某直升机传动系统动力传动轴试验装置改进设计分析.pdf

某直升机传动系统动力传动轴试验装置改进设计分析易 毅周 扬姚宏武(中国航发湖南动力机械研究所湖南 株洲)摘 要:直升机传动系统动力传动轴是连接发动机与减速器的枢纽动力传动轴研制时需要进行大量的试验试验时需要在高转速、高扭矩、大偏角状态长期运行 针对试验装置寿命过短的问题本文根据试验原理对原有试验装置及故障原因进行了分析使用动力学设计和模态仿真对试验装置结构进行了大量改进 经过试验验证改进后的试验装置工作稳定、可靠寿命从 提高到了 关键词:动力传动轴试验装置寿命动力学设计中图分类号:.文献标志码:./.():.、.:收稿日期 作者简介 易 毅()男硕士高级工程师主要研究方向:转子动力学 引 言直升机传动系统用于在发动机转子和旋翼之间传递动力其中动力传动轴是传动系统的关键部件 在动力传动轴研制过程中需要进行大量的试验试验中需要模拟动力传动轴在直升机上的实际工作状态如高转速、高负载、大偏角等严苛的试验条件对动力传动轴试验装置提出了极高的要求试验装置的好坏直接影响到整个传动系统的研制进程动力传动轴试验装置的主要作用是模拟动力传动轴在飞机上的安装状态通过轴系拖动动力传动轴到需要的转速通过内花键将动力传动轴的载荷加载到规定值 动力传动轴试验装置受载情况复杂工作环境恶劣且经常需要长时间连续不间断地运转是故障多发的关键试验设备本文对某直升机传动系统动力传动轴试验装置进行了分析针对其运转时振动大、寿命短的问题通过仿真分析找到故障点对其进行了改进设计及分析 通过试验对改进设计后的试验装置进行了验证完美解决了该问题 试验原理以某直升机传动系统动力传动轴高周疲劳试验为例试验原理如图 所示 试验台采用的是典型的机械功率封闭试验原理主要包括动力装置(电机)、试验件(动力传动轴)、封闭传动装置(前后封闭齿轮箱、联轴器、转矩转速传感器、轴承座、弹性轴、电动同步加载器)功率形成循环封闭流动力装置只供给补偿封闭系统中摩擦、风阻、搅油等损失的功率其主要工作原理是:转子系统经电机驱动通过变频调速系统调速经前封闭齿轮箱增速至试验所需转速回路的扭矩由电动同步加载器进行加载图 试验原理.工程与试验 .动力传动轴试验装置安装于机械功率封闭系统的高速端通过内花键与动力传动轴联接使动力传动轴达到规定的转速、扭矩 动力传动轴花键的润滑油由外部润滑系统通过喷嘴供给 试验所需的偏角通过调整动力传动轴输出端的轴承座位置来达到如图 所示通过测量偏转后的 和根据式()计算得到动力传动轴偏角()图 角向偏移测量原理图 原有试验装置分析原有试验装置结构如图 所示 该试验装置使用双支点结构轴承品牌为 超精密主轴轴承类型为 角接触球轴承 角接触球轴承面对面安装轴承位置通过套筒定位轴承预紧力通过碟簧施加 主轴一端带内花键与动力轴相连一端安装法兰盘与联轴器相连 轴承、套筒、法兰盘串联在主轴上通过一个 内六角螺钉固定 箱体为一体式箱体铸造加工成型 在进行某型直升机传动系统动力轴高周疲劳试验时试验转速为/试验功率 试验件偏角.该试验装置在/之后振动开始明显增大基频由 迅速增长到 在/时试验装置某些振动点振动基频超过 试验装置运行不到便无法再使用图 原有试验装置结构经分析该试验装置主要有以下问题:()转子系统一阶临界转速为/与工作转速裕度不够()箱体模态分析二阶模态为 低于工作转速频率()整个转子系统通过一个 的螺钉锁紧锁紧力矩太小()碟簧施加预紧力时行程太小在振动过大的情况下可能无法施加预紧力()使用轴套结构轴套与轴之间为间隙配合高速旋转时产生很大不平衡量()振动过大加上高转速、大载荷、大偏角迅速损坏试验装置的轴承和其他零件导致试验装置寿命过短 试验装置改进设计分析根据上文中提到的问题对该试验装置的结构进行了重新设计如图 所示 改进后的试验装置依然采用双支点结构轴承为洛阳 轴承有限公司生产的角接触球轴承接触角 使用动力学仿真设计重新设计了主轴转子系统和箱体重新设计了轴承预紧装置使用弹簧进行预紧去掉了轴套结构图 改进后试验装置结构.改进后结构仿真分析.转子系统动力学分析采用.软件对转子模型进行梁单元网格划分对一些细小的局部结构(如倒角、小孔等)进行了简化如图 所示 用轴承单元模拟轴承安装处的刚度轴承单元的刚度使用轴承的径向刚度/代替 将网格模型导入分析软件/完成有限元模型的建立转子有限元模型共包括 个梁单元 个节点 个轴承单元 计算得到转子系统的前两阶临界转速和裕度见表 图 转子计算模型表 临界转速计算值及裕度一阶二阶临界转速计算值(/)裕度().主轴转子系统的前两阶振型见图 和图 图 第一阶振型从临界转速计算结果可知:()动力轴试验装置主轴转.易 毅等:某直升机传动系统动力传动轴试验装置改进设计分析图 第二阶振型子系统在工作转速范围内不存在临界转速()各阶临界转速对工作转速的裕度远大于 满足设计准则对轴类件临界转速裕度的要求()动力轴试验装置主轴转子系统一阶振型为俯仰振型二阶振型为弯曲振型.箱体模态箱体模态计算使用 有限元分析软件箱体上端盖和箱体底座材料均为 号钢材料数据见表 表 材料数据材料密度(/)弹性模量()泊松比 号钢.箱体上端盖与箱体底座的接触面使用绑定()约束采用十节点四面体单元对箱体上端盖和箱体底座进行网格划分箱体共有 个单元 个节点有限元网格如图 所示 边界条件为约束底座安装面所有位移图 箱体有限元网格通过计算得到箱体的前三阶固有频率见表 从计算结果可以看出箱体的固有频率远高于工作频率避免了工作频率下箱体共振表 箱体固有频率阶次固有频率()一阶 二阶 三阶.改进后结构分析.轴承位置为了降低在高转速时由于动力轴偏角产生的径向载荷对转子系统的影响将轴承位置移动到内花键外侧这样可以减小悬臂长度 由于内花键的尺寸限制原有轴承不能满足要求因此重新选用了一对轴承 新轴承内径更大为洛阳 轴承有限公司生产的角接触球轴承 改进后的轴承位置如图 所示图 轴承位置.锁紧装置原试验装置转子系统为套筒结构通过一个 的螺钉锁紧法兰盘、轴承、套筒锁紧的零件过多且锁紧力矩太小在高速大载荷时拧紧力矩太小容易造成松动改进后的结构去掉了套筒结构两个轴承和法兰盘分别由 个端面带槽圆螺母单独锁紧每个圆螺母单独施加锁紧力矩 轴承的锁紧圆螺母施加了 的拧紧力矩法兰盘施加了 的拧紧力矩圆螺母通过锁片防松锁紧装置如图 所示图 锁紧装置.轴承预紧力施加装置原试验装置使用碟簧施加预紧力由于轴承尺寸限制碟簧需要非标定制成本过高、性能不一而且碟簧施加预紧力时行程太小在振动过大的情况下预紧力施加可靠性无法保证改进后的结构使用弹簧施加预紧力如图 所示装置包括动环、弹簧支座和 个米思米 圆线螺旋弹簧 弹簧为标准件每个弹簧容许压缩量 最大产生.的力 该预紧装置最大可以产生 的预紧力可以满足大部分轴承的预紧需求 该装置预紧力施加行程长可保证轴承在所有状态均有足够的预紧力 不仅可以通过调节动环与弹簧支座之间的距离来调整预紧力还可以通过调整弹簧数量来调整预紧力调节方式更加多样灵活.轴承寿命分析计算轴承寿命需要确定轴承运转时的载荷 轴承轴向载荷即预紧力为 轴承径向载荷包括两部分转子系统的重力和动力轴偏角.给轴承施加的径向载荷 查询动力轴的弯曲刚度计算得到轴承的径向载荷为 径向当量动载荷计算公式:()查询轴承样本信息轴承接触角为 时.工程与试验 .图 弹簧预紧装置.计算得到轴承径向当量动载荷为.从轴承厂家样本中查询得到轴承的基本额定动载荷为.使用如下公式计算轴承基本额定寿命:()式中为基本额定动载荷为径向当量动载荷 为指数对于球轴承取 为轴承转速单位/此处取/计算得到轴承寿命为 考虑轴承的特殊性能与使用条件增加修正系数:()式中为可靠度系数取值.为材料修正系数取值 为运转条件系数取值 最终计算得到轴承的寿命为.轴承寿命满足设计要求 试验验证依据图 所示试验原理对改进后的动力轴试验装置进行了试验验证 试验转速/试验功率 动力轴偏角.共计运行了 试验装置与转矩转速传感器连接处为输入端与动力轴连接处为输出端 在输入端和输出端分别有 个测点测量轴向、水平、垂直的振动 试验过程中的振动情况良好输入端水平振动.输出端水平振动.其余测点振动基频均在 以内在后续的其他型号试验中试验装置在/、状态下持续运行了 改进后的试验装置使用寿命远远超过了改进前的试验装置 结 论本文针对直升机传动系统动力传动轴试验装置寿命短、振动大的问题对试验装置进行了改进设计和分析并通过试验验证得出以下结论:()高转速大载荷试验装置转子系统临界转速和箱体固有频率需避开工作频率并有一定裕度否则会引起共振()使用有限元计算软件对试验装置的动力学和模态进行预设计可以提高设计成功率()原动力轴试验装置寿命短、振动大故障定位准确有利于试验装置的改进设计()改进后的动力轴试验装置设计合理寿命和振动有了明显改善参考文献余定君.机械功率封闭原理在传动系统试验器设计中的应用./中国航空学会第十三届机械动力传输学术会议论文集:.中国航空材料手册编委会.中国航空材料手册(第 卷).中国标准出版社.成大先.机械设计手册(第 卷).化学工业出版社.(上接第 页)续表 序号比较内容三维接触式测量三维非接触式测量环境要求恒温、恒湿、无尘、无振动车间环境即可避免振动系统重复性受探针和加长杆长度的影响只受限于镜头的准确度工作范围工作范围基本上为三坐标平台的可达空间测头远离工件一般工作范围在数十米内测量范围大被测工件材质硬度较强材料对强度不足的橡胶件和塑料件等无法测量可进行复合型材料等几乎所有工业材料的测量适用条件实验室样本检测实验室样本检测及在线测量 结束语在目前的测量水平下三维接触式测量和三维非接触式测量都可以满足大部分工件的检测要求并且具有很好的数据一致性 随着三维非接触式测量的快速发展在复杂工件的测量上三维接触式测量的使用将会越来越少取而代之的是更为先进的三维非接触测量系统 尤其是在生产车间的在线测量方面三维非接触测量系统的应用前景非常可观参考文献朱梦楠.基于线结构光的三维测量系统关键技术研究.信息与电脑():.赵洋.高精度激光扫描微表面检测与重构.长春理工大学.欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.易 毅等:某直升机传动系统动力传动轴试验装置改进设计分析