楊勇剛，張力

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

幾種搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)對比分析

楊勇剛，張力

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

楊勇剛（1987），男，碩士，從事航空發(fā)動機壓氣機結(jié)構(gòu)以及相關技術的設計工作。

基于機構(gòu)學的相關理論，應用虛擬樣機技術對幾種可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)系統(tǒng)中的搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接結(jié)構(gòu)進行運動學和動力學的仿真分析；并以運動學和動力學仿真分析結(jié)果為依據(jù)，綜合考慮多方面因素，對比分析了幾種結(jié)構(gòu)的特點。分析結(jié)果可為搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)的選擇提供參考和建議。

靜子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)；運動學；動力學；仿真分析；航空發(fā)動機

0 引言

壓氣機作為航空發(fā)動機的1個重要組成部分，對其技術性能的要求也在不斷提高。發(fā)動機在非設計點工作時，壓氣機各級之間會因流量不匹配等原因，引起發(fā)動機氣流的不穩(wěn)定流動，造成喘振或顫振等不良現(xiàn)象，甚至還可能引發(fā)發(fā)動機嚴重損壞。為此，需要采取一定的技術措施不斷改進設計。在工程應用中，一般采用可調(diào)的進口導流葉片和可調(diào)的靜子葉片來調(diào)節(jié)發(fā)動機的流量和攻角等，以擴大穩(wěn)定裕度，改善發(fā)動機的整體效率。

本文針對壓氣機有關結(jié)構(gòu)的設計，運用機構(gòu)學的基本理論，以虛擬機為技術手段，研究和分析幾種不同的搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)。

1 虛擬樣機的建立

本文主要利用虛擬機技術分析和研究幾種搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)的特點，主要運用軟件ADAMS分析軟件，因為ADAMS軟件的3維實體建模的能力較弱，不能滿足研究需求，所以本文利用UG軟件進行系統(tǒng)的3維實體建模，然后把建立好的UG的3維實體模型導入到ADAMS軟件里進行運動學和動力學的仿真分析。

仿真分析的具體過程為模型的導出和導入2部分。導出操作為file export Parasolid，導出格式選擇. xmt-txt文件類型；導入操作為file Import Parasolid，導入選擇xm t-txt格式。

把UG模型導入到ADAMS軟件后，模型中的各個部件只是相對獨立地在各自的初始位置，并不能進行模擬分析。在ADAMS中，首先要為模型的各個部件添加各種約束，并將各自獨立的部件有效地整合成1個相互關聯(lián)的整體，這就是本文可以進行模擬分析的虛擬樣機模型。

ADAMS/View提供了3種類型的約束，即運動副約束，例如轉(zhuǎn)動副和移動副，基本約束，例如點面約束，運動約束，例如轉(zhuǎn)動驅(qū)動。在本文模型中，主要應用運動副約束中的轉(zhuǎn)動副、圓柱副、球鉸副、固定副以及運動約束中的轉(zhuǎn)動驅(qū)動。一般在虛擬樣機的建立過程中除了要給模型添加各種約束以外，還要為各個部件添加合適的力。但本文沒有考慮外部作用力的作用。

2 模型分析

在靜子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)系統(tǒng)里，搖臂與聯(lián)動環(huán)為空間運動連接。在靜子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)工作過程中，搖臂以靜子葉片的轉(zhuǎn)動軸為軸轉(zhuǎn)動，聯(lián)動環(huán)的運動是以發(fā)動機軸線為軸的轉(zhuǎn)動運動和沿著發(fā)動機軸線方向的平動的復合運動。通常情況下，靜子葉片的轉(zhuǎn)動軸線與發(fā)動機軸線垂直，所以在靜子葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作過程中，搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接點和搖臂與靜子葉片轉(zhuǎn)動軸線的連接點之間的連線，除了有在搖臂轉(zhuǎn)動平面上的轉(zhuǎn)動運動分量外，還有垂直于搖臂轉(zhuǎn)動平面的一定位移分量，搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接點處聯(lián)動環(huán)的法線方向也有轉(zhuǎn)動分量。所以在實際工作中，搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接結(jié)構(gòu)必須滿足以上3點運動分量的要求。搖臂繞可調(diào)靜子葉片轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動提供了在搖臂轉(zhuǎn)動平面上的轉(zhuǎn)動分量，其他2個運動分量不同的連接結(jié)構(gòu)的解決方法也不盡相同。

搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接方式直接影響搖臂設計的選擇，通過對幾種連接機構(gòu)進行對比分析，來研究不同的搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設計的影響。

搖臂與聯(lián)動環(huán)直接固定連接如圖1所示。由于搖臂與聯(lián)動環(huán)固定連接在一起，所以在工作過程中，需要搖臂產(chǎn)生一定的變形來滿足搖臂與聯(lián)動環(huán)之間的運動要求。為了方便描述，以模型A表示搖臂與聯(lián)動環(huán)的固定連接模型。

圖1 固定連接

圖2 帶銷釘?shù)倪B接

搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接結(jié)構(gòu)為帶銷釘?shù)倪B接結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可見，銷釘可以沿著聯(lián)動環(huán)的法線方向運動，這樣可為搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接提供垂直于搖臂轉(zhuǎn)動平面的運動分量，而連接I處的聯(lián)動環(huán)法線的轉(zhuǎn)動分量要由搖臂的扭轉(zhuǎn)變形提供。為了方便描述，定義帶銷釘?shù)膿u臂與聯(lián)動的連接結(jié)構(gòu)模型為模型B。

帶銷釘和關節(jié)軸承結(jié)構(gòu)的搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)Ⅰ（關節(jié)軸承在搖臂上）如圖3所示。結(jié)構(gòu)中銷釘?shù)墓δ芡Ｐ虰中相同，銷釘始終沿著聯(lián)動環(huán)法線方向運動。關節(jié)軸承為系統(tǒng)運動提供了所需的搖臂與聯(lián)動環(huán)連接點處聯(lián)動環(huán)法線的轉(zhuǎn)動分量。對此，定義本結(jié)構(gòu)模型為模型C。

帶銷釘和關節(jié)軸承的搖臂與聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)Ⅱ（關節(jié)軸承在聯(lián)動環(huán)上）如圖4所示。其模型特點和模型C基本相同。不同點是：關節(jié)軸承在聯(lián)動環(huán)上，銷釘與搖臂相對靜止，而與I點處聯(lián)動環(huán)法線有一定的相對轉(zhuǎn)動運動。定義本結(jié)構(gòu)模型為模型D。

圖3 帶銷釘和關節(jié)軸承的連接Ⅰ

圖4 帶銷釘和關節(jié)軸承的連接Ⅱ

3 運動學對比分析

為了方便對不同結(jié)構(gòu)進行對比分析，本文以1個基礎模型為模板，通過在ADAMS軟件中添加不同的運動約束和零部件以達到對比分析的4個模型的建模要求。

通過模型導入步驟，導入ADAMS軟件中的基礎模型，如圖5所示。

圖5 基礎模型

在模型中，聯(lián)動環(huán)的運動為1個以發(fā)動機軸線為軸線的轉(zhuǎn)動運動和1個沿著發(fā)動機軸線方向平動運動的合成，所以在聯(lián)動環(huán)添加的約束為圓柱副約束；可調(diào)靜子葉片的運動方式為1個繞著其自身轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動運動，在葉片上添加的約束為轉(zhuǎn)動副約束；搖臂在運動過程中隨可調(diào)靜子葉片運動，搖臂與靜子葉片之間的約束為固定副約束。

銷釘是連接搖臂與聯(lián)動環(huán)的1個中間件，在不同的模型中銷釘?shù)募s束也不同，在模型A中，搖臂與聯(lián)動環(huán)的連接為通過固定約束直接連接，沒有銷釘這個中間件；在模型B中，搖臂與銷釘通過固定副約束連接，銷釘與聯(lián)動環(huán)通過圓柱副約束連接；在模型C中，銷釘與搖臂通過球鉸副約束連接，聯(lián)動環(huán)與銷釘則通過移動副約束連接；在模型D中，銷釘與搖臂之間為移動副約束，聯(lián)動環(huán)與銷釘之間為球鉸副約束連接。搖臂與聯(lián)動環(huán)之間連接方式的不同是4個模型的主要區(qū)別。通過對各個模型的運動約束的添加形成了仿真分析需要的虛擬樣機模型，如圖6所示。

圖6 各模型的虛擬樣機

在4個模型中，由于模型A和B中的搖臂需要變形以提供所需的運動分量，所以搖臂需要做彈性處理。是通過ADAMS軟件自身攜帶的Auto Flex對搖臂進行置換處理完成。除了這2個模型的搖臂外，其他的零部件均按剛性件處理。

分別對各模型建立的虛擬樣機進行仿真分析。在聯(lián)動環(huán)的運動約束上添加相同的運動驅(qū)動，在相同的時間內(nèi)，對以上各模型中可調(diào)靜子葉片轉(zhuǎn)過的角度，即搖臂轉(zhuǎn)過的角度進行對比，如圖7所示。

由于各模型在仿真時聯(lián)動環(huán)的速度保持相同，同時也就保證了在相同的時間里，聯(lián)動環(huán)的轉(zhuǎn)過角度相同，所以可以用時間代替聯(lián)動環(huán)的角度作為葉片運動的參考量。從以上圖中可見，各模型的角速度變換規(guī)律近似，數(shù)值大小接近。在同一時間內(nèi)，各模型的可調(diào)靜子葉片轉(zhuǎn)過的角度相近，但是各有不同。造成各模型的葉片轉(zhuǎn)角不同的原因如圖8所示。

圖7 葉片角度與聯(lián)動環(huán)角度關系

由于模型B和C的銷釘始終沿著聯(lián)動環(huán)的法線方向運動，而模型D中的銷釘在運動過程中垂直于搖臂的轉(zhuǎn)動平面，這就使得在聯(lián)動環(huán)轉(zhuǎn)過同樣的角度β時（圖8），2種不同連接的銷釘模型之間搖臂轉(zhuǎn)過的角度α會有1個差值Δ。另外，模型A和B中的搖臂采用的彈性件，在運動過程中有一定的彈性變形，葉片的轉(zhuǎn)角相對于剛性體會有少量的減小。以上2個因素使4種模型在聯(lián)動環(huán)轉(zhuǎn)過角度相同的情況下，搖臂轉(zhuǎn)過的角度之間有所差異。

圖8 連接結(jié)構(gòu)分析

4 動力學對比分析

在機構(gòu)學中，其動力學研究分為正向動力學和逆向動力學2個方面。以運動分析結(jié)果為基礎研究不同搖臂和聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)模型的受力問題，為已知構(gòu)件的運動情況分析各個構(gòu)件受力的逆向動力學問題。

下面以聯(lián)動環(huán)上受到的阻力矩的情況來分析不同的搖臂和聯(lián)動環(huán)連接產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻力的差異，如圖9所示。這里不考慮靜子葉片上受到的氣動力和氣動力矩。經(jīng)過仿真分析得到各模型的阻力矩情況。

圖9 聯(lián)動環(huán)角度與阻力矩關系

從以上各模型的仿真結(jié)果可知：在工作過程中，搖臂在零度角處聯(lián)動環(huán)處的阻力矩最小，隨著搖臂角度的增加，阻力矩增大。在同樣的工作條件下，不同的搖臂和聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)模型中，聯(lián)動環(huán)上受到的阻力矩也不同，阻力矩的大小順序為模型A＞模型B＞模型C＞模型D。

在仿真結(jié)束時，模型A的阻力矩比模型B大200余倍，模型C和D中的阻力矩幾乎為零。這說明，在結(jié)構(gòu)阻力上帶球頭軸承的連接結(jié)構(gòu)的阻力性能優(yōu)越，需要搖臂變形提供一定運動分量的連接結(jié)構(gòu)阻力大，其中固定連接的結(jié)構(gòu)阻力最大。

5 結(jié)論

在搖臂和聯(lián)動環(huán)連接結(jié)構(gòu)設計中，不僅要綜合考慮機構(gòu)學的3個組成部分，還要考慮零部件的加工、裝配、維修等工程性能。分析上述因素可知，在靜子葉片排列較密集時，可以選用模型B作為搖臂和聯(lián)動環(huán)連接的結(jié)構(gòu)；在靜子葉片排列較為稀疏時，視情選擇模型C和D作為搖臂和聯(lián)動環(huán)的連接結(jié)構(gòu)。綜上所述，對靜子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的設計提出如下建議：

（1）搖臂設計首先要考慮在作動機構(gòu)的行程內(nèi)，葉片的調(diào)節(jié)角度達到要求。

（2）在同等條件下，帶關節(jié)軸承的連接結(jié)構(gòu)比有彈性搖臂的連接結(jié)構(gòu)阻力小。在搖臂設計時不僅要考慮機構(gòu)學的相關問題，還要綜合考慮加工制造等工程問題。

（3）本文沒有考慮在發(fā)動機工作過程中的氣動阻力，下一步需要考慮在外加氣動力的作用下，剛性搖臂和彈性搖臂的工作情況等。

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Contrast Analysis of SeveralRoker and Drive Ring Connecting Structure

YANG Yong-gang，ZHANG Li
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The roker and drive ring connecting structure in kinematics and dynamics were simulated for the variable stators vanes system using the related virtual electronical prototyping technology based onmechanism relevance theory.The contrastanalysisof several structures characteristicswere performed based on the results of the analysis and other comprehensive factors.The results can provid some suggestion for the design choices.

variable statorsvanessystem;kinematics;dynamics;simulation analysis;aeroengine

2011-12-19