某发动机姿态试车台全姿态角度侧滚台架设计及仿真分析.docx

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某发动机姿态试车台全姿态角度侧滚台架设计及仿真分析

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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

：V216：A：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