压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台及方法与流程

[0001]
本发明属于航空发动机技术领域，涉及一种用于研究压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损的试验台及测试方法。


背景技术：

[0002]
压气机静子叶片调节机构是现代航空发动机的重要组成结构，其主要作用是根据不同工作状态的需求，通过改变气流通道的形状、尺寸等改变发动机热力循环特性，使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能和工作稳定性。压气机静子叶片调节机构对提高发动机性能、经济性及飞行器机动飞行能力等方面起到重要作用，在现代航空发动机中广泛使用。
[0003]
航空发动机压气机静子叶片调节机构是由多级串并联机构组成的复杂机械系统，运动副远多于其他类型运动机构。在工程实际应用中，国内外多个型号的航空发动机研制和使用过程中，静子叶片调节机构的运动副出现过多起阻滞力过大、卡滞、调节精度低等问题，严重影响发动机安全。
[0004]
现有的摩擦磨损试验台未考虑航空发动机压气机静子叶片调节机构的工作情况以及各构件的运动关系，因此，无法反映航空发动机压气机静子叶片调节机构运动副的真实情况。为实现以上目标，需要设计一种考虑航空发动机压气机静子叶片调节机构结构特点的摩擦磨损试验台，并研究其尺寸、装配、材料参数对运动副摩擦磨损的影响规律，以避免卡滞、调节精度低等问题的发生。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台及其测试方法。在结构方面，本发明是航空发动机压气机静子叶片调节机构的一种简化模型；被测运动副与连杆设计为凸台与凹槽的配合方式，在保证约束相对转动自由度的同时，实现了便于拆卸的特点；该试验台可同时测量运动副的摩擦系数与磨损量；在此基础上，可实现分析运动副材料、间隙、连杆长度、叶片质量等参数对压气机静子叶片调节机构的运动副摩擦系数以及磨损量的影响。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007]
一种压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台，所述的试验台包括动力驱动系统、静子叶片调节系统、传感测试系统和底座；所述动力驱动系统包括直线电机、驱动器支座、一号液压杆和二号液压杆；所述静子叶片调节系统包括一号连杆、二号连杆、三号连杆、衬套a、衬套b、销轴a、销轴b、摇臂、静子叶片、叶片轴以及连杆滑轨；所述测试传感系统包括力传感器、编码器、天平；所述底座用于固定驱动器支座、叶片轴以及连杆滑轨；其中叶片轴可以在底座上转动；
[0008]
所述直线电机固定在驱动器支座上，用于为静子叶片调节系统提供驱动力；直线电机依次将驱动力传递给二号液压杆、一号液压杆、一号连杆、二号连杆；所述二号连杆为l
型；二号连杆的折点端在连杆滑轨上滑动，并将带动三号连杆与摇臂摆动；摇臂通过叶片轴来实现静子叶片的旋转；
[0009]
所述衬套、销轴组成被测运动副，共有两组，一组安装在三号连杆与摇臂之间，其中衬套a固定在摇臂上，并设有凹槽，用于与摇臂上加工的凸台配合，约束二者的相对转动；销轴a固定在三号连杆上，销轴上加工有凸台，用于与三号连杆上加工的凹槽配合；凸台与凹槽配合的设计保证了转动自由度的约束，同时便于拆卸；
[0010]
另一组被测运动副安装在一号连杆与二号连杆之间，其中衬套b固定在一号连杆上，并设有凹槽，用于与一号连杆上加工的凸台配合，约束二者的相对转动；销轴b固定在二号连杆上，销轴上加工有凸台，用于与二号连杆上加工的凹槽配合；凸台与凹槽配合的设计保证了转动自由度的约束，同时便于拆卸；
[0011]
所述力传感器有两个，一个安装在一号液压杆与二号液压杆之间，另一个安装在二号连杆与三号连杆之间，用于杆间拉、压力的测量；所述编码器有两个，分别用于测量一号连杆的摆角与摇臂的摆角。
[0012]
进一步地，上述静子叶片调节系统，模拟航空发动机压气机静子叶片调节机构中的一级，其中被测运动副受力与运动方式均模拟航空发动机压气机静子叶片调节机构的运动副。
[0013]
本发明的有益效果：
[0014]
本发明与现有摩擦磨损试验台相比，考虑了航空发动机压气机静子叶片调节机构的工作情况以及各构件的运动关系，可以反映发动机静子叶片调节机构运动副的摩擦磨损规律；本发明还可以研究运动副材料、间隙、连杆长度、叶片质量等参数对压气机静子叶片调节机构的运动副摩擦系数以及磨损量的影响；同时被测运动副和与其连接的连杆上分别加工了凸台与凹槽，拆卸方便，便于研究参数改变时反复更换运动副；本发明可以同时测量压气机静子叶片调节机构运动副的摩擦系数与磨损量，降低了实验成本，缩短了实验周期。
附图说明
[0015]
图1为本发明实验台的系统组成；
[0016]
图2为本发明的压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台结构示意图；
[0017]
图3为本发明的被测运动副a结构示意图；
[0018]
图4为本发明的被测运动副b结构示意图；
[0019]
图5为本发明的衬套结构示意图；
[0020]
图6为本发明的一号连杆结构示意图；
[0021]
图7为本发明的销轴结构示意图；
[0022]
图8为本发明的二号连杆结构示意图；
[0023]
图9为本发明的三号连杆结构示意图；
[0024]
图10为本发明的摇臂的结构示意图；
[0025]
图11为本发明的摩擦系数测试方法示意图；
[0026]
图中：1二号连杆；2一号连杆；3一号液压杆；4二号液压杆；5直线电机；6驱动器支座；7力传感器；8三号连杆；9底座；10摇臂；11静子叶片；12叶片轴；13衬套a；14衬套b；15连杆滑轨；16销轴a；17销轴b。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0028]
如图1、2所示，一种压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台，主要由动力驱动系统、静子叶片调节系统、传感测试系统和底座10组成；所述动力驱动系统包括直线电机5、驱动器支座6、一号液压杆3和二号液压杆4；所述静子叶片调节系统包括一号连杆2、二号连杆1、三号连杆8、衬套a13、衬套b14、销轴a16、销轴b17、摇臂10、静子叶片11、叶片轴12以及连杆滑轨15；所述测试传感系统包括力传感器7、编码器、天平；所述底座9用于固定驱动器支座6、叶片轴12以及连杆滑轨15；其中叶片轴12可以在底座9上转动；
[0029]
所述直线电机6固定在驱动器支座7上，用于为静子叶片调节系统提供驱动力；直线电机依次将驱动力传递给二号液压杆4、一号液压杆3、一号连杆2、二号连杆1；二号连杆1在连杆滑轨15上滑动，并将带动三号连杆8与摇臂10摆动；摇臂10通过叶片轴12来实现静子叶片11的旋转；
[0030]
如图3所示，所述衬套a13、衬套b14、销轴a16、销轴b17组成被测运动副，共有两组，一组安装在三号连杆8与摇臂10之间，其中衬套a13固定在摇臂10上，并设有凹槽，用于与摇臂10上加工的凸台配合，约束二者的相对转动，如图3所示；销轴a16固定在三号连杆8上，销轴a16上加工有凸台，用于与三号连杆8上加工的凹槽配合，如图5、7、9、10所示；凸台与凹槽配合的设计保证了转动自由度的约束，同时便于拆卸；
[0031]
另一组被测运动副安装在一号连杆2与二号连杆1之间，其中衬套b14固定在一号连杆2上，并加工了凹槽，用于与一号连杆2上加工的凹槽配合，约束二者的相对转动，如图4所示；类似地，销轴b17固定在二号连杆1上，销轴b17上加工有凸台，用于与二号连杆1上加工的凹槽配合，如图5、6、7、8所示；凸台与凹槽配合的设计保证了转动自由度的约束，同时便于拆卸；
[0032]
所述力传感器7有两个，一个安装在一号液压杆3与二号液压杆4之间；另一个安装在二号连杆1与三号连杆8之间；用于杆间拉、压力的测量；所述编码器有两个，分别用于测量一号连杆2与摇臂10的摆角；
[0033]
做好前期准备后进行系统的静态、动态特性测试，一种压气机静子叶片调节机构运动副摩擦磨损试验台的测试方法，用于测试航空发动机压气机静子叶片调节机构运动副的摩擦系数与磨损量，具体如下：
[0034]
1)静子叶片调节机构运动副摩擦系数测试
[0035]
将两个力传感器一个安装在一号液压杆与二号液压杆之间；另一个安装在二号连杆与三号连杆之间；一号连杆上方和摇臂下方均加工有孔，将编码器通过这两个孔与销轴相连，编码器可以测得两个被测运动副的摆角、角速度以及角加速度；被测运动副的摩擦系数计算示意图如图10所示，并由以下公式计算得到
[0036][0037][0038]
[0039][0040][0041]
其中，j是连杆对销轴的转动惯量，可以通过三维软件得到，l为连杆长度，f为力传感器测得的驱动力，m为质量，θ为编码器获得的运动副摆角，f
轴
、f
径
为旋转轴的约束反力，m
μ
为摩擦力矩。
[0042]
进一步改变衬套、销轴的材料和间隙，改变连杆的长度以及静子叶片的质量，并在相同位置处布置力传感器与编码器以相同方式再进行试验，研究不同参数下摩擦系数的变化规律；
[0043]
2)静子叶片调节机构运动副磨损量测试
[0044]
清洗被测运动副，利用天平称取并记录运动副试验前的质量；启动试验台，正常工作一段时间后，卸下运动副并清洗，再次称量其质量。两次称量的质量差即为其磨损量。
[0045]
在此基础上，进一步改变衬套、销轴的材料和间隙，改变连杆的长度以及静子叶片的质量，并以相同方式再进行试验，研究不同参数下磨损量的变化规律。
[0046]
基于以上测试方法本发明主要在于研究研究运动副材料、间隙、连杆长度、叶片质量等参数对压气机静子叶片调节机构的运动副摩擦系数以及磨损量的影响，同时被测运动副和与其连接的连杆上分别加工了凸台与凹槽，拆卸方便，便于研究参数改变时反复更换运动副，以下阐述本发明所能实现的多种工况：
[0047]
主要试验工况变化在于：改变衬套、销轴的材料，目前航空发动机压气机静子叶片调节机构运动副的材料主要有聚酰亚胺、聚四氟乙烯、钛合金、铜合金、铝合金等，结合被测运动副与连杆间的凸台与凹槽配合形式，如图3、4、5、6、7、8、9、10所示，便于反复拆卸运动副，可以研究不同材料对压气机静子叶片调节机构运动副摩擦系数与磨损量的影响；加工不同的衬套、销轴的径向尺寸，改变配合间隙，可以研究不同配合间隙对静子叶片调节机构运动副摩擦系数与磨损量的影响；加工不同长度的连杆以及不同质量的叶片，可以研究连杆结构尺寸与输出端负载对静子叶片调节机构运动副摩擦系数与磨损量的影响；进一步掌握各种参数对静子叶片调节机构运动副摩擦磨损的影响规律，以避免卡滞、调节精度低等问题的发生。