几种摇臂与联动环连接结构对比分析

杨勇刚，张力

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

几种摇臂与联动环连接结构对比分析

杨勇刚，张力

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

杨勇刚（1987），男，硕士，从事航空发动机压气机结构以及相关技术的设计工作。

基于机构学的相关理论，应用虚拟样机技术对几种可调静子叶片调节机构系统中的摇臂与联动环的连接结构进行运动学和动力学的仿真分析；并以运动学和动力学仿真分析结果为依据，综合考虑多方面因素，对比分析了几种结构的特点。分析结果可为摇臂与联动环连接结构的选择提供参考和建议。

静子叶片调节机构；运动学；动力学；仿真分析；航空发动机

0 引言

压气机作为航空发动机的1个重要组成部分，对其技术性能的要求也在不断提高。发动机在非设计点工作时，压气机各级之间会因流量不匹配等原因，引起发动机气流的不稳定流动，造成喘振或颤振等不良现象，甚至还可能引发发动机严重损坏。为此，需要采取一定的技术措施不断改进设计。在工程应用中，一般采用可调的进口导流叶片和可调的静子叶片来调节发动机的流量和攻角等，以扩大稳定裕度，改善发动机的整体效率。

本文针对压气机有关结构的设计，运用机构学的基本理论，以虚拟机为技术手段，研究和分析几种不同的摇臂与联动环连接结构。

1 虚拟样机的建立

本文主要利用虚拟机技术分析和研究几种摇臂与联动环连接结构的特点，主要运用软件ADAMS分析软件，因为ADAMS软件的3维实体建模的能力较弱，不能满足研究需求，所以本文利用UG软件进行系统的3维实体建模，然后把建立好的UG的3维实体模型导入到ADAMS软件里进行运动学和动力学的仿真分析。

仿真分析的具体过程为模型的导出和导入2部分。导出操作为file export Parasolid，导出格式选择. xmt-txt文件类型；导入操作为file Import Parasolid，导入选择xm t-txt格式。

把UG模型导入到ADAMS软件后，模型中的各个部件只是相对独立地在各自的初始位置，并不能进行模拟分析。在ADAMS中，首先要为模型的各个部件添加各种约束，并将各自独立的部件有效地整合成1个相互关联的整体，这就是本文可以进行模拟分析的虚拟样机模型。

ADAMS/View提供了3种类型的约束，即运动副约束，例如转动副和移动副，基本约束，例如点面约束，运动约束，例如转动驱动。在本文模型中，主要应用运动副约束中的转动副、圆柱副、球铰副、固定副以及运动约束中的转动驱动。一般在虚拟样机的建立过程中除了要给模型添加各种约束以外，还要为各个部件添加合适的力。但本文没有考虑外部作用力的作用。

2 模型分析

在静子叶片调节机构系统里，摇臂与联动环为空间运动连接。在静子叶片调节机构工作过程中，摇臂以静子叶片的转动轴为轴转动，联动环的运动是以发动机轴线为轴的转动运动和沿着发动机轴线方向的平动的复合运动。通常情况下，静子叶片的转动轴线与发动机轴线垂直，所以在静子叶片调节系统工作过程中，摇臂与联动环的连接点和摇臂与静子叶片转动轴线的连接点之间的连线，除了有在摇臂转动平面上的转动运动分量外，还有垂直于摇臂转动平面的一定位移分量，摇臂与联动环的连接点处联动环的法线方向也有转动分量。所以在实际工作中，摇臂与联动环的连接结构必须满足以上3点运动分量的要求。摇臂绕可调静子叶片转动轴的转动提供了在摇臂转动平面上的转动分量，其他2个运动分量不同的连接结构的解决方法也不尽相同。

摇臂与联动环的连接方式直接影响摇臂设计的选择，通过对几种连接机构进行对比分析，来研究不同的摇臂与联动环连接结构对调节结构设计的影响。

摇臂与联动环直接固定连接如图1所示。由于摇臂与联动环固定连接在一起，所以在工作过程中，需要摇臂产生一定的变形来满足摇臂与联动环之间的运动要求。为了方便描述，以模型A表示摇臂与联动环的固定连接模型。

图1 固定连接

图2 带销钉的连接

摇臂与联动环的连接结构为带销钉的连接结构如图2所示。从图中可见，销钉可以沿着联动环的法线方向运动，这样可为摇臂与联动环的连接提供垂直于摇臂转动平面的运动分量，而连接I处的联动环法线的转动分量要由摇臂的扭转变形提供。为了方便描述，定义带销钉的摇臂与联动的连接结构模型为模型B。

带销钉和关节轴承结构的摇臂与联动环连接结构Ⅰ（关节轴承在摇臂上）如图3所示。结构中销钉的功能同模型B中相同，销钉始终沿着联动环法线方向运动。关节轴承为系统运动提供了所需的摇臂与联动环连接点处联动环法线的转动分量。对此，定义本结构模型为模型C。

带销钉和关节轴承的摇臂与联动环连接结构Ⅱ（关节轴承在联动环上）如图4所示。其模型特点和模型C基本相同。不同点是：关节轴承在联动环上，销钉与摇臂相对静止，而与I点处联动环法线有一定的相对转动运动。定义本结构模型为模型D。

图3 带销钉和关节轴承的连接Ⅰ

图4 带销钉和关节轴承的连接Ⅱ

3 运动学对比分析

为了方便对不同结构进行对比分析，本文以1个基础模型为模板，通过在ADAMS软件中添加不同的运动约束和零部件以达到对比分析的4个模型的建模要求。

通过模型导入步骤，导入ADAMS软件中的基础模型，如图5所示。

图5 基础模型

在模型中，联动环的运动为1个以发动机轴线为轴线的转动运动和1个沿着发动机轴线方向平动运动的合成，所以在联动环添加的约束为圆柱副约束；可调静子叶片的运动方式为1个绕着其自身转轴的转动运动，在叶片上添加的约束为转动副约束；摇臂在运动过程中随可调静子叶片运动，摇臂与静子叶片之间的约束为固定副约束。

销钉是连接摇臂与联动环的1个中间件，在不同的模型中销钉的约束也不同，在模型A中，摇臂与联动环的连接为通过固定约束直接连接，没有销钉这个中间件；在模型B中，摇臂与销钉通过固定副约束连接，销钉与联动环通过圆柱副约束连接；在模型C中，销钉与摇臂通过球铰副约束连接，联动环与销钉则通过移动副约束连接；在模型D中，销钉与摇臂之间为移动副约束，联动环与销钉之间为球铰副约束连接。摇臂与联动环之间连接方式的不同是4个模型的主要区别。通过对各个模型的运动约束的添加形成了仿真分析需要的虚拟样机模型，如图6所示。

图6 各模型的虚拟样机

在4个模型中，由于模型A和B中的摇臂需要变形以提供所需的运动分量，所以摇臂需要做弹性处理。是通过ADAMS软件自身携带的Auto Flex对摇臂进行置换处理完成。除了这2个模型的摇臂外，其他的零部件均按刚性件处理。

分别对各模型建立的虚拟样机进行仿真分析。在联动环的运动约束上添加相同的运动驱动，在相同的时间内，对以上各模型中可调静子叶片转过的角度，即摇臂转过的角度进行对比，如图7所示。

由于各模型在仿真时联动环的速度保持相同，同时也就保证了在相同的时间里，联动环的转过角度相同，所以可以用时间代替联动环的角度作为叶片运动的参考量。从以上图中可见，各模型的角速度变换规律近似，数值大小接近。在同一时间内，各模型的可调静子叶片转过的角度相近，但是各有不同。造成各模型的叶片转角不同的原因如图8所示。

图7 叶片角度与联动环角度关系

由于模型B和C的销钉始终沿着联动环的法线方向运动，而模型D中的销钉在运动过程中垂直于摇臂的转动平面，这就使得在联动环转过同样的角度β时（图8），2种不同连接的销钉模型之间摇臂转过的角度α会有1个差值Δ。另外，模型A和B中的摇臂采用的弹性件，在运动过程中有一定的弹性变形，叶片的转角相对于刚性体会有少量的减小。以上2个因素使4种模型在联动环转过角度相同的情况下，摇臂转过的角度之间有所差异。

图8 连接结构分析

4 动力学对比分析

在机构学中，其动力学研究分为正向动力学和逆向动力学2个方面。以运动分析结果为基础研究不同摇臂和联动环连接结构模型的受力问题，为已知构件的运动情况分析各个构件受力的逆向动力学问题。

下面以联动环上受到的阻力矩的情况来分析不同的摇臂和联动环连接产生的结构阻力的差异，如图9所示。这里不考虑静子叶片上受到的气动力和气动力矩。经过仿真分析得到各模型的阻力矩情况。

图9 联动环角度与阻力矩关系

从以上各模型的仿真结果可知：在工作过程中，摇臂在零度角处联动环处的阻力矩最小，随着摇臂角度的增加，阻力矩增大。在同样的工作条件下，不同的摇臂和联动环连接结构模型中，联动环上受到的阻力矩也不同，阻力矩的大小顺序为模型A＞模型B＞模型C＞模型D。

在仿真结束时，模型A的阻力矩比模型B大200余倍，模型C和D中的阻力矩几乎为零。这说明，在结构阻力上带球头轴承的连接结构的阻力性能优越，需要摇臂变形提供一定运动分量的连接结构阻力大，其中固定连接的结构阻力最大。

5 结论

在摇臂和联动环连接结构设计中，不仅要综合考虑机构学的3个组成部分，还要考虑零部件的加工、装配、维修等工程性能。分析上述因素可知，在静子叶片排列较密集时，可以选用模型B作为摇臂和联动环连接的结构；在静子叶片排列较为稀疏时，视情选择模型C和D作为摇臂和联动环的连接结构。综上所述，对静子叶片调节机构的设计提出如下建议：

（1）摇臂设计首先要考虑在作动机构的行程内，叶片的调节角度达到要求。

（2）在同等条件下，带关节轴承的连接结构比有弹性摇臂的连接结构阻力小。在摇臂设计时不仅要考虑机构学的相关问题，还要综合考虑加工制造等工程问题。

（3）本文没有考虑在发动机工作过程中的气动阻力，下一步需要考虑在外加气动力的作用下，刚性摇臂和弹性摇臂的工作情况等。

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Contrast Analysis of SeveralRoker and Drive Ring Connecting Structure

YANG Yong-gang，ZHANG Li
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The roker and drive ring connecting structure in kinematics and dynamics were simulated for the variable stators vanes system using the related virtual electronical prototyping technology based onmechanism relevance theory.The contrastanalysisof several structures characteristicswere performed based on the results of the analysis and other comprehensive factors.The results can provid some suggestion for the design choices.

variable statorsvanessystem;kinematics;dynamics;simulation analysis;aeroengine

2011-12-19