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        彈性環(huán)剛度分析方法及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響

        2019-09-10 04:22:20劉文魁鄧旺群彭春雷孫勇唐虎標(biāo)
        航空科學(xué)技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:渦軸圓環(huán)軸向

        劉文魁 鄧旺群 彭春雷 孫勇 唐虎標(biāo)

        摘要:針對(duì)彈性環(huán)剛度分析方法及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響開展研究。以某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子彈性環(huán)為研究對(duì)象,利用有限元法對(duì)彈性環(huán)剛度進(jìn)行了分析,試驗(yàn)驗(yàn)證了分析方法的有效性,此外,還分析了彈性環(huán)的凸合數(shù)目、壁厚、軸向?qū)挾鹊葘?duì)其剛度的影響,揭示了彈性環(huán)的剛度隨主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律,為彈性環(huán)的剛度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        關(guān)健詞:渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);彈性環(huán);剛度;有限元

        中圖分類號(hào):V231.96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼,A

        常見的彈性支承類型主要有籠條式和彈性環(huán)式兩類,彈性環(huán)式彈性支承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量(質(zhì)量)輕和占用空間小等優(yōu)點(diǎn),在中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。

        彈性環(huán)的徑向剛度(均簡(jiǎn)稱剛度)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、振型、不平衡響應(yīng),以及傳遞特性等有重要影響,因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期,如何準(zhǔn)確獲得彈性環(huán)的支承剛度顯然尤為重要[3~6]。

        彈性環(huán)的剛度分析主要有解析法和有限元法,其中解析法精度較低,只能對(duì)彈性環(huán)剛度的量級(jí)進(jìn)行預(yù)估[3];有限元法能夠考慮彈性環(huán)的幾何細(xì)節(jié)特征,計(jì)算精度較高,得到了廣泛應(yīng)用[7,8]。

        某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子采用了軸承共腔結(jié)構(gòu),其動(dòng)力渦輪軸承座的空間狹小,5號(hào)和6號(hào)軸承位置非常適合采用彈性環(huán)式的彈性支承方案,但彈性環(huán)在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用經(jīng)驗(yàn)缺乏,有必要針對(duì)彈性環(huán)的剛度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展深入研究,為彈性環(huán)最終應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提供指導(dǎo)。

        1 彈性環(huán)剛度分析

        1.1 彈性環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

        彈性環(huán)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括凸臺(tái)高度Δ,壁厚h,凸臺(tái)寬度b,凸臺(tái)倒圓半徑R,凸臺(tái)數(shù)目m,內(nèi)徑D,外徑D,軸向?qū)挾萀,如圖1所示。

        某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子5號(hào)和6號(hào)彈性環(huán)帶油膜孔和防轉(zhuǎn)槽結(jié)構(gòu),材料為60Si2MnA,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的裝配結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,彈性環(huán)的傳力路徑為:軸承載荷傳至襯套,再傳至彈性環(huán)后傳遞給動(dòng)力渦輪軸承座,通過安裝邊傳至外部機(jī)匣。彈性環(huán)與襯套之間和彈性環(huán)與軸承座之間均是過渡配合關(guān)系。

        1.2 有限元模型及邊界條件

        計(jì)算時(shí),考慮彈性環(huán)的受載邊界條件,在彈性環(huán)內(nèi)、外環(huán)建立內(nèi)、外圓環(huán)進(jìn)行剛度分析,假設(shè)內(nèi)、外圓環(huán)的材料彈性模量遠(yuǎn)大于彈性環(huán)的值,假設(shè)為剛性結(jié)構(gòu)。彈性環(huán)剛度計(jì)算模型如圖4所示,有限元網(wǎng)格圖如圖5、圖6所示。

        邊界條件施加方法如下:

        (1)彈性環(huán)與內(nèi)、外圓環(huán)之間建立標(biāo)準(zhǔn)無摩擦接觸;

        (2)約束外圓環(huán)的外徑環(huán)面(圖4中面A)所有節(jié)點(diǎn)的位移(軸向、徑向及周向)。

        (3)約束內(nèi)圓環(huán)一側(cè)端面任意一圓周線(圖4中線1)的軸向位移及沿力路徑(圖4中線2方向)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的周向位移。

        (4)約束彈性環(huán)一側(cè)端面任意一圓周線的軸向位移及沿力路徑(圖4中線2方向)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的周向位移。

        1.3 有限元分析結(jié)果

        采用位移加載形式,對(duì)內(nèi)圓環(huán)內(nèi)徑環(huán)面(圖4中面B)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行0.2mm的位移加載(圖4線2方向,此方向通過具有防轉(zhuǎn)槽的外凸臺(tái)中心線)。得到內(nèi)圓環(huán)內(nèi)徑環(huán)面支反力為1265N,從而得到彈性環(huán)的剛度值為0.6325×10N/m,彈性環(huán)位移分布圖如圖7所示。

        1.4 分析方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)該彈性環(huán)的剛度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。為了能真實(shí)地反映彈性環(huán)工作時(shí)的剛度,根據(jù)彈性環(huán)工作特點(diǎn),模擬彈性環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際安裝狀態(tài),專門設(shè)計(jì)了一套專用夾具測(cè)量彈性環(huán)剛度,保證夾具與彈性環(huán)的配合關(guān)系與彈性環(huán)工作時(shí)一致。

        彈性環(huán)剛度測(cè)量示意圖和測(cè)量裝置實(shí)物照片分別如圖8、圖9所示,安裝狀態(tài)示意圖如圖10所示,彈性環(huán)內(nèi)環(huán)面與襯套相連,襯套套在芯棒上,芯棒與球頭杠桿通過螺栓連接,杠桿另一端穿過轉(zhuǎn)接軸,轉(zhuǎn)接軸固定在支座上,轉(zhuǎn)接軸在支座內(nèi)能自由轉(zhuǎn)動(dòng),掛鉤放置在杠桿開孔處,通過添加砝碼實(shí)現(xiàn)加載。

        試驗(yàn)時(shí)依次施加5kg、10kg、15kg、20kg和25kg砝碼,用電渦流位移傳感器測(cè)量各載荷下彈性環(huán)的位移值S,根據(jù)剛度定義公式:

        K=F/S式中;K為結(jié)構(gòu)的靜剛度;F為試驗(yàn)載荷;S為加載處位移。

        對(duì)F和S進(jìn)行線性擬合獲得彈性環(huán)剛度值。為減少測(cè)量誤差,采用多次測(cè)量取平均值的方法。彈性環(huán)的剛度測(cè)量結(jié)果見表2。

        由表2可知,彈性環(huán)的剛度測(cè)量值(平均值)為0.584×10N/m。彈性環(huán)剛度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析結(jié)果見表3。

        從表3可知,提出的有限元分析方法可以較精確地計(jì)算出彈性環(huán)的剛度,計(jì)算誤差僅8.3%。

        2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響研究

        以原設(shè)計(jì)彈性環(huán)為基準(zhǔn),針對(duì)彈性環(huán)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響規(guī)律開展研究。

        2.1 剛度隨凸臺(tái)數(shù)目的變化規(guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,改變凸臺(tái)數(shù)目m,得到的剛度隨凸臺(tái)數(shù)目的變化曲線,如圖11所示,彈性環(huán)剛度隨凸臺(tái)數(shù)目的增加會(huì)顯著增大。

        2.2 剛度隨彈性環(huán)軸向?qū)挾鹊淖兓?guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)的軸向?qū)挾萀,得到的剛度隨軸向?qū)挾鹊淖兓€,如圖12所示,從圖12可知,彈性環(huán)剛度隨彈性環(huán)軸向?qū)挾鹊脑黾佣龃?,近似于線性變化規(guī)律。

        2.3 剛度隨壁厚的變化規(guī)律

        保持其他參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)壁厚h(外徑不變,改變內(nèi)徑),得到的剛度隨壁厚的變化曲線如圖13所示,從圖13可知,彈性環(huán)的剛度隨厚度增大而顯著增大,當(dāng)壁厚由1mm增大到1.9mm時(shí),剛度增大了471%。

        2.4 剛度隨凸臺(tái)倒圓半徑的變化規(guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)的凸臺(tái)倒圓半徑R,得到的剛度隨凸臺(tái)倒圓半徑的變化曲線如圖14所示,從圖14可知,彈性環(huán)凸臺(tái)倒圓半徑R的增大,相當(dāng)于局部增大了彈性環(huán)的壁厚,會(huì)使彈性環(huán)剛度略有增大,但影響很小,凸臺(tái)倒圓半徑由2mm增大到18mm,剛度僅增加了8%,因此倒角R不能作為彈性環(huán)剛度設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。

        2.5 剛度隨凸臺(tái)寬度的變化規(guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)的凸臺(tái)寬度b,得到的剛度隨凸臺(tái)寬度的變化曲線如圖巧所示,從圖15可知,彈性環(huán)凸臺(tái)寬度的增大,也相當(dāng)于局部增大了彈性環(huán)的壁厚,會(huì)使彈性環(huán)的剛度顯著增大。

        2.6 剛度隨內(nèi)外徑大小的變化規(guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)的內(nèi)外徑(保持壁厚和凸臺(tái)高度不變),得到的剛度隨內(nèi)外徑的變化曲線如圖16所示,從圖16可知,彈性環(huán)內(nèi)外徑的增大,每?jī)蓚€(gè)凸臺(tái)間的距離將增大,彈性環(huán)的剛度略有下降。

        2.7 剛度隨凸臺(tái)高度的變化規(guī)律

        保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變彈性環(huán)的內(nèi)外凸臺(tái)高度Δ(壁厚不變,改變內(nèi)外徑),得到的剛度隨凸臺(tái)高度的變化曲線如圖17所示,從圖17可知,彈性環(huán)的剛度隨凸臺(tái)高度的增大會(huì)略有增大。

        3 結(jié)論

        本文針對(duì)彈性環(huán)剛度分析方.法及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響開展研究,主要結(jié)論如下:

        (1)提出的彈性環(huán)剛度有限元分析方法可以較精確地計(jì)算出彈性環(huán)的剛度。

        (2)彈性環(huán)的凸臺(tái)數(shù)目、壁厚和凸臺(tái)寬度對(duì)彈性環(huán)的剛度均影響很大,彈性環(huán)軸向?qū)挾?、凸臺(tái)倒圓半徑、內(nèi)外徑和凸臺(tái)高度對(duì)其剛度的影響較小。因此,在彈性環(huán)剛度設(shè)計(jì)中,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮通過調(diào)整彈性環(huán)的凸臺(tái)數(shù)目、壁厚、凸臺(tái)寬度來達(dá)到目標(biāo)剛度值。

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