呂 勝

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

附件傳動(dòng)系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，工作時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)附件，保證飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)電力設(shè)備、燃油、液壓和滑油系統(tǒng)等正常工作[1]，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中會(huì)進(jìn)行各種整機(jī)試驗(yàn)以及部件試驗(yàn)來考核附件傳動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度及振動(dòng)特性，試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)和進(jìn)行排故的有效手段。但是用試驗(yàn)來測量附件傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈中每個(gè)齒輪的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，其經(jīng)濟(jì)性及可行性都比較低；同時(shí)它受零部件空間結(jié)構(gòu)的限制，試驗(yàn)周期長，特別對于一些在研發(fā)動(dòng)機(jī)，還沒有實(shí)物的情況下，設(shè)計(jì)人員需要提前了解整個(gè)附件傳動(dòng)鏈的振動(dòng)響應(yīng)情況，及時(shí)查找出傳動(dòng)鏈的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期，就需要比試驗(yàn)更便捷、可行的方法來得到傳動(dòng)鏈的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

筆者采用英國賽瑪特傳動(dòng)技術(shù)有限公司開發(fā)的MASTA軟件構(gòu)建某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析模型，計(jì)算Z8齒輪處系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)，與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。

1 MASTA簡介

MASTA軟件是一款集成的CAE軟件包，它具有功能強(qiáng)大、應(yīng)用面廣、實(shí)用性強(qiáng)且參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以對整個(gè)齒輪箱或傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、分析及優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)及開發(fā)的成本和周期，目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定成果，且有專用的航空版，它可以模擬整個(gè)附件傳動(dòng)系統(tǒng)，按載荷譜加載真實(shí)工況，計(jì)算系統(tǒng)變形，從而在系統(tǒng)環(huán)境和全工況條件下對機(jī)匣、齒輪、軸、軸承等附件傳動(dòng)系統(tǒng)零部件進(jìn)行強(qiáng)度、振動(dòng)、壽命及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，本文僅詳細(xì)介紹附件傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算方法及結(jié)果的驗(yàn)證。

2 仿真計(jì)算

利用MASTA軟件對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，尋找振動(dòng)響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速，為查找故障原因提供理論支撐。

2.1 系統(tǒng)故障

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)中Z8齒輪在輻板根部減輕孔處出現(xiàn)裂紋并向外擴(kuò)展，直至整個(gè)輻板過載斷裂(如圖1所示)，導(dǎo)致傳動(dòng)失效，發(fā)動(dòng)機(jī)空中斷油停車。

該發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)附件傳動(dòng)鏈如圖2所示[2]，故障齒輪為圖中Z8齒輪，經(jīng)附件傳動(dòng)系統(tǒng)部件試驗(yàn)和分析確定故障主要原因?yàn)椋篫8齒輪處振動(dòng)響應(yīng)過大(試驗(yàn)測得慢車轉(zhuǎn)速附件Z8齒輪處振動(dòng)加速度峰值最大達(dá)到67 g，大狀態(tài)時(shí)振動(dòng)加速度峰值最大達(dá)到250 g)，長時(shí)間工作累積損傷，導(dǎo)致齒輪輻板疲勞斷裂。

圖1 故障齒輪圖

圖2 附件傳動(dòng)鏈簡圖

2.2 系統(tǒng)建模

此研究的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括的零部件有齒輪、機(jī)匣、定位軸和軸承，建模過程按零部件類型可以分為兩類：內(nèi)部系統(tǒng)建模和全有限元零件導(dǎo)入。

對于結(jié)構(gòu)相對簡單的定位軸、軸承、齒輪及相關(guān)連接件，可以通過MASTA軟件內(nèi)部的功能模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，并根據(jù)需要通過調(diào)整參數(shù)修改模型，本文建立的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件齒輪鏈模型如圖3所示。

對于復(fù)雜的齒輪軸及附件機(jī)匣采用全有限元模型導(dǎo)入的方法，首先將其在通用有限元軟件ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成全有限元模型，這樣零部件的質(zhì)量、剛度以及模態(tài)等信息更加準(zhǔn)確，形成的有限元模型通過MASTA軟件中的接口模塊導(dǎo)入，并與2.2中建立的內(nèi)部系統(tǒng)模型一起形成完整的傳動(dòng)系統(tǒng)模型(見圖4)。

圖3 齒輪傳動(dòng)鏈系統(tǒng)模型

圖4 附件傳動(dòng)系統(tǒng)模型

2.3 邊界條件設(shè)置

本次仿真計(jì)算結(jié)果要與部件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，所以邊界條件設(shè)置與部件試驗(yàn)相同，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)在中傳動(dòng)匣上垂直Z8齒輪的軸承座處，設(shè)置1#測點(diǎn)(見圖5)測量徑向振動(dòng)加速度；在中傳動(dòng)匣上垂直Z10齒輪的軸承座處設(shè)置2#測點(diǎn)測量徑向振動(dòng)加速度，仿真計(jì)算時(shí)也在同樣的位置添加振動(dòng)加速度響應(yīng)輸出點(diǎn)，仿真計(jì)算時(shí)與振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)各附件的提取功率相同。

圖5 試驗(yàn)時(shí)測振點(diǎn)安排

2.4 仿真計(jì)算

在附件機(jī)匣安裝邊上添加符合實(shí)際工況的約束，在功率輸出位置添加相應(yīng)的載荷，然后運(yùn)行MASTA軟件的動(dòng)力學(xué)分析Gear Whine模塊，可查看兩個(gè)振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)振動(dòng)加速度的瀑布響應(yīng)圖，在軟件仿真結(jié)果中選擇輸入軸轉(zhuǎn)速范圍8 600 r/min～17 032 r/min，在該范圍內(nèi)尋找主要振動(dòng)響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速，并將計(jì)算響應(yīng)峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比

1號測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖6，2號測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖7。

1號測點(diǎn)仿真分析得到的振動(dòng)加速度與試驗(yàn)振動(dòng)加速度幅值及趨勢基本一致，仿真振動(dòng)加速度峰值約為73 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15000 r/min附近，試驗(yàn)振動(dòng)加速度峰值約為67 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 200 r/min附近，兩者峰值的相對誤差為8.3%，兩者峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對誤差為1.3%。

2號測點(diǎn)仿真分析得到的振動(dòng)加速度與試驗(yàn)振動(dòng)加速度幅值及趨勢也基本一致，仿真振動(dòng)加速度峰值約為71 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 000 r/min附近，試驗(yàn)振動(dòng)加速度峰值約為66 g，出現(xiàn)在Ng轉(zhuǎn)速15 300 r/min附近，兩者峰值的相對誤差為7.0%，兩者峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對誤差為2.0%。

圖6 測點(diǎn)1計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖7 測點(diǎn)2計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)束語

仿真計(jì)算得到的振動(dòng)加速度峰值與試驗(yàn)結(jié)果相對誤差最大為8.3%，建立的附件傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型準(zhǔn)確可靠，本方法同樣可以計(jì)算傳動(dòng)鏈中其他齒輪的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及其它傳動(dòng)鏈的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為附件傳動(dòng)設(shè)計(jì)提供了新思路，縮短研發(fā)周期及降低研制費(fèi)用。