚度，也要保证轴向刚度。由于第二轴承组件6(即2号轴承组件)中的2号轴承属于深沟球轴承，能承受部分轴向力，故2号轴承的轴向刚度，影响到轴系的传力路径和应力分布。
具体实现上，固定横梁框架的刚度k3，同样通过有限元进行仿真计算。
需要说明的是，对于本发明提供的发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，其采用的整体静力加载方法，具体如下：
首先，固定横梁框架包含一个水平底座和顶部横梁，水平底座与顶部横梁通过四根立柱连接，形成自平衡封闭框架。
接着，在固定横梁框架12内部，同轴设置有第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9，并且，第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9和所定横梁框架连接，发动机轴系5通过三个轴承组件安装在这三个轴承刚度模拟工装上，其中，第一轴承刚度模拟工装1、第二轴承刚度模拟工装7和第三轴承刚度模拟工装9，这轴承刚度模拟工装，用于模拟发动机轴系真实安装时的边界约束，可以使得后续载荷加载试验的结构更准确。
接着，涡轮盘模拟工装2一侧通过螺栓与所述支撑锥臂4连接；另一侧通过螺栓与涡轮盘固定工装11连接，涡轮盘固定工装11安装在固定横梁框架12上，并可以进行微调以保证同轴度。
接着，发动机轴系5下部通过套齿和风扇盘模拟工装10连接，风扇盘模拟工装10的另一侧通过螺栓与弯矩加载工装13连接。
接着，弯矩加载工装13外端支臂上设置两个弯矩加载作动器17，两个弯矩加载作动器17的轴线垂直于水平面，加载时，其中一个作动器是推力，另外一个是拉力。
接着，扭矩加载工装15固定在弯矩加载工装13的轴向底部；通过所述十字万向节14进行连接。
接着，扭矩加载工装15的外端支臂上设置两个扭矩加载作动器18，两个扭矩加载作动器18的轴线均与水平面平行；且以所述扭矩加载工装的中心点为原点对称分布，两个扭矩加载作动器18均为拉力。
接着，轴向加载作动器19为一个，一端与所述扭矩加载工装的轴向底部铰接，另一端与固定横梁框架12铰接。
接着，发动机轴系5在装配及试验过程中，需要用弹性绳进行保护。
需要说明的是，对于本发明，根据试验工况里的载荷，将每种工况里面的不同载荷合成为一个轴拉载荷、一个弯矩载荷、一个扭矩载荷。
其中，在初始状态(未加载)时，轴向加载作动器19上粘接的力传感器，需要将夹具(具体包括风扇盘模拟工装10、弯矩加载工装13、十字万向节14、扭矩加载工装15和轴拉加载工装16)的重量扣除。根据工况条件，逐级增加载荷量级，直至达到规定的最大载荷。
在初始状态(未加载)时，弯矩加载作动器17的轴线方向垂直于所述弯矩加载工装外端支臂的轴线，根据工况条件，逐级增加载荷量级，直至达到规定的最大载荷。
具体实现上，对于本发明，在很大(接近破坏载荷)的扭矩载荷下，发动机轴系5将产生较大的扭转，使得扭矩加载作动器18载荷方向与扭转力臂产生较大角度，导致加载偏差。针对以上情况，本发明的装置，采用了预扭的加载方法。具体如下：
首先，先进行小载荷的预试验，对比小载荷下有限元分析扭转角度与实际的扭转角度的偏差。然后，结合上述偏差与大载荷下有限元分析扭转角度，预估大载荷实际试验中的扭转角度。初始状态(未加载)时，预先将扭矩加载作动器18轴线和扭矩加载工装15外端支臂成对应角度(预估的最大扭转角度)。根据工况条件，逐级增加载荷量级，直至达到规定的最大载荷；从而使得最大载荷施加时，扭矩加载作动器18轴线和扭矩加载工装15的外端支臂垂直。
基于以上技术方案，对于本发明，同时在弯矩、扭矩、轴向力进行复合加载时，利用夹具(具体包括风扇盘模拟工装10、弯矩加载工装13、十字万向节14、扭矩加载工装15和轴拉加载工装16)及球铰、十字万向节进行机械解耦，减少三种载荷相互之间的干扰。
对于本发明，为了保证加载精度，试验中需要测量轴拉、弯矩、扭矩，同时监测发动机轴系5的形变和应力。具体方式如下：
具体实现上，轴力测量：轴力通过轴向加载作动器19上的拉压式力传感器进行测量，试验前需要将夹具(具体包括风扇盘模拟工装10、弯矩加载工装13、十字万向节14、扭矩加载工装15和轴拉加载工装16)和试验件的重量进行扣除。其中，需要说明的是，拉压式力传感器，是测量拉压力值的，具体位置不做阐述，可以为行业内的通用位置。
具体实现上，弯矩测量：力通过弯矩作动器17上的拉压式力传感器进行测量，力臂通过工装加工保证，通过安装约束和角度调整保证所述弯矩作动器轴线和支臂垂直，弯矩等于力和支臂的乘积。其中，需要说明的是，拉压式力传感器，是测量拉压力值的，具体位置不做阐述，可以为行业内的通用位置。
具体实现上，扭矩测量：力通过扭矩作动器18的上拉压式力传感器进行测量，力偶臂通过工装加工保证，通过安装约束和角度调整保证所述扭矩作动器轴线和支臂垂直，扭矩等于力和支臂的乘积。中，需要说明的是，拉压式力传感器，是测量拉压力值的，具体位置不做阐述，可以为行业内的通用位置。
具体实现上，形变测量：通过在发动机轴系5轴向与径向四周布置(具体为粘接)位移传感器，测量形变；形变测量分为轴向形变、径向形变、扭转角度三个方面。
具体实现上，应变测量：在发动机轴系5的关键部位(具体可以是发动机轴系5中应力较大的位置)粘贴应变花，用以监测所述发动机轴系的应力水平。
在本发明中，具体实现上，规定了可能影响加载精度的几个方面，具体如下：
1、影响轴向力加载精度的因素包括：发动机轴系加载端径向位移造成的载荷偏差；发动机轴系加载端轴向位移造成的所述扭转作动器载荷轴向分量造成的载荷偏差。
2、影响弯矩加载精度的因素包括：2个扭矩作动器载荷的控制偏差造成的额外弯矩偏差；发动机轴系加载端弯曲角位移造成的弯矩力臂偏差；所述发动机轴系加载端径向位移造成的轴向力额外弯矩偏差；发动机轴系加载端扭转角位移造成的弯矩力臂偏差。
3、影响扭矩加载精度的因素包括：发动机轴系加载端轴向位移造成的所述扭转作动器载荷径向分量造成的载荷偏差；发动机轴系加载端扭转角位移造成的扭矩力臂偏差。
因此，根据上述影响加载精度的因素，可以通过理论计算进行偏差的修正，进一步修正弯矩加载作动器17、所述扭矩加载作动器18、轴向加载作动器19的控制载荷，从而提高加载精度。
对于本发明，可以通过上述的轴拉、弯矩、扭矩、形变和应力测量结果，通过现有的运算方法，可以计算出实际的轴向力、弯矩、扭矩载荷，然后和目标值进行比对，从而可以进一步修正弯矩加载作动器17、扭矩加载作动器18、轴向加载作动器19的控制载荷，从而提高试验的载荷加载精度。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、本专利提供了发动机轴系静强度试验中，轴拉、弯矩、扭矩复合加载方式，包含发动机轴系约束形式、载荷模拟、边界条件模拟，保证与发动机实际装配情况下轴系的应力应变水平一致；
2、本发明在弯矩、扭矩、轴向力进行复合加载时，利用夹具及球铰、十字万向节进行机械解耦，减少三种载荷相互之间的干扰；
3、本发明通过采用预扭的加载方法，解决了在大扭矩(接近破坏载荷)载荷且发动机轴系产生较大的扭转变形的情况下，扭矩加载控制方法，保证扭矩能有效、准确的施加；
4、本发明提供了发动机轴系静强度试验加载精度控制方法，可以通过轴拉、弯矩、扭矩、形变和应力的测量结果，计算出实际的轴向力、弯矩、扭矩载荷，和目标值进行比对，进一步修正弯矩加载作动器17、扭矩加载作动器、轴向加载作动器19的控制载荷，从而提高加载精度；
5、本发明研究提出了可能影响加载精度的几个因素，根据影响加载精度的因素，通过理论计算进行偏差的修正，进一步修加载作动器的控制载荷，从而提高加载精度。
6、本发明提供了发动机轴系的刚度模拟计算方法。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，其能够在发动机轴系的静强度试验中，对发动机轴系进行刚度模拟，明显提升对发动机轴系的轴拉、弯矩和扭矩等载荷的复合加载精度，从而有效准确的进行发动机轴系静强度试验，具有重大的生产实践意义。
此外，本发明提供的发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，还能够对发动机轴系进行刚度模拟，更好地满足静强度试验的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种发动机轴系刚度模拟与加载精度控制装置，其特征在于，包括固定横梁框架(12)；
固定横梁框架(12)内部，同轴固定设置有从上到下依次间隔分布的第一轴承刚度模拟工装(1)、第二轴承刚度模拟工装(7)和第三轴承刚度模拟工装(9)；
垂直分布的发动机轴系(5)，分别通过第一轴承组件(3)、第二轴承组件(6)和第三轴承组件(8)，安装在第一轴承刚度模拟工装(1)、第二轴承刚度模拟工装(7)和第三轴承刚度模拟工装(9)上；
发动机轴系(5)的下部，与风扇盘模拟工装(10)的上部相连接；
风扇盘模拟工装(10)的下部，通过螺栓与弯矩加载工装(13)顶部中心位置相连接；
弯矩加载工装(13)左右两侧的外端支臂上，分别设置有一个弯矩加载作动器(17)；
弯矩加载工装(13)的轴向底部，通过十字万向节(14)与扭矩加载工装(15)的顶部相连接；
扭矩加载工装(15)左右两侧的外端支臂上，分别设置有一个扭矩加载作动器(18)；
扭矩加载工装(15)的轴向底部，通过轴拉加载工装(16)与轴向加载作动器(19)的顶端相铰接；
轴向加载作动器(19)的底端，与固定横梁框架(12)的水平底座(121)顶面相铰接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一轴承组件(3)、第二轴承组件(6)和第三轴承组件(8)，采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系(5)上。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一轴承组件(3)、第二轴承组件(6)和第三轴承组件(8)，具体分别为：5号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件；
5号轴承组件、2号轴承组件和1号轴承组件，分别包括1号轴承及其衬套、2号轴承及其衬套、5号轴承及其衬套，衬套采取过盈配合的方式，安装在发动机轴系(5)上。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，发动机轴系(5)的上部安装有支撑锥臂(4)；
支撑锥臂(4)的顶部通过螺栓，与涡轮盘模拟工装(2)的下侧固定连接；
涡轮盘模拟工装(2)的上侧，通过螺栓与涡轮盘固定工装(11)相连接；
涡轮盘固定工装(11)的顶部，安装在固定横梁框架(12)的顶部横梁(122)的底面。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，支撑锥臂(4)上部的法兰端面，通过螺栓的形式固定到涡轮盘模拟工装(2)上。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，发动机轴系(5)的下部，通过套齿与风扇盘模拟工装(10)的上部相连接。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，固定横梁框架(12)包含水平底座(121)和顶部横梁(122)；
水平底座(121)与顶部横梁(122)之间，通过四根立柱(123)连接，形成自平衡封闭框架。
8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，两个弯矩加载作动器(17)的轴线垂直于水平面；
两个扭矩加载作动器(18)的轴线均与水平面平行，并且以扭矩加载工装(15)的中心点为原点对称分布。
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