陳 豪，龍創(chuàng)平

（西安航天動力試驗研究所，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著國家對航天事業(yè)的大力支持以及對探索宇宙空間提出更多的要求，對航天器及其推進系統(tǒng)的性能要求也日益增加。而發(fā)動機的推力指標(biāo)是對航天器在宇宙空間運動性能最好的概述。由于目前研制發(fā)動機型號不斷增加，對其推力指標(biāo)的測量也提出更高的要求。發(fā)動機測量其推進力的測量裝置是該種發(fā)動機推力性能測量的關(guān)鍵設(shè)備。

其原理是用電缸加載裝置經(jīng)過某種方式拉動測力標(biāo)定傳感器，標(biāo)定測量發(fā)動機傳感器，使傳感器達到要求的形變量并記錄該拉力；再將發(fā)動機連在推力支座上，給測量發(fā)動機傳感器并施加推力，達到同樣的形變量并記錄該推力，兩種數(shù)據(jù)相互比較得到發(fā)動機的有效指標(biāo)。

而影響該指標(biāo)的偏差主要由目標(biāo)力和標(biāo)定力每次的連接方式所引起的誤差導(dǎo)致。所以，本文主要從測量拉力的數(shù)學(xué)模型和兩側(cè)的連接方式闡述提高同軸度的方法

1 幾何模型的建立

由于標(biāo)定力與目標(biāo)力擬合度要求不小于99.9999%，而測力裝置的兩固定端的距離在81.5mm到235mm之間，拉力約為75N。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 數(shù)學(xué)模型Fig.1 Mathematical Model

設(shè)定標(biāo)定力為FC，目標(biāo)力FA，擬合度99.9999%≥，而且

則：cosα≤99.9999%，即：∠α≤0.08°

由于A的范圍在[81.5，235]

則

則拉力方向同軸度最大的偏移量應(yīng)小于0.115mm。

2 連接方式對比

目前測力裝置連接兩固定端的拉力方式有兩種，一種是通過金屬絲連接，一種是通過金屬拉桿的連接。

2.1 金屬絲的連接

采用金屬絲的連接方式具有的優(yōu)點是金屬絲本身很輕且為柔性，基本可以忽略金屬絲對測量數(shù)據(jù)的影響。

根據(jù)該原理建立相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ停鐖D2所示。

圖2 金屬絲連接模型Fig.2 Wire connection model

金屬絲兩端均與轉(zhuǎn)接環(huán)連接，見圖3。轉(zhuǎn)接環(huán)再分別連接到傳感器和力加載裝置上。而轉(zhuǎn)接環(huán)的金屬絲連接孔做成錐臺形式，錐臺一端為φ0.2mm的小孔，另一端按照一定角度制作成錐形。金屬絲穿過錐臺的小孔，在錐臺的另一端打一到兩個小結(jié)，再使用錫焊固定在錐臺側(cè)。

金屬絲材料：銅絲；

轉(zhuǎn)接環(huán)材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N；

經(jīng)過試驗，存在的問題主要有以下兩點：①金屬絲的強度不足于支撐測量力的大小，導(dǎo)致金屬絲被直接拉斷；②金屬絲在轉(zhuǎn)接環(huán)固定的拉力不足于支撐測量力，實驗過程中，金屬絲會直接從轉(zhuǎn)接環(huán)上被拉脫。

圖3 轉(zhuǎn)接環(huán)連接圖示Fig.3 Connecting ring diagram

可知推力軸線上的金屬絲需要承受與發(fā)動機同樣大小的力，而由于金屬絲一般直徑只有φ0.2mm，所以很容易出現(xiàn)力加載時，金屬絲拉脫或者直接斷裂的情況發(fā)生。該情況的發(fā)生直接影響到推力測量試驗的正常進行，影響產(chǎn)品試驗的可靠性。

2.2 金屬拉桿的連接

采用金屬拉桿的連接方式的優(yōu)點是拉桿對拉力的變化大小不敏感，可承受較大拉力，剛性好，不易受到柔性材料的彈性變形影響。

根據(jù)該原理建立相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ?，如圖4所示。

設(shè)計采用拉環(huán)與拉桿連接方式，拉環(huán)1與發(fā)動機安裝側(cè)連接固定，拉桿與傳感器連接固定，拉桿前端設(shè)置有拉環(huán)2，該拉環(huán)帶有中心軸可以與拉環(huán)1接觸并拉動。

圖4 金屬拉桿接模型Fig.4 Metal rod connection model

拉桿與拉環(huán)材料：硬鋁（LF6）；

加載力：75N。

經(jīng)過試驗，該方案可承受測量拉力。但是由于拉環(huán)2的軸與拉環(huán)1的環(huán)由于不可能完全同軸度一致，所以在初期接觸的時間里，測量的拉力的豎直并不是一個穩(wěn)定的線性數(shù)值，而是波浪無規(guī)則變化的。當(dāng)拉環(huán)與軸拉直處于同一軸線時，拉力數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，線性變化。

根據(jù)兩種連接方式的對比，采用拉桿的方式測量拉力。

2.3 金屬拉桿連接方式的討論

金屬拉桿的連接方式相比于金屬絲而言，其中間過渡環(huán)節(jié)過多，影響同軸度精度的情況主要出現(xiàn)在元件與元件之間的螺紋連接處。傳感器兩端的同軸度最大相差為0.03mm，除此之外，螺紋連接處還有發(fā)動機側(cè)與拉環(huán)1連接，拉環(huán)1與拉環(huán)2連接，拉桿與拉環(huán)，拉環(huán)與傳感器之間的同軸度均對測量有影響 （這里默認以傳感器位置為檢測起點）。每處的同軸度約為0.02mm。

這里沒有考慮傳感器與電缸側(cè)同軸度的影響是因為檢測位置在傳感器，所以同軸度的檢測均以傳感器為起始點。其兩側(cè)分別保證同軸度即可。

3 結(jié)論

采用該同軸度的設(shè)計，使發(fā)動機推力架測量擬合度滿足最終的技術(shù)要求。通過多次試驗，滿足客戶要求并最終完成驗收。

根據(jù)發(fā)動機推力架推力檢測的要求，即標(biāo)定力與目標(biāo)力之間擬合度在99.9999%以上，實際上是對傳感器所在軸線上同軸度的嚴格要求。在不改變結(jié)構(gòu)方案上即可滿足檢測要求。如果推力的擬合度要求更高，還可以加長文中距離A（發(fā)動機推力處于傳感器之間的距離），這樣可以盡量減少數(shù)學(xué)模型中α的角度，即可達到同軸度要求。

[1]盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安交通大學(xué)，2006.

[2]徐灝.機械設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，1998.

[3]張江化.機械制造工藝[M].機械工業(yè)出版社，2009.