一种轴向力测量方法与流程

1.本发明涉及航空发动机轴向力测量技术，适用于通用型号航空发动机轴向力的测量试验。


背景技术：

2.发动机测量试验中通常需要根据压力平衡的要求进行轴向力测量试验。通过实测发动机转子在各种状态下的轴向力大小及方向，以验证发动机转子轴向力在规定的范围内且未改变方向，为相关轴承的可靠应用，轴承支座零件强度分析和发动机的安全运行提供依据。
3.现有技术有相关文献公开关于轴向力测量技术，如公开号为cn107202663a公开了一种转子轴向力测量装置及测量方法，用于对安装于带轴承外圈的弹性支承上的转子进行轴向力测量，弹性支承包括安装边及与安装边相对的自由端，自由端设有轴承外圈，安装边与自由端之间部分镂空形成沿周向间隔分布的多个弹条，该测量装置包括沿弹性支承的中心轴对称布置于弹条上的多个应变片，多个应变片串联后经信号线引出并连接至应变监测仪，应变监测仪用于根据多个应变片检测的应变输出值得到设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。
4.但是上述现有专利文献中，只适用于测量带轴承外圈的弹性支承上转子轴向力，并不适用于航空发动机其他部位(如压气机转子轴向力、涡轮转子轴向力)的轴向力测量，适用范围较小，无法适用于通用型号航空发动机轴向力的测量试验。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提出一种轴向力测量方法，适用于通用型号航空发动机轴向力的测量试验，旨在解决上述技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提出一种轴向力测量方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：制作轴向力传感器：在应力环的两端面分别设置n个凸台形成梁结构，两端面的凸台交错布置，并安装应变计用于检测变形量，得到轴向力传感器；
8.步骤s2：校准轴向力传感器：轴向力传感器在安装至发动机进行试验前对其进行力学校准，以得出轴向力传感器所受加载力与应力环应变之间的关系；
9.步骤s3：轴向力测试试验：根据测量处轴向力的方向安装所述轴向力传感器，并搭建测量系统进行测试；
10.步骤s4：测量及数据分析：根据轴向力测试数据，对数据进行处理分析。
11.优选的，在步骤s1中，对应力环的强度进行校核，要求应力环在最大受力下变形量不大于0.2mm，对应力环进行几何模型构建并进行有限元计算，检测应力环是否满足强度要求。
12.优选的，在步骤s1中，应变计选择自带温度补偿的应变计，应变计的引线采用具有柔性的引线。
13.优选的，在步骤s1中，所述应变计采用采用直流全桥结构，在紧靠每个凸台在正面的轴向投影的两侧靠根部处粘贴应变片并采用直流全桥电路进行连接。
14.优选的，在步骤s1中，一个应力环上粘贴两组全桥线路，即应力环半圆周上组成一个全桥。
15.优选的，在步骤s2中，对轴向力传感器进行校准方法为：对轴向力传感器施加轴向载荷，利用应变计拾取机械变形量并将其转换成电阻的变化量，数据采集系统测量应变计的电阻变化量，得到某一个加载力下测力环的应变大小；记录不同的加载力对应不同的应变值数据，用最小二乘法拟合出加载力和测力环应变之间的函数关系。
16.优选的，在步骤s2中，在对轴向力传感器进行校准时，需对应力环进行温度修正，温度修正方法为：间隔合适时间，将烘箱温度从室温升至工作最高温度，往复两次，记录相应温度下的数值，对比实测数据进行修正和误差分析。
17.优选的，在步骤s4中，根据测量处轴向力的方向安装所述轴向力传感器，具体为：
18.当压气机转子轴向力向前，轴向力传感器安装在轴承外环前；
19.当涡轮转子轴向力后，轴向力传感器安装在轴承外环后；
20.当轴向力方向未知，或者发动机因排故需要同时测量转子向前、向后的轴向力时，则在轴承外环前后各安装一个轴向力传感器。
21.优选的，在步骤s4中，测量系统搭建时，轴向力传感器通过专用屏蔽测试电缆接到数据采集系统上，同时接入转速信号，用于表明轴向力数据与转速的关系；当发动机处于水平状态时，调节数据采集系统，使测量桥路平衡，令测试系统处于待测试状态；在测试时，连续采集、记录并实时显示轴向力大小、转速和温度，同时记录对应状态改变时相应的时间。
22.优选的，在步骤s5中，对数据进行分析处理包括绘制成轴向力幅值—时间曲线、转速—时间曲线。
23.由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
24.(1)本发明所提供的轴向力测量方法，通过在轴承外环前面或后面安装一个贴有应变片桥路并带多个轴向凸台的轴向力传感器，可实时测量转子向前或向后的轴向力。利用轴向力传感器，可用于航空发动机压气机转子、涡轮转子等部位轴向力测量，适用范围较广，适用于通用型号航空发动机轴向力的测量试验。
25.(2)本发明中，通过利用在应力环的两端面分别设置n个凸台形成梁结构，两端面的凸台交错布置，并安装应变计用于检测变形量，得到轴向力传感器，通过标准校准获得应变与力的关系，再通过应变数据采集分析从而实现了轴向力测量方法，测量方法简单，有利于简化试验操作。
26.(3)在本发明中，对应力环进行几何模型构建并进行有限元计算，进行强度校核，保证了在最大轴向力下传感器的安全可靠，提高了测量的精准度。
27.(4)在本发明中，应变计在应力环上粘贴采用全桥线路连接，提高了测量的灵敏度，同时应变计在应力环上粘贴采用组成两路全桥线路，提高了测量的容错率。
28.(5)在本发明中，对轴向力传感器进行温度校准，分析温度对测量的影响，提高测量的精确度。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1为轴向力测量方法流程图；
31.图2为应力环几何模型；
32.图3为应力环结构图，应力环为轴向两边交错各带n个周向均布凸台的弹性环结构；
33.图4为传感器测量电路，采用直流全桥线路；
34.图5为传感器力学校准方式，设计标定工装夹具用于固定支承传感器，施加轴向载荷f对其进行力学校准；
35.图6为力学校准框图，标准测力机施加轴向载荷至应力环上，环上应变计感受变形量，接入数采系统可得对应的应变值；
36.图7为轴向力测量系统框图，数采系统同时接入轴向力信号和转速信号，在计算机上进行分析处理；
37.图8为某型发动机转子轴向力、转速-时间曲线图，可看出轴向力随转速的变化而变化。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.结合图1至图3所示，一种轴向力测量方法，包括以下步骤：
40.步骤s1：制作轴向力传感器：在应力环的两端面分别设置n个凸台形成梁结构，当受到力时，结构梁的环臂会产生变形，且与力成正比，两端面的凸台交错布置，并安装应变计用于检测变形量，得到轴向力传感器；
41.步骤s2：校准轴向力传感器：轴向力传感器在安装至发动机进行试验前对其进行力学校准，以得出轴向力传感器所受加载力与应力环应变之间的关系；
42.步骤s3：轴向力测试试验：根据测量处轴向力的方向安装所述轴向力传感器，并搭建测量系统进行测试；
43.步骤s4：测量及数据分析：根据轴向力测试数据，对数据进行处理分析。
44.在步骤s1中，需要对应力环的强度进行校核，要求应力环在最大受力下变形量不大于0.2mm，需对应力环进行几何模型构建并进行有限元计算，检测应力环是否满足强度要求，为可靠测量提供保障。在发动机工作的过程中，由于惯性力振动和摩擦力等的作用，应力环与轴承座会产生相互错动，由此设计时结合轴承座结构设计定位销止动及防装错(图中未示出)。
45.在本实施例中，在步骤s1中，应变计根据应力环工作环境温度和测量要求进行选
择自带温度补偿的应变计，选用的应变计应高于应力环工作温度，其敏感栅材料和应力环材料为温度自补偿，选用的应变胶应与应力环的工作温度匹配，选用引线应具有较高的柔性，可弯曲。应变计的粘贴和固化、应变胶的使用均按照其工艺规程进行。
46.结合图4所示，在步骤s1中，应力环的受力分析结果表明，每个凸台在正面的轴向投影的两侧靠根部处变形最大，即表面应变量最大。因此，在紧靠这两处沿周向粘贴应变片，能获得最大应变信号。为提高灵敏度，选用直流全桥电路来进行粘贴。同时为提高轴向力测量的容错率，在一个应力环上粘贴两组全桥线路，即应力环半圆周上组成一个全桥。
47.结合图5、图6所示，在步骤s2中，轴向力传感器在安装至发动机进行试验前需对其进行力学校准，以得出轴向力传感器所受加载力与应力环应变之间的关系，具体为：对轴向力传感器施加轴向载荷，利用应变计拾取机械变形量并将其转换成电阻的变化量，数据采集系统测量应变计的电阻变化量，得到某一个加载力下测力环的应变大小；记录不同的加载力对应不同的应变值数据，用最小二乘法拟合出加载力和测力环应变之间的函数关系。
48.进一步地，在步骤s2中，在对轴向力传感器进行校准时，需对应力环进行温度修正，温度修正方法为：间隔合适时间，将烘箱温度从室温升至工作最高温度，往复两次，记录相应温度下的数值，对比实测数据进行修正和误差分析。
49.在本实施例中，在步骤s4中，根据测量处轴向力的方向安装所述轴向力传感器，具体为：
50.当压气机转子轴向力向前，轴向力传感器安装在轴承外环前；
51.当涡轮转子轴向力后，轴向力传感器安装在轴承外环后；
52.当轴向力方向未知，或者发动机因排故需要同时测量转子向前、向后的轴向力时，则在轴承外环前后各安装一个轴向力传感器。
53.轴向力传感器安装不能损伤引线，轴向力传感器与试验件之间的间隙应符合传感器安装工艺要求，安装完成后检查每组全桥电阻值及绝缘。
54.结合图7所示，在步骤s4中，搭建系统完成后需对测量系统进行检查，测量系统搭建时，轴向力传感器通过专用屏蔽测试电缆接到数据采集系统上，同时接入转速信号，用于表明轴向力数据与转速的关系；当发动机处于水平状态时，调节数据采集系统，使测量桥路平衡，令测试系统处于待测试状态；在测试时，连续采集、记录并实时显示轴向力大小、转速和温度，同时，为便于回访时进行观测，记录对应状态改变时相应的时间。
55.在本实施例中，在步骤s5中，对数据进行分析处理包括绘制成轴向力幅值—时间曲线、转速—时间曲线。
56.本发明所提供的轴向力测量方法是根据轴承尺寸设计应力环并满足强度要求，在加工好的应力环上粘贴应变片组成测量桥路，形成轴向力传感器。然后对轴向力传感器进行“力-应变”关系的力学校准，再将传感器安装在发动机支点轴承外环与轴承座之间以测量转子轴向力。结合图8所示为某型发动机转子轴向力、转速-时间曲线图，可看出轴向力随转速的变化而变化。可以看出，轴向力数值保持正值，即轴向力方向一直向前，并且大小随发动机转速增大而增大，减小而减小。当发动机转速保持稳定时，轴向力测试曲线为一条平直线，随发动机转速呈现阶梯状变化。在发动机停车后，轴向力也跟随归零，可见轴向力传感器安装情况良好，与轴承座之间并无卡滞现象，轴向力测试结果真实、可靠。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本
发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。