熊恒，呂瓊瑩，謝緣，劉亮

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

一英寸離心壓氣機(jī)是微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一[1]，它的性能參數(shù)包括進(jìn)出口壓力、溫度、流量，這些性能參數(shù)對(duì)整個(gè)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)“推重比”起到了關(guān)鍵作用[2]。然而壓氣機(jī)主軸扭矩大小是決定其性能的主要因素[3-4]，因此，壓氣機(jī)主軸扭矩對(duì)其性能參數(shù)的影響規(guī)律對(duì)如何設(shè)計(jì)壓氣機(jī)具有重要的意義。當(dāng)前，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試都是針對(duì)外徑尺寸在100 mm以上的整車試車實(shí)驗(yàn)，然而整車實(shí)驗(yàn)并不能找到單獨(dú)的壓氣機(jī)對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響規(guī)律[5]。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種一英寸離心壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它是針對(duì)一英寸級(jí)別的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的離心壓氣機(jī)部件進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)能為一英寸離心壓氣機(jī)提供高轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，并且能夠測(cè)量在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的扭矩值。

1 一英寸離心壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要模擬壓氣機(jī)在正常工作過程中的高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況[6]，并且需要實(shí)時(shí)的測(cè)量壓氣機(jī)在工作過程中的扭矩變化情況，因此，實(shí)驗(yàn)臺(tái)選擇了一種轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到300000 rpm的高速電機(jī)，通過減速測(cè)量實(shí)時(shí)扭矩，再經(jīng)過增速達(dá)到壓氣機(jī)高轉(zhuǎn)速的工作條件。

一英寸壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括動(dòng)力部件、傳動(dòng)部件、測(cè)量部件、和執(zhí)行部件等。采用Creo4.0軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模，壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)和（b）所示。壓氣機(jī)測(cè)試組件及固定件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(c)和（d）所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1. Mechanical structure diagram

標(biāo)號(hào)為2的是高速電機(jī)，為該系統(tǒng)提供動(dòng)力,額定轉(zhuǎn)速為300000rpm，標(biāo)號(hào)為3和4的是電機(jī)固定裝置，標(biāo)號(hào)為5的是高速電機(jī)輸出帶輪軸，標(biāo)號(hào)為6的是高速平皮帶，為電機(jī)提供第一級(jí)減速。標(biāo)號(hào)為7的是帶輪軸，一端是帶輪，作為皮帶減速的輸出部分，另一端是齒輪，作為標(biāo)號(hào)9行星齒輪減速器的輸入部分。標(biāo)號(hào)為10的是聯(lián)軸器，連接減速輸出軸和標(biāo)號(hào)11扭矩傳感器的輸入軸，標(biāo)號(hào)為20的是反用的扭矩傳感器，即實(shí)現(xiàn)第一級(jí)增速。標(biāo)號(hào)為19的是軸承座組件。標(biāo)號(hào)為18的是帶輪軸，一端是齒輪，作為第一級(jí)增速后的輸入部分，另一端為帶輪，作為帶輪增速的輸入部分。標(biāo)號(hào)為17的是高速平皮帶。標(biāo)號(hào)為16的是經(jīng)過兩級(jí)增速之后的輸出軸，標(biāo)號(hào)為15的是輸出軸軸承座組件，標(biāo)號(hào)為14的是壓氣機(jī)測(cè)試組件，標(biāo)號(hào)為13的是壓氣機(jī)固定件[7]。

圖2 壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)一周仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖Fig.2. Simulation movement of the compressor in one cycle

高速電機(jī)輸出軸經(jīng)過高速平皮帶進(jìn)行一級(jí)減速后，再經(jīng)過行星齒輪減速器進(jìn)行第二級(jí)減速，減速后的傳動(dòng)軸通過扭矩傳感器，測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)扭矩。接著經(jīng)過反用減速器和皮帶達(dá)到增速的效果，最終實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出高速旋轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)一英寸離心壓氣機(jī)，以此來實(shí)現(xiàn)模擬壓氣機(jī)高速工作情況，并測(cè)量一英寸壓氣機(jī)在高速回轉(zhuǎn)情況下的實(shí)時(shí)扭矩值。

2 一英寸離心壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真

運(yùn)用Adams對(duì)已建立的壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬離心壓氣機(jī)在工作過程中的運(yùn)動(dòng)特性，驗(yàn)證其是否滿足功能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理[8]。

首先將模型導(dǎo)入到Adams中，由于系統(tǒng)輸出軸帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)過程中運(yùn)動(dòng)情況變化不明顯，無法感知它是否按照要求運(yùn)動(dòng)，因此在導(dǎo)入模型后，對(duì)葉輪作了標(biāo)記，即對(duì)葉輪的某一個(gè)點(diǎn)上畫上一個(gè)質(zhì)量為0的小球，并用紅色對(duì)小球進(jìn)行標(biāo)記，并將壓氣機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行隱藏操作，如此就能清晰地觀察到葉輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。其后對(duì)各個(gè)部件添加約束。最后對(duì)高速電機(jī)輸出軸施加某一轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)。具體運(yùn)動(dòng)過程如圖2（a）～2（d）所示。

圖3 壓氣機(jī)測(cè)試組件旋轉(zhuǎn)軸與軸承之間的接觸力Fig.3. Force diagram of contact between rotating shaft and bearing

在壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作過程中，壓氣機(jī)測(cè)試組件旋轉(zhuǎn)軸與軸承之間沿X、Y、Z軸方向的接觸力變化曲線如圖3所示，其中Z軸方向?yàn)榇怪庇谛D(zhuǎn)平面方向，該方向軸承不受力。其X和Y軸方向上的力呈周期變化，在一個(gè)周期中，在X軸方向上的最大力為2.05 N，在Y軸方向上的最大力為1.31 N，這兩個(gè)方向上的力都在軸承額定負(fù)載之內(nèi)，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)中受力符合預(yù)期。

綜上所述，壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出軸在驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)葉輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，輸出軸與軸承之間的最大作用力為2.05 N，在軸承的額定負(fù)載之內(nèi)，從而滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期受力要求。即實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠滿足為壓氣機(jī)提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作條件。

3 壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件帶輪軸的模態(tài)分析

3.1 關(guān)鍵部件的選取以及模型材料的選擇

為了滿足壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在第一級(jí)減速和第二級(jí)減速之間的同軸度要求，將第一級(jí)減速的輸出軸與第二級(jí)減速的輸入軸采用一體化的設(shè)計(jì)，即采用圖4所示的帶輪軸的設(shè)計(jì)方案。軸的一端為帶輪，另一端為齒輪。結(jié)構(gòu)比較特殊，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)起著至關(guān)重要的作用。所以選擇帶輪軸作為壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件來進(jìn)行模態(tài)分析。

首先將壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)帶輪軸模型保存成x_t格式，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，然后給葉輪零件賦與材料,葉輪賦予的材料是45號(hào)鋼，材料的參數(shù)如表1所示。

表1 材料主要參數(shù)Table 1 Main Parameters of Materials

3.2 網(wǎng)格劃分

帶輪軸材料給定后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的疏密程度直接影響到后面模態(tài)分析結(jié)果的精度，但是網(wǎng)格加密會(huì)增加CPU計(jì)算時(shí)間且需要更大的存儲(chǔ)空間，所以在網(wǎng)格質(zhì)量與網(wǎng)格大小之間取一個(gè)最優(yōu)方案。

畸變度和網(wǎng)格質(zhì)量是評(píng)判網(wǎng)格質(zhì)量重要的參數(shù)[9]，是網(wǎng)格劃分好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，畸變度的值越接近于0越好，網(wǎng)格質(zhì)量的值越接近于1越好。該模型采用了最簡(jiǎn)單的自動(dòng)網(wǎng)格劃分后，畸變度的值為0.23，網(wǎng)格質(zhì)量值為0.44.

圖4 自動(dòng)網(wǎng)格劃分圖Fig.4. Automatic meshing diagram

圖5 加入特殊控制方法后的網(wǎng)格劃分圖Fig.5. Meshing after adding special control methods

然后對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行特殊方法設(shè)置，在有孔處進(jìn)行了細(xì)化處置，有些比較規(guī)則的則進(jìn)行掃略處理，更多的是根據(jù)不同尺寸的原件進(jìn)行了尺寸控制，改進(jìn)后的網(wǎng)格劃分模型如圖5所示。網(wǎng)格的畸變值達(dá)到了0.21,比自動(dòng)劃分的網(wǎng)格提高了9%。網(wǎng)格質(zhì)量的值達(dá)到了0.57，質(zhì)量高了29.5%。

3.3 帶輪軸的模態(tài)分析

固有頻率作為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的特征頻率，即只要一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定了，那么它的固有頻率也就確定了。當(dāng)外界刺激頻率達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)固有頻率時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振，而共振對(duì)于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)而言是致命的，將會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成極大程度的破壞[10]。因此在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)固有頻率進(jìn)行檢測(cè)，而此處進(jìn)行的模態(tài)分析就是為了找出系統(tǒng)的固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型[11]。在設(shè)置完約束之后，進(jìn)行了壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)薄弱部件帶輪軸的前6階模態(tài)分析，得出了前6階的固有頻率如圖6所示。其中一階和二階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 帶輪軸前二階振型圖Fig.7. The second order Vibration Pattern of the Belt Axle.

圖6 帶輪軸前6階固有頻率圖Fig.6. The 6th Natural Frequency Chart of the Belt Axle

如圖6所示，帶輪軸的固有頻率都在2 kHz以上，6 kHz以下，而壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工況下的干擾頻率一般都在100 Hz以下，電機(jī)在工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)頻率一般在80 kHz左右，所以這三者之間不會(huì)相互干擾或者產(chǎn)生共振。由圖7可知前二階振型的最大形變量都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此可以保證壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的剛度。

4 結(jié)論

（1）采用高速電機(jī)經(jīng)過減速，再經(jīng)過增速來驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行了一英寸離心壓氣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Creo4.0對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模，在介紹了其結(jié)構(gòu)組成后，分析了其運(yùn)動(dòng)機(jī)理，從理論上確定了壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)作的可行性。

（2）將測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字化模型簡(jiǎn)化并導(dǎo)入Adams中進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了模型可行性，同時(shí)還檢測(cè)了關(guān)鍵部位受力，符合預(yù)期。

（3）將測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵零件帶輪軸導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了帶輪軸前六階的固有頻率和前二階振型圖，結(jié)果表明帶輪軸在測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振，并且其剛度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。