航空发动机附件机匣壳体变形分析

2013-07-10李锦花史妍妍张茂强刘洋侯明曦

航空发动机 2013年3期

关键词：齿轮轴机匣附件

李锦花，史妍妍，张茂强，刘洋，侯明曦

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

航空发动机附件机匣壳体变形分析

李锦花，史妍妍，张茂强，刘洋，侯明曦

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

研究工作状态下附件机匣的壳体变形，对于提高航空发动机的安全性、可靠性具有重要意义。结合使用MASTA软件和ANSYS软件，综合考虑齿轮、轴、轴承和壳体等零部件的变形及其在传动过程中的相互影响，得到真实的轴承载荷和壳体变形结果，并提出通过计算齿轮轴平行度的方法对壳体变形量进行评估的方法。此外，采用杠杆砝码加载，模拟实际工作中扭矩传递的壳体变形试验方法。将试验值与计算值进行对比分析可知，二者虽然存在一定误差，但量级基本一致，该方法可作为机匣壳体变形试验的1种探索性测量方法。

附件机匣；轴承载荷；壳体变形；平行度；变形试验

0 引言

附件机匣是用于航空发动机动力传输的齿轮箱式传动装置，其内部有多对齿轮啮合传动机构，将动力传输给多个发动机附件[1]。壳体材料通常采用密度较小的铸造镁合金或铸造铝合金以减轻附件机匣质量，同时利用变壁厚壳体和合理的加强筋分布结构提高壳体刚度及其承载能力[2-3]。受到轴承载荷和传动附件安装弯矩的影响，壳体在工作状态下不可避免地存在一定程度的弹性变形，而过大的弹性变形将影响齿轮传动精度，降低齿轮接触强度及缩短其疲劳寿命，造成机匣异常磨损。随着航空发动机推重比的提高，附件机匣进一步向高速、重载、轻质量方向发展。因此，研究在工作状态下附件机匣壳体变形，对于航空发动机工作的安全性、可靠性具有重要的意义。

本文基于在工作状态下轴承载荷的计算，进行了壳体变形量计算及对传动精度的影响分析，并研究1种机匣壳体变形的试验测量方法。

1 轴承载荷计算

壳体对附件机匣内的传动部件起到支撑、定位作用，工作中要承受各种载荷而发生变形。齿轮间的啮合关系、传递误差、以及相互作用的变形等诸多因素都将影响齿轮啮合产生的沿轴承径向和轴向的载荷。因此，进行机匣壳体变形分析，首先要准确计算轴承载荷[4]。

1.1轴承载荷计算理论

通过分析附件机匣内各齿轮轴承受的载荷及载荷在两端支撑轴承间的分配，计算壳体在各轴承安装孔位置承受的载荷。首先对各齿轮进行受力计算，该结构中存在2种齿轮形式：弧齿锥齿轮和圆柱齿轮。在绝对理想条件下,即：无任何制造、装配误差；无轴承间隙；所有零部件为刚体；传动系统中2根轴应是彼此平行的，对应2齿轮中心线之间也绝对平行。则弧齿锥齿轮啮合产生3个方向的力：切向力Ft1、径向力Fr和轴向力F x，分别如式（2）～（4）所示；而圆柱齿轮啮合只产生2个方向的力：切向力Ft2和法向力Fn，分别如式（5），（6）所示[5]。

式中：P为齿轮传动功率；T1、T2分别为锥齿轮和圆柱齿轮扭矩；d1、d2分别为分度圆直径；α、α'分别为锥齿轮和圆柱齿轮压力角；β为锥齿轮螺旋角；δ为锥齿轮分度圆锥角。

根据齿轮受力结果，进行齿轮轴两端轴承受力分析，得到轴承载荷，如图1所示。

图1 轴承载荷

1.2轴承载荷计算结果

由于加工和装配存在误差，以及在载荷作用下轴、轴承、箱体等零部件的变形，将影响工作状态下2根轴的平行关系。2轴之间存在的平行度误差和齿轮的齿向公差，使齿轮啮合时产生了轴向力，同时改变了齿轮上径向力和切向力大小。采用Masta软件进行轴承载荷计算，考虑壳体和齿轮轴实际刚度的影响，通过ansys软件提取壳体和齿轮轴的刚度矩阵[6]，与Masta软件基本模型关联，建立完整模型，如图2所示。图中序号为齿轮轴的编号，与表1～4中的相对应。

图2 基于系统分析的轴承载荷计算模型

合理设置边界条件，准确定义齿轮轴转速、转向和负载情况。通过计算求解，考虑齿轮间的啮合关系、传递误差、以及相互作用的变形等因素得到各轴承工作载荷，部分轴承载荷见表1。

表1 轴承载荷N

2 壳体变形分析

2.1有限元计算

由于机匣结构的复杂性，其变形计算主要采用有限元方法，本文分析的附件机匣壳体由前中后3个壳体通过螺栓连接组成，壳体上一些细小的特征对结构的变形分析影响较小，如螺栓孔、过渡圆角、倒角、油路孔、喷嘴等，在保证分析可靠性的前提下将这些微小特征删除，目的是在尽可能反映壳体基本特性的前提下简化模型[7-8]。

在工作时，该机匣通过2个吊耳和1个止口固定在发动机上，为使计算结果准确，需正确施加边界约束[9]。在止口处施加全约束，在2个吊耳处施加垂向和轴向约束。在各轴承中心孔施加轴承载荷，并将该点与轴承孔节点建立刚性连接，约束的有限元模型如图3所示。通过有限元求解，得到机匣变形情况如图4所示，最大变形量为0.1mm。

图3 机匣有限元模型

图4 总位移

2.2变形量评估

机匣壳体变形量大影响安装在其上的轴承，壳体轴承孔偏斜，会使轴承内、外圈错位，从而使轴承内部滚动体不再按理想状态运转，缩短轴承实际使用寿命，错位过大甚至导致轴承早期失效；机匣壳体变形量大，还会使轴承发生偏移，导致齿轮轴偏斜，齿轮轴平行度误差大，齿轮发生错位。错位量大小对齿轮承载能力、传动时的振动和噪声都有直接影响。

因此，首先利用3坐标测量仪器测得壳体上各衬套孔位置度数值，考虑热态变形影响[10]以进行准确分析；再通过机匣变形计算，提取各轴承中心孔位置的位移变化量，见表2。对各齿轮轴的偏斜角和平行度进行计算，进而对机匣变形情况进行评估。1种工况下机匣变形引起部分齿轮轴偏斜量的计算结果见表3。国外某型发动机对齿轮轴的平行度要求为Φ= 0.03mm/100mm，从计算结果看，5齿轮轴的平行度相当于Φ=0.053mm/100mm。可见，机匣壳体的变形影响了齿轮轴位置精度，该机匣局部变形较大。

表2 壳体衬套孔位置的位移变化量mm

表3 机匣变形引起齿轮轴偏斜量计算

3 壳体变形试验

机匣上固定各型附件，并在工作中为附件传送动力，在各附件安装座处承受各附件的传递扭矩和各附件自重产生的弯矩作用。经计算分析，附件自重产生的弯矩对机匣的变形影响很小。因此，在机匣静态变形试验中仅在各附件安装位置施加工作扭矩，而忽略附件弯矩的影响。

试验方法及步骤：

（1）将附件机匣按照发动机实际装配状态固定到试验台上；

（2）在壳体轴承孔位置安装千分表，在试验前将表调零，并记录初始值；

（3）试验时，在附件机匣各安装座处采用杠杆砝码加载，加载量为额定扭矩值；

（4）加载后保持30 s，读表记录值；

（5）卸去各安装座处载荷，保持30 s，读表记录值。

试验测量结果为壳体衬套孔上受力位置点的径向位移，同时提取相同位置点的位移计算结果，径向变大为正，试验结果与计算结果对比见表4。由于受千分表数量的限制，仅对变形较大位置点进行测量。结果显示，中壳体的试验值与计算值相差较大，而前壳体的差别不大。经分析认为：中壳体是机匣的主壳体，5、6轴侧壳体的轴向尺寸较大，且壳体是薄壁结构，又无加强筋，因此在工作中变形较大，前壳体轴向尺寸变形相对较小；而有限元建模是将前、中、后壳体建成一体结构，这对变形量较大的中壳体影响相对较大。但计算结果和试验结果数量级基本一致，可以判定该测量方法基本合理。

表4 试验值与计算值对比mm

4 结束语

计算时综合考虑齿轮、轴、轴承和壳体等零部件的变形及其在传动过程中的相互影响，与工程实际更接近，分析更准确。

针对壳体变形结果，从影响齿轮轴平行度角度分析，可以对壳体变形进行量化评价，为壳体的结构优化提供计算依据。

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Analysis of Accessory Gearbox Housing Distortion for Aeroengine

LIJin-hua,SHIYan-yan,ZHANG Mao-qiang,Liu Yang,HOU M ing-xi
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The housing distortion research of accessory gearbox used in the operation is significant to the security and reliability of aeroengine.Based on MASTA and ANSYS software,the results of bearing loading and housing distortion were obtained by integrating with the interrelationship of the gear,shaft,bearing and housing deflection.An evaluating method of housing distortion was proposed by the parallelism calculation ofgear shafts.An experimentalmethod of housing distortion for torque transferwas simulated by the lever and poise loading in the operation.The test datawere compared with the calculating results show that themeasurementmethod of housing distortion experimentwasstudied.

accessory gearbox;bearing loading;housing distortion;parallelism;distortion experiment