张欢 张婷婷 肖志明 李霖

摘 要：针对某涡轴发动机姿态试车台侧滚姿态角度范围有限，难以获得发动机在整个飞行包线内的各项参数变化，为了模拟飞机各种飞行姿态下的发动机状态，满足航空发动机姿态试验需求，需建立涵盖所有飞行姿态的试验台。本文需针对现有姿态侧滚台架进行分析，提出一个全姿态角度侧滚台架设计方案，并利用有限元软件对其频率特性和结构强度进行了仿真计算分析，结果满足试验需求。

关键词：航空发动机试验；全姿态角度；仿真

中图分类号：V216 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0082-04

航空发动机被誉为飞机制造业“皇冠上的明珠”，发动机姿态试验是考察发动机在整个飞行姿态包线内发动机各系统的工作情况的特种试验，被列入“飞行前规定试验”结构试验的重要项目之一[1]由于發动机在飞行包线内转子受力、滑油压力等各项参数变化幅度较大，对发动机各个部件的性能及工作稳定性，对发动机的振动、结构强度、轴承的润滑等均有重大影响。随着科学技术的不断提高，飞机的更新换代，各项性能的提高，飞机的机动性能也越来越高。能够做出各种高难度的飞行姿态，所以现有的侧滚姿态角度范围难以满足今后的试验要求。

目前国内已有涡轴发动机姿态试车台，发动机安装在侧滚设备上与侧功系统均固定在平台上做俯仰运动。而侧滚驱动机构安装在发动机及测功器之间，故发动机及测功器之间的传动轴系较长，导致其转动稳定性不高。且侧滚驱动机构因其自身能力的限制，其侧滚角度最大只能实现±50°，极大的限制了航空发动机进行大姿态侧滚运动的能力，对于较大姿态的侧滚乃至于倒飞试验等要求难以满足。如何实现侧滚台架全姿态角度运动，并满足航空发动机与测功器之间传动轴尽量缩短的要求，是急需解决的问题。本文介绍了一种用于发动机姿态试验的全姿态角度侧滚台架设计，并利用有限元软件对其频率特性和结构强度进行了仿真计算，能在一定程度上指导试验过程，规避试验风险，确保其满足试验需求。

1 全姿态角度侧滚台架方案设计

侧滚运动姿态台架的改进方案拟设计为整体笼状结构，笼装结构即为发动机共用基座，其前后两端用轴承支撑，内部有发动机公用安装基座，外部连接齿轮与液压马达连接。

全姿态侧滚台架的整体结构示意图如图1所示，主要由发动机安装架、支撑座、传动系统、驱动系统、姿态保持系统（刹车系统）等组成。

其中发动机安装架与齿轮和轴承内圈固定，轴承外圈固定在支撑座上，可以通过齿轮传动机构驱动发动机安装架与发动机一起做侧滚方向的运动，并可通过刹车盘固定在当前姿态。

传动系统与驱动系统为了不与发动机安装架架发生干涉，选择安装在基座下方，如图2所示，液压马达采用竖置安装，经减速器减速后连接主动轮，主动轮驱动从动轮，从动轮与发动机安装架相连。刹车卡钳固定在后轴承支座上。

液压系统原理图如图3所示：整个控制系统包括1台工业控制计算机、1台二通道的伺服控制器、1台伺服阀、1台液压马达、1只角位移传感器、1块开关量控制板卡，2台电磁换向阀、2台油缸。

该设计利用伺服电机和齿轮驱动代替原有的直线液压缸与齿条驱动，消除了行程限制，可以实现全姿态角度的侧滚；并且使用大型旋转支承作为轴承，使发动机可以从轴承内环穿过，可大大缩短传动轴系长度，增加试验的安全性。

2 仿真分析

发动机姿态试验台作为特种试验平台，将面临各种不同型号发动机姿态试验的需求。为明确台架对各不同性能发动机的符合性，本节将对全姿态角度侧滚台架的结构特性进行仿真计算，可用于指导不同发动机试验前的可行性分析和风险评估。

由于该侧滚台架的零件组成多，整体结构较为复杂，整体仿真计算难度较大，因此，需拆分后对各关键受力的零组件进行仿真。本文对发动机安装架的模态、支撑座的形变，驱动齿轮的强度等进行了仿真分析。

2.1 发动机安装架模态分析

发动机安装架作为与发动机本体直接相固定的组件，其固有频率对发动机震动的影响最大。因此本小节对发动机安装架的各阶振动模态进行了分析，确保其固有频率不在发动机长期工作转速范围内。

导入发动机安装架组件模型，模型材料均设置为钢，其材料特性参数见表1。

根据上述的参数设置划分网格划分，计算其前4阶固有频率及对应的临界转速如表2所示，其1阶固有频率为191.13Hz，4阶固有频率为409.47Hz。这可以指导试验人员在操作发动机试验时时需尽快越过共振频率对应的临界转速。

通过对发动机安装架的模态分析，得到发动机安装架在发动机转速范围内的共振频率和临界转速。这对该侧滚台架上的发动机试验过程具有重大的指导作用，并能在一定程度上为试验中出现振动故障的诊断分析等提供参考。

2.2 支撑座强度分析

支撑座是整个侧滚台架的主要受力部件，不仅需要其所受应力在安全需用范围内，而且需要其不能产生较大的变形，否则会对发动机与测功器的同轴度，连接轴的轴向间隙等有重大的影响。

支撑座模型如图4所示，材料设置为钢材，其材料特性参数同表1。所画网格数量合计36411，节点数合计64534。然后进行约束与加载：将支撑座与导轨向接触的底面固定，对支撑座两端内环面施加绕X轴方向的扭矩载荷135N.mm（发动机扭矩），并添加沿Z轴负方向的重力载荷（g=9.8m/s2）。

由于该侧滚台架用于航空发动机的姿态试验，其姿态位置随俯仰平台一起变化，其受重的方向也随之改变，在支撑座旋转90°后，其所受重力沿X方向（发动机轴向），且受到另外的由发动机和安装架（质量合计约400kg）的重力4000N，左右两环各2000N，其在竖立时的受力状态最为严苛。因此本文计算了支撑座水平放置和旋转90°竖立时的受力情况。

支撑座在水平和竖直状态下的平均应力分布云图如图5所示，根据计算结果，在水平状态下，支撑座所受最大应力为1.03MPa；即使在最严苛的姿态下（支撑座竖直时），支撑座所受最大应力也仅有11.2Mpa，远小于材料的屈服极限，安全系数在10以上，而在故该支撑座材料性能满足要求。

支撑座在水平和竖直状态下的变形位移云图如6所示，在水平位置时，最大变形量约为0.009mm，主要是由发动机扭矩产生的变形，这对发动机同轴度的影响不大。在竖直状态下，其外缘顶端最大变形量约为0.16mm，主要是由于重力导致的沿发动机轴向的变形，由此导致中轴偏转角度小于0.02°，对其整体同轴度影响不大，发动与测功器之间可使用弹性联轴器较容易吸收该部分形变。此外，由于该计算为忽略与其相连的轴承、发动机安装架等后的计算结果，实际上轴承、发动机安装架等的存在会大大加强整体的刚度，使其实际的形变量更小。故该支撑座刚度能满足要求。

2.3 齿轮强度分析

齿轮是驱动发动机做侧滚运动的关键受力部件，本方案所用齿轮组的参数如表3所示。

对齿轮组模型进行网格划分，如图7所示。本计算主要考察的是齿强度，因此对齿面及其附近的网格进行了细化，以得到更为精确的结果。材料设置为钢材，其材料特性参数同表1。对两齿轮的中心轴施加圆柱约束，使之仅能绕各自中心旋转，并对齿轮施加3kN·m的扭矩（驱动侧滚运动最大扭矩估算值，包含发动机扭矩以及重力因素、摩擦阻力等）。

根据上述约束和载荷条件计算，齿輪啮合过程中1s内的动态最大等效应力如图8所示。在前0.1s内，由于齿轮间存在间隙还未完全啮合，在此期间不存在应力应变。在啮合过程中，齿轮所受的最大应力呈周期性变化，其峰值为331.09MPa，此时对应的最大应变为1.66×10-3mm。齿轮啮合过程中的最大接触应力仿真计算结果如图9所示，其最大峰值为237.25MPa，若根据赫兹公式计算所得最大接触应力为228.46MPa，与软件计算结果差别仅有3.7%。

4 结论

本文设计了一种用于发动机姿态试验侧滚台架，实现了全侧滚角度运动的突破，并具有轴系短，安全性高等优点。并利用有限元软件对其频率特性和结构强度进行了仿真计算，得到了各关键部位的频率特性和结构强度校核数据，这对以后发动机试验前的可行性分析，试验过程中的操作注意事项，以及发动机姿态试验过程以及可能出现故障的诊断分析等具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 龙合良，唐名扬.涡轴发动机姿态试车台姿态台架方案设计探讨[C].中国航空学会，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2018.