某型涡轴发动机手动控制杆设计研究

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　　摘 要
　　本文根据某型涡轴发动机试验要求，结合发动机中心高和手动控制杆实际安装位置，运用曲柄滑块机构原理，通过运动和受力分析计算，对手动控制杆进行了合理设计。经过试验验证，所设计的手动控制杆能够满足发动机试验要求。
　　关键词
　　涡轴发动机;手动控制杆;曲柄滑块机构
　　中图分类号： V233.7                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.051
　　0 前言
　　随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断提高，航空发动机燃油与控制系统由简单到复杂，大致经历了以下几个发展阶段[1]：机械液压控制，机械液压控制+模拟式控制装置，机械液压控制+数字式控制装置，FADEC（全权限数字电子控制）+机械液压备份装置，双通道FADEC。
　　因为机械液压控制系统能实现的控制变量有限、控制规律简单;控制系统响应速度慢、控制精度低;难以与直升机飞行控制系统、火力控制系统进行交联综合控制等原因，目前已逐渐被数字式电子控制系统所替代[2]。然而在数字式电子控制系统未完全发展成熟之前，其可靠性不如机械液压控制系统，因此在某些时候仍然保留了机械液压控制作为手动备份控制系统。当出现飞行故障或飞行员主动操控时，该电子控制系统将切换到按照固定油气比控制的手动控制。
　　本文结合某型涡轴发动机的试验要求对手动控制杆进行了设计。
　　1 设计要求
　　1.1 运动要求
　　所设计的手动控制杆可实现发动机应急拉杆-30～+30mm之间的直线运动，其中最小位置为-30mm，最大位置为+30mm、中间位置为0mm。
　　当应急拉杆位于中间位置时，发动机为自动控制模式，手动控制不参与控制;当应急拉杆退出中间位置并向最小位置方向移动时（0～-30mm），发动机自动控制失效，可通过手动控制杆来减少燃油供给;当应急拉杆退出中间位置并向最大位置方向移动时（0～+30mm），发动机自动控制失效，可通过手动控制杆来增加燃油供给。
　　1.2 受力要求
　　应急拉杆额定操纵负载：33.3N
　　应急拉杆退出中间位置的负载：50N
　　在拉杆行程的最后允许的最大负载：400N
　　2 理论设计
　　运用曲柄滑块机构原理，将曲柄安装在电机的输出轴上，通过电机的周转运动，借助连杆带动滑块来驱动应急拉杆完成-30～+30mm的直线运动。
　　已知步进电机的工作角度为0～120°，驱动力矩≤5N·m，发动机中心高750mm。
　　2.1 设计计算
　　曲柄滑块机构见图1所示，它由曲柄AB、连杆BC、以及滑块C组成[3]。设曲柄长度为a、连杆长度为b、偏心距为e、滑块位移为s、曲柄转角为、连杆转角为。
　　应用几何关系可推导出曲柄与滑块对应位置间的关系式：
　　s=acosα+bcosθ（1）
　　e=asinα+bsinθ（2）
　　将公式（1）对时间t求导，得到滑块的速度：
　　v=-aω（3）
　　公式（3）中ω为曲柄角速度。
　　从公式（1）～（3）可以看出，在曲柄、连杆、偏心距尺寸及曲柄角速度已知的情况下，滑块的位移和速度仅是曲柄转角的函数，令：
　　s=f（α）（4）
　　公式（5）需满足电机输入0～120°的转角，滑块位移为-30～+30mm的要求。设最小位置、中间位置、最大位置对应的曲柄转角分别为α1、α0、α2，得到：
　　α1+α2=2α0（5）
　　α2-α1=120°（6）
　　f（α1）+f（α2）=2f（α0）（7）
　　f（α1）-f（α2）=60（8）
　　令α0=90°，由公式（1）、（2）、（5）～（8）可计算出α1=30°，α2=150°，a=34.6mm，e=0.75a=26mm。
　　为了确定连杆长度对滑块运动的影响，分别将连杆长度b=400、500、600mm代入公式（1）～（3），若曲柄以5o/s的速率匀速转动，可得到滑块位移和速度曲线，见图2～图3所示。
　　从图2～图3可知，当b足够大时，机构的传动性能参数变化趋于平稳，即继续增长连杆长度无实用意义，受发动机中心高750mm及手动控制杆安装位置的限制，确定连杆长度b=600mm。
　　2.2 设计校核
　　连杆为受二力构件，其受力只能为指向BC方向，曲柄滑块机构的受力分析见图4所示。
　　因滑块质量很小，可忽略滑块的惯性力，根据图4受力分析可得：
　　M=F×a×（9）
　　式中：F为滑块负载，M为电机驱动力矩。
　　由公式（9）可知，若曲柄为匀速转动，在α∈（30°，150°）区间，当α=90°（中间位置）时，M存在最大值。按滑块负载F=50N，可计算出电机驱动力矩为1.73N·m，小于额定力矩5N·m，满足要求。
　　此外，当α=30°和150°时，即滑块分别在最小位置和最大位置时，还需校核滑块的负载最大不允许超过400N。按电机驱动力矩=5N·m，根据公式（9）可计算得到：
　　当α=30°时，滑块负载F=296.5N<400N，满足要求;
　　当α=150°时，滑块负载F=281.9N<400N，满足要求。
　　校核结论：手动控制杆的设计可以满足电机和应急拉杆的受力要求。
　　3 结构设计
　　根据理论计算，当曲柄长度为a=34.6mm、连杆长度为b=600mm、偏心距为e=26mm，可实现曲柄转角α为30～150°时，滑块的行程为-30～+30mm之间连续变化，结构设计见图5所示。
　　图5所示的曲柄滑块结构主要由电机、曲柄、关节轴承、螺栓、连杆、滑块、滑轨等组成。
　　4 试验验证
　　通过此方案设计加工一套手动控制杆，以车台某型涡轴发动机的试验为例，验证手动控制杆的能否满足发动机试验要求。
　　试验程序如下：
　　（1）用自动模式起动发动机至慢车状态。
　　（2）将手动控制杆退出“中间位置”，并向“最大位置”方向移动，增加燃油流量直至最大状态。
　　（3）将手动控制杆向“最小位置”方向移动至“中间位置”，切换至自动模式。
　　试验过程中发动机主要性能参数变化情况见图6所示。
　　图6中纵坐标ngcr表示相对换算转速。从中可知，本文设计的手动控制杆可以实现发动机工作状态的改变，满足试验要求。
　　5 小结
　　本文根据某型涡轴发动机试验要求，结合发动机中心高和手动控制杆实際安装位置，运用曲柄滑块机构原理，对手动控制杆进行了合理设计。经过试验验证，所设计的手动控制杆能够满足发动机试验要求。
　　参考文献
　　[1]张绍基.航空发动机燃油与控制系统的研究与展望[J].航空发动机，2003，29.
　　[2]李家云，陈华.直升机发动机数字控制系统简述[J].直升机技术，2002，3.
　　[3]耿其东，方志国.偏置式曲柄滑块机构仿真与运动分析[J].机械工程与自动化，2011，6.
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