一種小推力測量裝置的製作方法

2023-11-07 18:31:52 3

本發明屬於機械和航空航天試驗技術領域，具體涉及一種小推力型航空航天發動機測量裝置。

背景技術：

試驗是確定發動機性能指標，評價發動機可靠性和壽命的唯一方法，是檢驗發動機能否定型及驗收的唯一手段。從發動機試車對試驗設備、試驗技術和試驗方法的要求來看，試驗內容可以歸為四類：組合件試驗；發動機地面試驗；發動機高空模擬試驗；子級整機試車試驗。其中，發動機地面試驗涵蓋內容更為豐富，因此發動機地面試驗試車臺相對更為重要。

發動機試驗技術發展，主要面臨四個方面的問題：低溫、高壓、大推力發動機試車遇到的新課題；小推力發動機試驗需要研究的問題；高空模擬試驗技術問題；發動機數學模擬試驗研究技術。

其中，脈動式(脈衝式)小推力發動機，可用於姿態控制、穩定、變軌、交會和位置保持等方面。但是，要測量持續時間為毫秒級的上升/下降沿的脈衝推力，要求發動機、試車架、推進劑管路、測量導管、傳感器和電纜組成的機械系統有良好的動態性能，能不失真地響應脈衝推力。試車架和傳感器動態性能對發動機試驗系統動態響應性能起著至關重要的作用。

測量發動機性能參數的試驗裝置稱為推力臺(或稱為試車臺)。推力臺是用於發動機在地面進行試驗時的試驗裝置，主要完成發動機的推力測量、有關物理參數(壓力、溫度、流量等)的測量，根據試驗數據做出相應的處理對發動機進行性能評估。

試車臺由試車架和輔助設備組成。

試車架由靜架、動架、推力架、測力組件和小位移元件等五部分組成。此外可根據具體要求可另行設計安裝，原位校準裝置、安全限位裝置和旋轉動力裝置等部分。在實際情況中，試車架的部件命名可能存在差異，但根據部件功能均可歸類至上述組成部件中。

靜架：是試車架的承力構件，由承受主推力和側向力的鋼架和承受發動機、動架質量的鋼架組成，它與試車臺實體緊固的連成一體，承受各種作用力和力矩。它的連接部位，常常安裝有活動連接件，可通過調節與測力組件，原位校準裝置等連接。

動架：是定位和固定發動機的結構件，一方面與發動機定位和連接，確保與發動機一起運動；另一方面要提供與測力組件、原位校準裝置、小位移元件的定位和連接，以確保準確的測量。

推力架：也是動架的一部分，是發動機主推力的傳力結構件，使發動機軸線對準主推力測量元件。一般做成錐形結構，大端與發動機前裙端面連接，小端與測力組件定位連接，發動機推力通過前裙端面傳給推力架，並通過成錐形均勻分布的多根傳力杆件集中到小端傳給測力組件。

測力組件：是試車架感受發動機作用力的測量元件，一般由測力傳感器、撓性件(或球面接頭)和連接件組成。傳感器用來感受作用力，撓性件用來改善傳感器的受力狀態，消除非軸向力對測量的幹擾。

小位移元件：是動靜架之間的連接件，用來支撐發動機和動架組合體的質量，並提供沿發動機軸向運動的小位移自由度，使發動機推力全部作用到推力傳感器上。常用元件有滾動元件和彈性元件。

原位校準裝置：用於高精度試車架的靜態校準，由標準力源、標準力傳感器、傳力件、安裝連接件等組成。力源是模擬推力的發生，它可以是機械式(如千斤頂、槓桿機構等)，也可以是液壓的。當推力大於100kn時，一般採用液壓式。它具有結構緊湊、體積小、質量小、便於在試車架上安裝、產生的力值大等優點。要求力源加載、卸載過程穩定，一般要求在半分鐘內力值變化不大於0.03％。標準力傳感器是用來指示力源力值的傳感器，要求有好的穩定性和高的精度，基本誤差小於0.1％，穩定度大於0.05％半年。

安全限位裝置：是試車架的安全防護構件，用來限制試車架可動部件在允許的正常範圍內活動，超過允許範圍，則起剛性限位作用。它有很高的強度和剛度，分布於試車架的薄弱環節處和關鍵部位，防止他們出現過大的變形和破壞，也可減小發動機工作失常時造成的破壞。

現有的測量航空航天發動機的推力測量裝置(試車架)，可分為以下幾類：

根據發動機的安裝方式分類，水平橫臥式、傾斜放置式和垂直懸掛式(又分為，正立式或倒立式)。

傾斜放置式試車架，一般用於中等推力發動機。發動機的中心線和水平面成一定角度，此角度約等於尾噴管收斂角的一半。此種試車架實用性較差，在地面試驗中，使用較少。

橫臥式推力臺結構，如圖1所示，一般用於小推力發動機。橫臥式推力臺一般由承力墩1、試驗發動機2、試車架3和地基4組成。試車架3一般由動架、測力組件、水平可動裝置、安裝組件等組裝而成。安裝時使試驗發動機2的中心線和地面平行。

現有水平橫臥式試車架的不足：

1.工作平臺和試驗發動機2之間的活動空間狹小，安裝大量試驗附件(壓力/力/加速度/溫度傳感器、推進器供給管、點火設備等)時不方便甚至十分困難，因此安裝試驗準備過程複雜，試驗準備時間長。

2.當前採用水平安裝於工作檯上的可動裝置的組成零件(例如導軌滑塊、支撐塊、滑動/滾動軸承組合件等)數量多和質量大，試驗發動機2工作時需要克服的慣性力和摩擦力大，導致推力損失較大，因此這種形式的可動裝置不利於準確測量發動機的推力；

3.對於高精度的試車架，當前採用液壓加載系統或機械槓桿裝置(用標準質量塊作為標準力)作為原位校準裝置居多，液壓加載系統複雜、成本高(要求各接口、閥門接觸良好、密封性好、承壓性能強)、特別是壓力缸結構尺寸一旦確定，該套液壓加載系統只能用於一種特定的試車架；機械槓桿裝置不能用於動態測力組件的靜態校準，無法實施不定級校準；因此上述兩類原位校準裝置的通用性較差且機械槓桿裝置的功能不夠完善；

4.不同類型的可動裝置的滑動或滾動性能和質量差別很大，針對不同類型的試驗發動機，試車架的測量準確性受到影響且通用性受到限制；另外，可動裝置的維護(例如滾/滑動元件的更換、潤滑、防塵等)比較複雜。

正立式垂直推力臺結構，如圖2所示，當前大噸位推力、大尺寸的發動機主要採用這種安裝方式。正立式垂直推力臺一般由提升機構5、承力平臺6、測力組件7、吊掛8、試驗發動機9、工作檯10、立柱11和導流槽12組成。發動機以正立或倒立的形式懸掛於試車架上。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供一種小推力測量裝置，對現有的橫臥式試車架進行改進和創新，可以提高推力測量結果的準確性，增強試車架的通用性，降低試車架成本及縮短試驗準備時間。

本發明一種測量航空航天發動機小推力的地面試驗裝置，組成為靜架、動架、原位校準裝置、懸掛部件和測力組件等部分。

靜架固定安裝於工作平臺上。靜架的功能是：承受發動機推力，作為其他零部件的承載件。靜架的中間空心空間用於安裝原位校準裝置；靜架的主承力壁外側壁面上安裝帶有通孔的大法蘭，大法蘭上均布安裝有四支動態力傳感器。靜架的薄承力壁外側壁面上安裝有耐磨螺母塊。

動架安裝於發動機和測力組件之間。動架的功能是：使發動機和測力組件、原位校準裝置保持同軸，將發動機的推力傳遞至測力組件上，在發動機工作時起到隔熱的作用。動架結構為兩端法蘭中間連杆形式。

機械加載式的原位校準裝置安裝於靜架的空心部位。原位校準裝置的功能：對推力測量系統起到靜態校準的作用。原位校準裝置由絲槓、螺母塊、承力環、內彈簧、外彈簧、內套筒、外套筒、角接觸球軸承、螺紋連接件、標準力傳感器、傳力杆和緊固標準件組成。

懸掛部件依據發動機的實際結構和尺寸，使用合理的數量，選擇最佳的位置安裝於工作平臺上。懸掛部件由懸掛塊、升降螺栓、螺紋套、彈性元件(例如鋼片、細鋼絲線、萬向撓性元件等)、受拉零件(例如卡環、卡箍、上拉環、下拉環等)、剛性或彈性拉壓零件(例如伸縮彈簧、螺紋拉杆、內外螺紋杆)及若干標準件組成。

測力組件安裝於大法蘭和動架之間。測力組件功能：測量推力(動態推力、發動機穩態工作時推力)。測力組件由四支力傳感器組成。

本發明的優點在於：

(1)採用懸掛方式安裝發動機，能減少附件數量和減小附加質量，發動機和工作平臺之間的工作空間大，降低了試驗裝置的慣性力和摩擦力，方便了試驗設備組裝，提高了系統的測量結果的精度。

(2)懸掛部件的彈性元件、受拉零件和剛性/彈性拉壓零件以及動架的結構形式簡單，懸掛部件根據實際情況可選用適合的零件，零件的可維護性和可替換性強；動架可根據發動機和傳感器的結構尺寸做出相應的改變，動架的設計製造時間短、成本低；因此試車架通用性得到增強，試驗準備時間被縮短。

(3)採用絲槓作為加載裝置，原位校準裝置得以簡化，有效的降低了試車架成本。

(4)試車架的組成部件數量少(僅有五部分)，試車架可高精度測量推力的同時，試驗準備階段的程序簡易、耗時短。

(5)靜架的四塊承力壁以及承力壁組成的截面為矩形，零件的橫截面為矩形時抗扭強度和抗彎強度均最大(相對於圓形、方形、工字型、t字型等而言)，因此試車架的剛度大、固有頻率高，能測量高頻率的推力。

附圖說明

圖1為橫臥式推力臺結構簡圖。

圖2為正立式垂直推力臺結構簡圖。

圖3為小推力測量裝置結構簡圖。

圖4為靜架、原位校準裝置及動架組裝剖面圖。

圖5為懸掛部件。

圖中：

1.承力墩；2.試驗發動機；3.試車架；4.地基；

5.提升機構；6.承力平臺；7.測力組件；8.吊掛；

9.試驗發動機；10.工作檯；11.立柱；12.導流槽；

13.原位校準裝置；1301.絲槓；1302.絲槓鎖緊零件1303.螺母塊；

1304.承力環；1305.內彈簧；1306.內套筒；1307.外彈簧；

1308.外套筒；1309.角接觸球軸承；1310.定位零件1311.鎖緊零件

1312.螺紋連接件；1313.標準力傳感器；1314.傳力杆；14.靜架；

15.測力組件；1501.力傳感器；1502.緊壓零件16.動架；

17.發動機；18.懸掛部件；1801.升降螺栓；1802.懸掛塊；

1803.升降螺紋套；1804.彈性元件；1805.受拉零件；

1806.剛性/彈性拉壓零件；19.工作平臺；20.大法蘭。

具體實施方式

下面以一種長寬比約為1000mm/60mm的脈衝爆震發動機為實例說明使用本小推力測量裝置，針對不同類型的發動機需要靈活地選用有關零部件以應用本發明裝置。

應用本發明裝置，分為兩步，一是組裝推力測量系統及發動機；二是調試推力測量系統。

組裝步驟依次為，靜架14、原位校準裝置13、測力組件15、動架16、懸掛部件18和發動機19。

調試推力測量系統主要內容是，調節發動機18和測力組件19的同軸度。最終，組裝原理圖見圖3。

將靜架14緊固安裝於工作平臺19上。靜架14為無頂五面矩形體，其中四塊承力壁構成中空矩形體；主承力壁的厚度和高度均大於其餘三塊的高度和厚度；靜架14的底板長寬均大於四塊承力壁組成的矩形體長寬；靜架14的底板邊緣位置開有八個通孔，方便螺栓穿過通孔將靜架固定於工作平臺上。主承力壁的中間部位開有通孔，主承力壁的外壁面緊固安裝帶有通孔的大法蘭；薄承力壁的中間部位開有通孔，薄承力壁的外壁面緊固安裝有與絲槓1301配合的螺母塊。

原位校準裝置13安裝於靜架14中，起到產生標準力的功能，用於獲取推力測量系統的靜態性能。將螺母塊1303固定安裝於靜架14薄承力壁外側，絲槓1301與螺母塊1303配合安裝；再將絲槓鎖緊零件1302旋在絲槓1301上並緊貼螺母塊1303。接著，將承力環1304套在位於靜架14內部的絲槓1301上；依次安裝內彈簧1305、內套筒1306、外彈簧1307、外套筒1308、兩個角接觸球軸承1309、定位零件1310和鎖緊零件1311。最後，依次安裝螺紋連接件1312、標準力傳感器1313、和傳力杆1314。

測力組件15安裝於大法蘭20與動架16法蘭之間，起到傳感測量推力的作用。測力組件15由四支力傳感器1501和緊壓零件1502組成；力傳感器1501分布於上下左右四個方位，相鄰傳感器夾角呈直角；傳感器的力感受面位於動架法蘭側，非力感受面與大法蘭緊貼。

動架16用於連接測力組件15和發動機17，起到傳遞力、促使發動機17和測力組件15保持同軸的功能。動架16為兩端法蘭中間連杆的結構形式；與測力組件15連接側的動架16法蘭邊緣有四個均布的通孔，法蘭的中間為空心外凸圓柱結構；與發動機17連接的動架16法蘭邊緣有四個均布的通孔，法蘭中心為通孔；動架16兩個法蘭之間由直杆連接。動架16與發動機17連接側的法蘭中心帶有通孔，通孔在動態校準試驗中的激振試驗起到至關重要的連接作用。具體是，激振試驗中將一個螺栓的螺紋杆穿過通孔與激振器前端的阻抗頭(帶有測量力和加速度的功能)上螺紋孔緊密連接；螺栓的螺帽外廓尺寸大於通孔的直徑，以便螺帽和墊片緊貼於法蘭。在發動機點火試驗中，此通孔可用於安裝壓力傳感器，用於測量脈衝爆震發動機推力壁上的燃氣壓力。

懸掛部件18安裝於工作平臺19上，起到固定和調節發動機17高度的作用。本實例中的發動機17長度遠遠大於寬度，因此需要使用兩組懸掛部件18。發動機17結構近似於一端封閉的空心直管，質量分布均勻，因此兩組懸掛部件18等距的安裝於發動機17長度平分線兩側即可。具體安裝發動機17過程是，將發動機17放置於帶有升降功能的支撐架上，將發動機17升至所需高度(要稍微高於目標高度)。接著受拉零件1805(本實例中可用上拉環和下拉環)緊固安裝於發動機17上，彈性元件1804(彈性元件1804均布於發動機17外壁四周，彈性元件1804與受拉零件1805配合安裝，本實例可用鋼片或細鋼絲線)安裝於受拉零件1805和升降螺紋套1803之間，升降螺栓1801螺旋安裝於懸掛塊1802上，將升降螺栓1801與升降螺紋套1803連接，最後將剛性/彈性拉壓零件1806與彈性元件1804連接(本實例可用螺紋拉杆和內外螺紋杆)。最後，將發動機17和動架16連接，固定懸掛塊1802。

使用兩把高度尺、一把水平尺，來測試發動機17外殼的高度，據此判斷發動機軸線是否與測力組件15的軸線在同軸度誤差範圍內。首先，先測量大法蘭20的外緣高度，計算出大法蘭20中心距離工作平臺19的高度(此高度即為測力組件中心軸線距離工作平臺的高度)；接著，利用水平尺來檢測發動機17的水平度，調節升降螺栓，促使發動機17保持水平；然後，將兩把高度尺遊標卡到所需要的高度，調節升降螺栓，使發動機17外殼與高度尺遊標相接觸(即發動機和測力組件保持同軸)。