CN113295404B - 一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验方法 - Google Patents

一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验方法，实验系统包括配重块、信号采集装置、转臂、试验齿轮传动系统、电动机、应变传感器、变速箱和滑环引电器；工作时，电动机将功率输入变速箱，带动转臂高速回转，电机转动，所述信号采集装置采集滑环引电器采集到的应变信号，并将对信号进行放大后输出到计算机中进行存储和分析本发明能够测量航空传动系统在高速回转加速度运动中实际的动力学动态特性影响、动应力及轴系变形量，为航空传动系统的振动设计、寿命设计等提供准确的实验测试数据及设计指导。

Description

一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验 方法
技术领域
本发明属于航空齿轮传动技术领域，具体涉及一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验方法。
背景技术
就普通工程动力学问题而言，地球可近似为一个惯性系，相对于地球惯性参考系做变速直线运动或曲线运动的参考系成为非惯性系。航空系统通过变换加速度来改变飞行轨迹，实现盘旋、爬升、横滚等若干机动动作，是典型的非惯性系统。
由于基础运动产生附加效应对航空传动系统的动态特性、轴系偏移变形及动力学行为等有着不可忽略的影响，基础空间转动时，齿轮系统受到附加相对惯性力、附加科氏惯性力以及附加陀螺力矩共同作用，且重力效应由常激励变为时变激励，与基础空间位姿状态直接相关；回转变速运动对齿轮轴系偏移量、运动轨迹、中心距、齿侧间隙、支承力等均有显著影响，其中基础回转运动不仅影响偏移量(位移响应均值部分)，也是振动位移(位移响应波动部分)的重要激励。
目前，非惯性系统动力学相关理论在航空转子领域已有研究，对航空齿轮传动系统研究大多还是基于基础固定假设下，对盘旋等基础运动下产生的附加效应影响研究很少被考虑，且对于航空系统进行盘旋等基础运动的实验台设计及研究较少。现有技术至少存在以下缺点：
现有技术中公开了一种可模拟航空齿轮传动非惯性系环境的实验系统及方法中给出了一种可模拟航空齿轮传动非惯性系环境下的理论实验方法，其实验所测试传动系统安装在实验台的中心，由圆周运动加速度公式a＝w2r可知，传动系统的加速度数值较小，难以模拟航空系统在高速回转加速度运动下的动态响应及动应力，并间接计算轴系变形量的研究。
现有设计的模拟基础角运动的柔性转子实验台，也不能实现大机动下(大角加速度工况)的传动系统动态特性研究。
为更真实地开展航空传动系统在大机动回转加速度运动等的动力学特性、动应力及轴系变形量等实验研究，有必要设计出一种可模拟航空传动系统高速回转加速度运动的实验系统及其试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，包括配重块、信号采集装置、转臂、试验齿轮传动系统、电动机、应变传感器、变速箱和滑环引电器。
所述电动机和变速箱间隔安装在底座上。所述电动机输出端与变速箱输入端通过联轴器I连接。
所述转臂中部固接在变速箱输出端上。所述转臂的两端均设置有安装台。
所述试验齿轮传动系统和配重块分别安装在转臂的两个安装台上。
所述试验齿轮传动系统包括电机、待测试齿轮传动装置、绕线联轴器和磁粉支架。
所述电机通过联轴器II连接待测试齿轮传动装置的输入端。
所述磁粉支架上安装有磁粉式制动器负载。
所述绕线联轴器一端与待测试齿轮传动装置输出端连接，另一端安装在磁粉支架上。
所述滑环引电器安装在待测试齿轮传动装置的壳体上。
所述应变传感器贴在待测试齿轮传动装置的待测齿轮及轴系上。所述应变传感器的导线与滑环引电器连接。
所述信号采集装置均安装在转臂中部。
工作时，电动机将功率输入变速箱，带动转臂高速回转，电机转动，所述信号采集装置采集滑环引电器采集到的应变信号，并对信号进行放大后输出到计算机中进行存储。
进一步，所述待测试齿轮传动装置为平行轴齿轮传动箱。所述平行轴齿轮传动箱包括输入轴、输入齿轮、输出轴和输出齿轮。
所述输入轴两端通过轴承安装在平行轴齿轮传动箱体上。所述输入齿轮固接在输入轴上。所述输出轴两端通过轴承安装在平行轴航空齿轮传动箱体上。所述输出齿轮固接在输出轴上。所述输出齿轮与输入齿轮啮合。
进一步，所述待测试齿轮传动装置为行星齿轮传动箱。所述行星齿轮传动箱包括太阳轮轴、行星轮、齿圈和行星架。
所述太阳轮轴与行星轮外啮合。所述齿圈与行星轮内啮合。所述行星架安装在行星轮上。
进一步，还包括实验台接线箱和集流环。
所述实验台接线箱和集流环均安装在转臂中部。
进一步，所述信号采集装置与滑环引电器之间通过引线连接。
本发明还公开一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统的试验方法，包括如下步骤：
1)搭建齿轮传动实验系统，确保各零部件的连接处稳固。
2)轻敲应变传感器，检查应变传感器及齿轮传动实验系统是否正常工作。
3)启动电机，电机向待测试齿轮传动装置加载实验要求的负载转矩。
4)启动电动机，将转臂加速到实验要求的回转加速度。
5)在回转加速过程中，记录待测试齿轮传动装置中待测齿轮的动力学响应及动应力，测出轴系截面上的弯矩进而计算得到轴系变形量。
6)重复步骤4)和5)，通过电动机调整转臂的加速度，记录同一工况下的待测试齿轮传动装置中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量。
7)重复步骤3)、5)，通过调整电机转速，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置中待测齿轮在同一回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量。
8)重复步骤3)、4)、5)，通过调整电机转速，通过电动机调整转臂的加速度，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，具有如下技术效果：
1、本发明能够测量航空传动系统在高速回转加速度运动中实际的动力学动态特性、动应力影响以及轴系上的变形量，为航空传动系统的振动设计、寿命设计等提供准确的实验测试数据及设计指导。
2、本发明实施的传动系统可模拟较大角加速度(0～100g)的高速回转加速度运动环境，角加速度变化范围大，适用于直升机、战斗机及无人机等各类航空飞行器，通用性强。
3、可在某一稳定回转加速度数值下或变角加速度工况下测量航空传动系统的动力学响应数值、动应力变化以及轴系上的变形量，测量装置不受回转角加速度变化影响，测量数据准确性高。
附图说明
图1为本发明实验系统主视图；
图2为本发明实验系统俯视图；
图3为本发明试验齿轮传动系统的结构示意图；
图4为待测试齿轮传动装置的结构示意图1；
图5为待测试齿轮传动装置的结构示意图2；
图6为本发明传动系统安装台示意图；
图7为滑环引电器安装示意图。
图中：配重块1、实验台接线箱2、支架3、信号采集装置4、转臂5、试验齿轮传动系统6、电机601、联轴器II602、待测试齿轮传动装置603、输入轴6031、输入齿轮6032、输出轴6033、输出齿轮6034、太阳轮轴6035、行星轮6036、齿圈6037、行星架6038、绕线联轴器604、磁粉支架605、安装台7、电动机8、联轴器I9、变速箱10、底座11、引线12和滑环引电器13。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，参见图1至图3，包括配重块1、实验台接线箱2、集流环、信号采集装置4、转臂5、试验齿轮传动系统6、电动机8、应变传感器、变速箱10和滑环引电器13。
所述电动机8和变速箱10间隔安装在底座11上。所述电动机8输出端与变速箱10输入端通过联轴器I9连接。
所述转臂5中部固接在变速箱10输出端上。所述转臂5的两端均设置有安装台7。
所述试验齿轮传动系统6和配重块1分别安装在转臂5的两个安装台7上。
所述试验齿轮传动系统6包括电机601、待测试齿轮传动装置603、绕线联轴器604和磁粉支架605。
所述电机601通过联轴器II602连接待测试齿轮传动装置603的输入端。
所述磁粉支架605上安装有磁粉式制动器负载。
所述绕线联轴器604一端与待测试齿轮传动装置603输出端连接，另一端安装在磁粉支架605上。
参见图4，本实施例中，所述待测试齿轮传动装置603为平行轴齿轮传动箱。所述平行轴齿轮传动箱包括输入轴6031、输入齿轮6032、输出轴6033和输出齿轮6034。
所述输入轴6031两端通过轴承安装在平行轴齿轮传动箱体上。所述输入齿轮6032固接在输入轴6031上。所述输出轴6033两端通过轴承安装在平行轴齿轮传动箱体上。所述输出齿轮6034固接在输出轴6033上。所述输出齿轮6034与输入齿轮6032啮合。
所述滑环引电器13安装在待测试齿轮传动装置603的壳体上。
所述应变传感器主要构件为应变片，应变片贴在待测试齿轮传动装置603的待测齿轮上及轴系上。所述应变片的导线通过中空的齿轮轴后与滑环引电器13连接。
所述实验台接线箱2、集流环、信号采集装置4均安装在转臂5中部。实验台接线箱2主要为信号采集装置4、电机601、滑环引电器13等提供接线电源。集流环通过支架3安装在转臂5中部，集流环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤，避免其在高速回转过程中产生附加效应，影响测量结果。所述信号采集装置4与滑环引电器13之间通过引线12连接。本实施例中，所述信号采集装置4为应力应变测量仪。
工作时，电动机8将功率输入变速箱10，带动转臂5高速回转，电机601转动，应变传感器导线通过中空的齿轮轴后与高速滑环引电器13相连，滑环引电器13输出信号进入应力应变测量仪，应力应变测量仪对信号进行放大后输出到包含动态应变分析系统的计算机中进行存储及分析，计算机屏幕实时显示应力应变量单峰值。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，参见图1至图3，包括配重块1、信号采集装置4、转臂5、试验齿轮传动系统6、电动机8、应变传感器、变速箱10和滑环引电器13。
所述电动机8和变速箱10间隔安装在底座11上。所述电动机8输出端与变速箱10输入端通过联轴器I9连接。
所述转臂5中部固接在变速箱10输出端上。所述转臂5的两端均设置有安装台7。
所述试验齿轮传动系统6和配重块1分别安装在转臂5的两个安装台7上。
所述试验齿轮传动系统6包括电机601、待测试齿轮传动装置603、绕线联轴器604和磁粉支架605。
所述电机601通过联轴器II602连接待测试齿轮传动装置603的输入端。
所述磁粉支架605上安装有磁粉式制动器负载。
所述绕线联轴器604一端与待测试齿轮传动装置603输出端连接，另一端安装在磁粉支架605上。
参见图5，本实施例中，所述待测试齿轮传动装置603为行星齿轮传动箱。所述行星齿轮传动箱包括太阳轮轴6035、行星轮6036、齿圈6037和行星架6038。
所述太阳轮轴6035与行星轮6036外啮合。所述齿圈6037与行星轮6036内啮合。所述行星架6038安装在行星轮6036上。
所述滑环引电器13安装在待测试齿轮传动装置603的壳体上。
所述应变传感器主要构件为应变片，应变片贴在待测试齿轮传动装置603的待测齿轮上及轴系上。所述应变片的导线通过中空的齿轮轴后与滑环引电器13连接。
所述信号采集装置4均安装在转臂5中部。所述信号采集装置4与滑环引电器13之间通过引线12连接。本实施例中，所述信号采集装置4为应力应变测量仪。
工作时，电动机8将功率输入变速箱10，带动转臂5高速回转，电机601转动，应变传感器导线通过中空的齿轮轴后与高速滑环引电器13相连，滑环引电器13输出信号进入应力应变测量仪，应力应变测量仪对信号进行放大后输出到包含动态应变分析系统的计算机中进行存储及分析，计算机屏幕实时显示应力应变量单峰值
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，还包括实验台接线箱2和集流环。
所述实验台接线箱2和集流环均安装在转臂5中部。实验台接线箱2主要为信号采集装置4、电机601、滑环引电器13等提供接线电源。集流环通过支架3安装在转臂5中部，集流环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。避免其在高速回转过程中产生附加效应，影响测量结果。
实施例4：
本实施例公开一种基于实施例1或2所述可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统的试验方法，包括如下步骤：
1)搭建齿轮传动实验系统，确保各零部件的连接处稳固。
2)轻敲应变传感器，检查应变传感器及齿轮传动实验系统是否正常工作。
3)启动电机601，电机601向待测试齿轮传动装置603加载实验要求的负载转矩。
4)启动电动机8，将转臂5加速到实验要求的回转加速度。
5)在回转加速过程中，应变传感器导线通过中空的齿轮轴后与高速滑环引电器13相连，滑环引电器13输出信号进入应力应变测量仪，应力应变测量仪对信号进行放大后输出到包含动态应变分析系统的计算机中进行存储及分析，计算机屏幕实时显示应力应变量单峰值，记录待测试齿轮传动装置603中待测齿轮的动力学响应及动应力，并利用轴段材料、应力与应变关系以及轴段的截面参数，测出轴系截面上的弯矩进而计算得到轴系变形量，本实施例中，应变传感器的布置方式为，在轴段表面的180°相对位置沿轴向粘贴两组应变片。
6)重复步骤4)和5)，通过电动机8调整转臂5的加速度，记录同一工况下的待测试齿轮传动装置603中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并间接计算轴系变形量。
7)重复步骤3)、5)，通过调整电机601转速，使电机601向待测试齿轮传动装置603加载实验要求的负载转矩，在回转加速过程中，应变传感器导线通过中空的齿轮轴后与高速滑环引电器13相连，滑环引电器13输出信号进入应力应变测量仪，应力应变测量仪对信号进行放大后输出到包含动态应变分析系统的计算机中进行存储及分析，计算机屏幕实时显示应力应变量单峰值，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置603中待测齿轮在同一回转加速度下的动力学响应及动应力，并间接计算轴系变形量。
8)重复步骤3)、4)、5)，通过调整电机601转速，使电机601向待测试齿轮传动装置603加载实验要求的负载转矩，通过电动机8调整转臂5的加速度，将转臂5加速到实验要求的回转加速度，在回转加速过程中，应变传感器导线通过中空的齿轮轴后与高速滑环引电器13相连，滑环引电器13输出信号进入应力应变测量仪，应力应变测量仪对信号进行放大后输出到包含动态应变分析系统的计算机中进行存储及分析，计算机屏幕实时显示应力应变量单峰值，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置603中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并间接计算轴系变形量。
进一步，在步骤5)中，利用轴段截面上的弯矩进而测量轴系变形量的过程中，需要结合轴系的校中的理论计算，一般是根据轴系布置建立轴系的校中模型，进行轴系的直线对中计算，然后轴系截面上的弯矩计算如下：
M＝Mo+B·ΔY(1)
式(1)中，Mo为直线对中状态相应截面上的弯矩，B为弯矩影响系数，上式还可改写为：
ΔY＝B-1·ΔM(2)
式(2)中，B-1为广义逆，由此可计算出轴系的变形量。
值得说明的是，由于所采用的滑环引电器13的通道是有限的，较难实现在被测齿轮的任意部位布置应变传感器，因此需要针对齿轮在传动过程中容易出现最大变形处布置应变片。考虑到所采用的滑环引电器13的通道数为18，应变片数量不能大于9，所以在试验过程中单个齿轮的应变数量设定为7。此外，对于高速直齿轮辐板动应力测量，应变片的粘贴工艺尤为重要。在离心载荷、滑油冲刷及振动载荷等因素作用下，应变传感器可能松动或剥离，从而导致整个测试系统失效，划线确定粘贴位置后，使用合适的砂布打磨，去除锈斑、漆层和镀层等。打磨光滑的表面需用丙酮按一个方向清洗，清洗干净的标准为棉球不变色。涂胶应薄而均匀，空置(0.5～1min)后盖上特氟隆薄膜，快速完成应变传感器的粘贴，并按特定程序对试验件上的应变出传感器加温固化。
本实施例公开的可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统的试验方法，在回转试验台高速回转带动航空齿轮传动系统回转，模拟航空飞行器高速回转加速度运动，更接近于航空齿轮传动系统的实际工况，通过滑环引电器测量其动应力、应变片测量振动响应齿轮及轴系变形等，以研究在非惯性环境下齿轮传动系统的动态特性、动应力等的影响，为航空传动系统的振动设计、寿命设计等提供准确的实验测试数据及设计指导。

Claims (6)

1.一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，其特征在于：包括配重块(1)、信号采集装置(4)、转臂(5)、试验齿轮传动系统(6)、电动机(8)、应变传感器、变速箱(10)和滑环引电器(13)；
所述电动机(8)和变速箱(10)间隔安装在底座(11)上；所述电动机(8)输出端与变速箱(10)输入端通过联轴器I(9)连接；
所述转臂(5)中部固接在变速箱(10)输出端上；所述转臂(5)的两端均设置有安装台(7)；
所述试验齿轮传动系统(6)和配重块(1)分别安装在转臂(5)的两个安装台(7)上；
所述试验齿轮传动系统(6)包括电机(601)、待测试齿轮传动装置(603)、绕线联轴器(604)和磁粉支架(605)；
所述电机(601)通过联轴器II(602)连接待测试齿轮传动装置(603)的输入端；
所述磁粉支架(605)上安装有磁粉式制动器负载；
所述绕线联轴器(604)一端与待测试齿轮传动装置(603)输出端连接，另一端安装在磁粉支架(605)上；
所述滑环引电器(13)安装在待测试齿轮传动装置(603)的壳体上；
所述应变传感器贴在待测试齿轮传动装置(603)的待测齿轮上及轴系上；所述应变传感器的导线与滑环引电器(13)连接；
所述信号采集装置(4)安装在转臂(5)中部；
工作时，电动机(8)将功率输入变速箱(10)，带动转臂(5)高速回转，电机(601)转动，所述信号采集装置(4)采集滑环引电器(13)采集到的应变信号，并对信号进行放大后输出到计算机中进行存储。
2.根据权利要求1所述的一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，其特征在于：所述待测试齿轮传动装置(603)为平行轴齿轮传动箱；所述平行轴齿轮传动箱包括输入轴(6031)、输入齿轮(6032)、输出轴(6033)和输出齿轮(6034)；
所述输入轴(6031)两端通过轴承安装在平行轴齿轮传动箱体上；所述输入齿轮(6032)固接在输入轴(6031)上；所述输出轴(6033)两端通过轴承安装在平行轴齿轮传动箱体上；所述输出齿轮(6034)固接在输出轴(6033)上；所述输出齿轮(6034)与输入齿轮(6032)啮合。
3.根据权利要求2所述的一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，其特征在于：所述待测试齿轮传动装置(603)为行星齿轮传动箱；所述行星齿轮传动箱包括太阳轮轴(6035)、行星轮(6036)、齿圈(6037)和行星架(6038)；
所述太阳轮轴(6035)与行星轮(6036)外啮合；所述齿圈(6037)与行星轮(6036)内啮合；所述行星架(6038)安装在行星轮(6036)上。
4.根据权利要求1所述的一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，其特征在于：还包括实验台接线箱(2)和集流环；
所述实验台接线箱(2)和集流环均安装在转臂(5)中部。
5.根据权利要求1所述的一种可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统，其特征在于：所述信号采集装置(4)与滑环引电器(13)之间通过引线(12)连接。
6.一种基于权利要求1所述的可实现高回转加速度的航空齿轮传动实验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)搭建齿轮传动实验系统，确保各零部件的连接处稳固；
2)轻敲应变传感器，检查应变传感器及齿轮传动实验系统是否正常工作；
3)启动电机(601)，电机(601)向待测试齿轮传动装置(603)加载实验要求的负载转矩；
4)启动电动机(8)，将转臂(5)加速到实验要求的回转加速度；
5)在回转加速过程中，记录待测试齿轮传动装置(603)中待测齿轮的动力学响应及动应力，测出轴系截面上的弯矩进而计算得到轴系变形量；
6)重复步骤4)和5)，通过电动机(8)调整转臂(5)的加速度，记录同一工况下的待测试齿轮传动装置(603)中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量；
7)重复步骤3)、5)，通过调整电机(601)转速，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置(603)中待测齿轮在同一回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量；
8)重复步骤3)、4)、5)，通过调整电机(601)转速，通过电动机(8)调整转臂(5)的加速度，记录不同工况下的待测试齿轮传动装置(603)中待测齿轮在不同回转加速度下的动力学响应及动应力，并计算出轴系变形量。
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