微型涡喷发动机推力测量装置设计与误差分析
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设 计 与 研 究
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微型涡喷发动机推力测量装置设计与误差分析
朱洪基 赵 帅
（北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京 100191）
摘 要：本文介绍了一种新型的微型涡喷发动机地面试车台推力测量系统，阐述台架的结构和原理，并从加 工及装配误差、装置内阻力和传感器引起的误差三个方面对该装置进行分析，指出引起误差的原因，并给出了减 小及消除这些误差的建议。 关键词：误差分析 推力测量 试车台
图 ３ 杠杆竖直方向角度偏移
其中，θ 为吊架杠杆与竖直方向的偏角，ｋ杠杆力臂之 比。于是，传感器测量值 F 与实际发动机推力 T 有如下关系： F=KTcosθ （5） 同时，悬臂梁的挠曲线近似微分方程： F lx 2 x 2 （6） = ω − EI 2 6 其中，F 为传感器收到的压力，E 为传感器材料的弹性 模量，I 为梁截面的惯性矩，l 为梁的长度，x 为 F 与固定 端距离。代入传感器的参数，最终求得传感器总体变形量 小于 0.0053mm，cosθ ≤ 5.77×10-11，即数值偏转角对推力 测量造成的影响可忽略不计。 ２．２ 测量装置内部阻力 测量装置的内部阻力是其固有的特性，无法彻底消除， 但是可以通过合理的优化设计降低其影响。对于本测量装 置，内部阻力来源有两个方面：零件之间的摩擦力和发动 机重力分量。其中，各个零件之间的摩擦力包括：①杠杆 支点处的滚针轴承摩擦力；②短臂端滚子与滑块之间的摩 擦力；③滑块与导轨之间的摩擦力；④传感器限位销与固 定块之间的摩擦力。测量过程中，装置处于准稳态，故各 静摩擦力和重力分量相等。 根据两传感器示数进行差分计算，得到：
引言 作为涡喷发动机的核心参数，准确测量推力在发动机试 验和交付过程中十分重要 [1]。目前，涡喷发动机推力的测量 通常采用弹簧片支撑式的台架结构，由定架、动架和弹簧片 组成。其中，定架与基础刚性连接。动架通过弹簧片支撑在 定架上， 发动机安装在动架上。 发动机实验时， 在推力作用下， 通过动架与定架之间产生微小的位移使传感器形变，从而计 算发动机推力 [2]。这两种试验台架广泛应用于大推力的涡喷 发动机的推力测量。但是，对于体积和推力均较小的微型涡 喷发动机，这种试车台架显得复杂且精度较低，且许多微型 涡喷发动机的研制单位不具备制造这种试车台架的条件 [3]， 为微型涡喷发动机的研制带来困难。本文设计了一种新型的 微型涡喷发动机地面试车台推力测量系统，有效解决了微 型涡喷发动机地面试车推力测量的问题。 １ 推力测量系统 发动机的推力测量系统包括试验台架、称重传感器、数 据采集器、计算机等。其中，试验台架采用自主设计的悬 挂式结构，下文将会详细介绍。称重传感器采用 CFBLSM100kg 型拉压力传感器，数据采集模块使用 ADAM-4018 和 ADAM-4520，计算机端采用 NI 的 Labview 和 VC++ 来编写推 力测量系统的软件。试验时，传感器将推力大小的变化转换 为电信号，电信号经过数据采集器转换为数字信号并传输给 计算机，通过编写的软件对推力进行实时监控和数据处理。 试验台架如图 1 所示。该台架由定架、杠杆、滑块和 滚子等组成。杠杆的下端通过卡箍与发动机连接，杠杆的 上端装有滚子，滚子夹在两个滑块之间，两个滑块只能沿 导轨水平方向滑动。两个滑块分别与传感器相连。试验前， 根据被测发动机推力值对传感器施加预紧力。根据杠杆作 用的原理，当推力作用在杠杆的下端时，杠杆的上端产生 相应大小的力。这时，通过滚子和滑块的接触，将杠杆上 端垂直于杠杆力臂的力转化为水平方向的力，并分别作用 在两端的传感器上。 衡状态。试车前，假设两传感器示数分别为 FL 和 FR，则有： FL+FR=0 （1） ＇ 试验过程中，假设此时两传感器示数分别为和 FR ，杠 ＇ 杆下 FL 端力臂与上端力臂之比为 K， 发动机推力为 T， 则有： ＇ ＇ FL +FR +KT=0 （2） 通过上面的两个方程，可以得出发动机的推力： F + FR − FL′ − FR′ （3） T= L K ２ 误差分析 本推力测量装置误差主要来源于以下方面 [4]：（1）零 件加工和装配过程中的积累偏差；（2）机构内部阻力引起 的误差；（3）传感器精度误差。 ２．１ 加工及装配误差 加工及装配尺寸的偏差会引起发动机推力线的偏斜或 偏移，给推力测量带来误差，从而直接影响涡喷发动机在 应用时的姿态控制精度。推力偏心可用推力偏移、推力偏 斜角等参数来表述。从测量装置的原理出发可知，杠杆上 端滚子与滑块之间为线接触，故可以有效防止推力偏移在 此测量装置中造成的影响。所以，在此推力测量装置中， 主要考虑推力偏斜角带来的影响 [5-6]。 发动机轴向在垂直于杠杆的平面内与两传感器轴线间的 偏斜角，通常由以下原因引起：滑块轨道与传感器中心线偏 斜、两对置传感器同轴度差等。通过在支架与杠杆间安装限 位轴套，使用铰制螺栓等方式，能有效减小此偏斜角。图 2 为测力装置在垂直于导轨平面的剖视图，从中可以反映出各 零件的装配关系。其中，支架导轨、杠杆支架、限位轴套以 及杠杆各自的加工精度以及相互的装配误差，决定了杠杆在 水平面上的最大扭转角。测量试制的各部件误差，通过尺寸 链计算，得到杠杆与限位套之间间隙为 -0.05 ～ +0.25mm。
表 １ 传感器参数
参数 灵敏度 非线性 滞后 重复性 蠕变 零点输出 工作温度范围 输入电阻 输出电阻 安全过载 绝缘电阻 推荐激励电压 单位 mV/V ≤ %FS ≤ %FS ≤ %FS ≤ %F·S/30min ≤ %FS ℃ Ω Ω ≤ %FS MΩ V 数值 2.0±0.05 ±0.03 ±0.03 ±0.03 ±0.03 ±1 -20℃ ~+80℃ 350±20Ω 350±5Ω 150% F·S ≥ 5000MΩ（50VDC） 10V~15V
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现代制造技术与装备
２０１６ 第 １２ 期 总第 ２４１ 期
到。经计算，δ 为 0.0028%。 吊架杠杆与竖直方向的角度偏差主要由初始安装位置 的偏差和测量过程中传感器的变形量引起。由于杠杆吊架 具有重力自调节的性质，安装过程中首先使自由的杠杆吊 架达到稳定状态后再进行预紧力加载，以有效减小安装造 成的角度偏差。同时，在测量推力的过程中，S 型的推力传 感器在收到压力时会产生一定的变形量。将其简化为悬臂 梁模型，可求得传感器变形量。杠杆受力分析如图 3 所示。
图 ２ 垂直导轨平面剖视图
图 １ 推力测量装置
由于角度偏斜对推力测量造成的相对误差计算为： T − T cos α （4） δ= = 1 − cos α
T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在两传感器中心轴线方向上，滚子时刻处于使受力平
其中 α 可由上面计算的最大间隙和杠杆的宽度计算得
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微型涡喷发动机推力测量装置设计与误差分析
朱洪基 赵 帅
（北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京 100191）
摘 要：本文介绍了一种新型的微型涡喷发动机地面试车台推力测量系统，阐述台架的结构和原理，并从加 工及装配误差、装置内阻力和传感器引起的误差三个方面对该装置进行分析，指出引起误差的原因，并给出了减 小及消除这些误差的建议。 关键词：误差分析 推力测量 试车台
图 ３ 杠杆竖直方向角度偏移
其中，θ 为吊架杠杆与竖直方向的偏角，ｋ杠杆力臂之 比。于是，传感器测量值 F 与实际发动机推力 T 有如下关系： F=KTcosθ （5） 同时，悬臂梁的挠曲线近似微分方程： F lx 2 x 2 （6） = ω − EI 2 6 其中，F 为传感器收到的压力，E 为传感器材料的弹性 模量，I 为梁截面的惯性矩，l 为梁的长度，x 为 F 与固定 端距离。代入传感器的参数，最终求得传感器总体变形量 小于 0.0053mm，cosθ ≤ 5.77×10-11，即数值偏转角对推力 测量造成的影响可忽略不计。 ２．２ 测量装置内部阻力 测量装置的内部阻力是其固有的特性，无法彻底消除， 但是可以通过合理的优化设计降低其影响。对于本测量装 置，内部阻力来源有两个方面：零件之间的摩擦力和发动 机重力分量。其中，各个零件之间的摩擦力包括：①杠杆 支点处的滚针轴承摩擦力；②短臂端滚子与滑块之间的摩 擦力；③滑块与导轨之间的摩擦力；④传感器限位销与固 定块之间的摩擦力。测量过程中，装置处于准稳态，故各 静摩擦力和重力分量相等。 根据两传感器示数进行差分计算，得到：
引言 作为涡喷发动机的核心参数，准确测量推力在发动机试 验和交付过程中十分重要 [1]。目前，涡喷发动机推力的测量 通常采用弹簧片支撑式的台架结构，由定架、动架和弹簧片 组成。其中，定架与基础刚性连接。动架通过弹簧片支撑在 定架上， 发动机安装在动架上。 发动机实验时， 在推力作用下， 通过动架与定架之间产生微小的位移使传感器形变，从而计 算发动机推力 [2]。这两种试验台架广泛应用于大推力的涡喷 发动机的推力测量。但是，对于体积和推力均较小的微型涡 喷发动机，这种试车台架显得复杂且精度较低，且许多微型 涡喷发动机的研制单位不具备制造这种试车台架的条件 [3]， 为微型涡喷发动机的研制带来困难。本文设计了一种新型的 微型涡喷发动机地面试车台推力测量系统，有效解决了微 型涡喷发动机地面试车推力测量的问题。 １ 推力测量系统 发动机的推力测量系统包括试验台架、称重传感器、数 据采集器、计算机等。其中，试验台架采用自主设计的悬 挂式结构，下文将会详细介绍。称重传感器采用 CFBLSM100kg 型拉压力传感器，数据采集模块使用 ADAM-4018 和 ADAM-4520，计算机端采用 NI 的 Labview 和 VC++ 来编写推 力测量系统的软件。试验时，传感器将推力大小的变化转换 为电信号，电信号经过数据采集器转换为数字信号并传输给 计算机，通过编写的软件对推力进行实时监控和数据处理。 试验台架如图 1 所示。该台架由定架、杠杆、滑块和 滚子等组成。杠杆的下端通过卡箍与发动机连接，杠杆的 上端装有滚子，滚子夹在两个滑块之间，两个滑块只能沿 导轨水平方向滑动。两个滑块分别与传感器相连。试验前， 根据被测发动机推力值对传感器施加预紧力。根据杠杆作 用的原理，当推力作用在杠杆的下端时，杠杆的上端产生 相应大小的力。这时，通过滚子和滑块的接触，将杠杆上 端垂直于杠杆力臂的力转化为水平方向的力，并分别作用 在两端的传感器上。 衡状态。试车前，假设两传感器示数分别为 FL 和 FR，则有： FL+FR=0 （1） ＇ 试验过程中，假设此时两传感器示数分别为和 FR ，杠 ＇ 杆下 FL 端力臂与上端力臂之比为 K， 发动机推力为 T， 则有： ＇ ＇ FL +FR +KT=0 （2） 通过上面的两个方程，可以得出发动机的推力： F + FR − FL′ − FR′ （3） T= L K ２ 误差分析 本推力测量装置误差主要来源于以下方面 [4]：（1）零 件加工和装配过程中的积累偏差；（2）机构内部阻力引起 的误差；（3）传感器精度误差。 ２．１ 加工及装配误差 加工及装配尺寸的偏差会引起发动机推力线的偏斜或 偏移，给推力测量带来误差，从而直接影响涡喷发动机在 应用时的姿态控制精度。推力偏心可用推力偏移、推力偏 斜角等参数来表述。从测量装置的原理出发可知，杠杆上 端滚子与滑块之间为线接触，故可以有效防止推力偏移在 此测量装置中造成的影响。所以，在此推力测量装置中， 主要考虑推力偏斜角带来的影响 [5-6]。 发动机轴向在垂直于杠杆的平面内与两传感器轴线间的 偏斜角，通常由以下原因引起：滑块轨道与传感器中心线偏 斜、两对置传感器同轴度差等。通过在支架与杠杆间安装限 位轴套，使用铰制螺栓等方式，能有效减小此偏斜角。图 2 为测力装置在垂直于导轨平面的剖视图，从中可以反映出各 零件的装配关系。其中，支架导轨、杠杆支架、限位轴套以 及杠杆各自的加工精度以及相互的装配误差，决定了杠杆在 水平面上的最大扭转角。测量试制的各部件误差，通过尺寸 链计算，得到杠杆与限位套之间间隙为 -0.05 ～ +0.25mm。
表 １ 传感器参数
参数 灵敏度 非线性 滞后 重复性 蠕变 零点输出 工作温度范围 输入电阻 输出电阻 安全过载 绝缘电阻 推荐激励电压 单位 mV/V ≤ %FS ≤ %FS ≤ %FS ≤ %F·S/30min ≤ %FS ℃ Ω Ω ≤ %FS MΩ V 数值 2.0±0.05 ±0.03 ±0.03 ±0.03 ±0.03 ±1 -20℃ ~+80℃ 350±20Ω 350±5Ω 150% F·S ≥ 5000MΩ（50VDC） 10V~15V
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２０１６ 第 １２ 期 总第 ２４１ 期
到。经计算，δ 为 0.0028%。 吊架杠杆与竖直方向的角度偏差主要由初始安装位置 的偏差和测量过程中传感器的变形量引起。由于杠杆吊架 具有重力自调节的性质，安装过程中首先使自由的杠杆吊 架达到稳定状态后再进行预紧力加载，以有效减小安装造 成的角度偏差。同时，在测量推力的过程中，S 型的推力传 感器在收到压力时会产生一定的变形量。将其简化为悬臂 梁模型，可求得传感器变形量。杠杆受力分析如图 3 所示。
图 ２ 垂直导轨平面剖视图
图 １ 推力测量装置
由于角度偏斜对推力测量造成的相对误差计算为： T − T cos α （4） δ= = 1 − cos α
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在两传感器中心轴线方向上，滚子时刻处于使受力平
其中 α 可由上面计算的最大间隙和杠杆的宽度计算得
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