航空发动机多叶片联动可控调节卡滞模拟试验装置

本发明涉及航空发动机试验装置，尤其涉及一种航空发动机多叶片联动可控调节卡滞模拟试验装置。

背景技术：

1、现代航空发动机压气机通常采用可调静子叶片结构，通过改变静子叶片安装角来调节级间气流流向，提高压气机稳定工作能力，用于压气机进口流量、转速以及气流攻角适应起飞、爬升、巡航、加速和减速等不同工况需求。可调静子叶片调节机构通常包括作动筒、联动环、摇臂、叶片轴颈、衬套、机匣及相关连接结构。其工作过程一般为：作动筒输出直线位移，带动联动环沿机匣圆周方向运动，联动环再通过多个摇臂带动对应叶片轴颈同步转动，从而实现整级静子叶片安装角的统一调节。该类机构具有结构紧凑、传动链较长、运动副较多和同步精度要求高等特点。在实际工作过程中，叶片调节机构不仅需要克服自身运动阻力，还会受到气动力、摩擦力、装配误差、间隙变化和磨损等因素影响，容易出现驱动力增大、运动卡滞、叶片角度调节误差增大以及多叶片同步性下降、衬套磨损等问题。为了开展叶片调节结构的试验，传统装置如专利cn209483698u虽然通过固定导向轴、长形孔和轴套对联动环进行支撑，使联动环径向运动受到约束，同时允许其沿周向运动，但其重点在于真实调节机构中联动环的支撑与导向，对于试验条件下多叶片联动调节、加载状态模拟、驱动力测量和轴颈扭矩测量之间的协同测试考虑不足。专利cn109505668b虽然通过原动件、联动轴、多级连杆组件和多级联动环组件实现不同级静子叶片的调节，但该方案侧重于多级静叶调节机构本身的传动协调，并未实现可调节和可测试，不能满足试验的模拟需求。专利cn116429402a虽然通过柔性摇臂、滑轮小车和曲面滑轨模拟真实摇臂销轴的空间运动轨迹，能够实现多项试验检测功能，但其结构重点在于通过复杂导轨机构模拟空间运动，对于联动环整体径向加载、单叶片轴颈可调压紧加载以及加载叶片轴颈动态扭矩测量之间的组合测试结构仍缺乏针对性设计。目前上述试验机均存在以下问题：第一，无法复现多叶片联动条件下的结构性卡滞。试验机的设计皆针对单一叶片轴角度调节，忽略多叶片联动的相互作用，无法复现多叶片平行四边形的四连杆结构运动，也无法模拟由于摇臂加工、变形等原因导致参与联动的摇臂长度不一致的卡滞问题；第二，无法实现叶片轴颈摩擦阻力的可调控制。在真实发动机中，叶片轴颈轴承的摩擦状态会发生改变，而现存试验机中叶片轴颈所受的摩擦力无法控制，进而无法实现轴承摩擦力状态变化导致的卡滞问题；第三，无法测量叶片轴颈在复杂工况下的摩擦扭矩。现有装置缺乏在叶片转动过程中对单个叶片轴颈扭矩进行动态实时测量的手段，无法同步获取对应轴颈的扭矩数据，也无法建立多叶片轴颈扭矩间关联关系。急需一种能够实现多叶片联动多摇臂间的运动协调关系模拟、叶片轴颈摩擦力可以调节、可以测量的装置，建立复杂运动关系及轴颈摩擦、角度等间的关联关系，揭示航空发动机叶片调节机构卡滞、摩擦的机理。

技术实现思路

1、本发明旨在上述不足，通过多叶片联动传动与可变摇臂结构来模拟因摇臂长度差异引发的结构性卡滞，解决单叶片轴颈而无法复现多叶片四连杆联动结构性卡滞的问题；通过设置了联动环径向加载系统和叶片轴颈摩擦力可控调整系统，实现叶片轴颈摩擦阻力的可控调节，实现叶片轴颈压力性卡滞的模拟；本发明通过在叶片轴颈串联编码器和动态扭矩传感器实现驱动力、轴颈扭矩与叶片转角的同步采集，解决了轴颈摩擦扭矩无法实时可测的问题。本发明能够实现多叶片联动、叶片轴颈摩擦力可以调节、可以测量的装置，无法模拟多摇臂间的运动协调关系、轴颈扭矩可控调整，同时也无法测试输入移动位移和力、轴颈转动角度和摩擦扭矩，由此具备结构性卡滞与压力性卡滞的模拟能力，以及叶片轴颈扭矩和角度同步测量能力，为航空发动机叶片调节机构的结构优化和性能验证提供试验基础。

2、本发明的技术方案如下：一种航空发动机多叶片联动可控调节卡滞模拟试验装置，包括支撑系统1、驱动系统2、多支路传动系统3、导向限位系统4、联动环径向加载系统5、叶片轴颈摩擦力可控调整系统6和叶片轴颈测量系统7；所述支撑系统1作为整机安装基础，用于安装并定位驱动系统2、多支路传动系统3、导向限位系统4、联动环径向加载系统5、叶片轴颈摩擦力可控调整系统6和叶片轴颈测量系统7；所述驱动系统2设置于支撑系统1一侧，用于向多支路传动系统3输入调节动力，并同步采集驱动力；所述多支路传动系统3设置于支撑系统1上，用于模拟航空发动机压气机可调静子叶片调节机构中联动环31带动多个叶片轴颈同步转动的传动过程；所述导向限位系统4设置于支撑系统1与多支路传动系统3之间，用于对联动环31的运动轨迹进行约束和限位；所述联动环径向加载系统5用于对联动环31施加载荷、叶片轴颈摩擦力可控调整系统6用于对加载叶片36轴颈施加载荷，以模拟不同受载条件下叶片调节机构的运动阻力变化；所述叶片轴颈测量系统7用于采集电推杆21位移、驱动力、叶片转角以及加载叶片36轴颈扭矩，从而形成集运动模拟、加载控制、多参数测量及故障卡滞模拟于一体的试验装置。

3、所述支撑系统1包括底座11、机匣弧段12、静子内环13、编码器安装支架14、电推杆安装座15、安装销轴16和衬套a17；所述底座11采用板状或框架式结构，作为整机装配基准，其上设置有用于安装机匣弧段12、静子内环13、电推杆安装座15及叶片轴颈测量系统7的安装孔；所述机匣弧段12固定设置于底座11上，用于模拟航空发动机局部外侧机匣结构，并为叶片轴颈、衬套a17、限位销41及联动环31导向结构提供安装位置；所述静子内环13设置于叶片轴颈内侧，用于模拟静子内侧支承结构，同时作为编码器安装支架14、编码器61和动态扭矩传感器62的固定基准；所述衬套a17安装于机匣弧段12和静子内环13对应的轴颈安装位置处，叶片轴颈穿过衬套a17安装，并能够绕自身轴线转动；通过底座11、机匣弧段12和静子内环13的固定连接，形成稳定支撑体系，保证叶片轴颈、联动环31和摇臂组件之间具有准确的相对位置。

4、所述驱动系统2包括电推杆21、衬套b22、力传感器23、关节轴承24、连接件25和连接销轴26；所述电推杆21倾斜设置于底座11上，其固定端211通过电推杆安装座15、安装销轴16以及套在安装销轴16上的衬套b22与底座11铰接，输出端212与力传感器23连接；所述力传感器23一端与电推杆输出端212连接，力传感器23另一端通过关节轴承24与联动环31上的驱动连接部位连接；电推杆21伸出或缩回时，输出力经力传感器23和关节轴承24传递至联动环31，使联动环31沿导向限位系统4限定的圆弧轨迹运动；所述力传感器23用于实时采集电推杆21输入至联动环31的实际驱动力；所述关节轴承24用于适应联动环31在圆弧运动过程中连接角度的变化，避免电推杆21和力传感器23承受过大的侧向力或附加弯矩，从而提高驱动力输入和测量的稳定性。

5、所述多支路传动系统3包括联动环传动装置和摇臂传动装置；所述联动环传动装置包括联动环31、联动环摇臂33和摇臂连接衬套34；所述联动环31设置于机匣弧段12外侧，并沿机匣弧段12的圆弧方向布置，联动环31侧边固定设置一个支柱与电推杆21铰接，且联动环31上设置有多个联动环摇臂连接位置；所述联动环摇臂33一端连接联动环31；所述摇臂连接衬套34设置于联动环摇臂33与联动环31的连接处，用于降低连接处的摩擦并提高摆动稳定性；

6、摇臂传动装置包括叶片摇臂32、正常调节叶片35和加载叶片36；各叶片摇臂连接位置分别对应一个叶片模拟单元，联动环摇臂33的另一端连接叶片摇臂32；所述叶片摇臂32与叶片轴颈通过花键连接，并通过锁紧螺母轴向固定；当联动环31在驱动系统2作用下沿预定圆弧轨迹运动时，联动环31带动各联动环摇臂33同步摆动，联动环摇臂33再带动对应叶片摇臂32转动，叶片摇臂32通过花键带动正常调节叶片35和加载叶片36的轴颈绕自身轴线转动，从而实现多个叶片角度的同步调节；其中，正常调节叶片35用于常规角度调节和同步性测量，加载叶片36用于在径向加载状态下参与同一联动调节过程，以便比较加载叶片36与正常调节叶片35的角度响应差异；通过更换不同长度的联动环摇臂33或叶片摇臂32，使各传动链的等效摇臂长度产生差异，从而模拟因摇臂长度不一引发的结构性卡滞。

7、所述导向限位系统4包括限位销41和弧形槽；所述限位销41固定设置于机匣弧段12上，所述弧形槽设置于联动环31上，并与限位销41滑动配合；联动环31运动时，弧形槽相对于固定的限位销41发生滑动，限位销41通过与弧形槽配合限制联动环31的径向偏移和轴向窜动，使联动环31只能沿预定圆弧轨迹运动；所述弧形槽的长度根据叶片所需转角范围和联动环31最大运动行程确定，弧形槽两端用于限制联动环31的极限运动位置，以避免联动环31超过设计调节范围；为提高运动平稳性，限位销41与弧形槽之间保留运动间隙，弧形槽两端设置圆角过渡，以减小联动环31运动至极限位置附近时的冲击和局部应力集中。

8、所述联动环径向加载系统5包括钢绳51、砝码52和竖直导向结构53；所述竖直导向结构53固定设置于底座11上，并位于联动环31上的加载耳环的下方位置，用于对砝码52的上下运动进行导向；所述钢绳51穿过联动环31中间顶部上的加载耳环连接，另一端穿过砝码52顶部耳环，钢绳两端通过卡扣连接锁定，使砝码52的重力能够通过钢绳51传递至联动环31；砝码52设置于竖直导向结构53内，并能够在竖直导向结构53的限制下沿竖直方向上下移动，以避免砝码52在加载过程中发生横向摆动；工作时，砝码52在自身重力作用下通过钢绳51向联动环31施加径向载荷，使联动环31与导向限位系统4之间的接触压力发生变化，进而改变联动环31运动过程中的摩擦阻力；更换不同质量的砝码52，即改变砝码52的重力大小调节砝码52对联动环31的拉力，进而调节联动环31所受径向载荷大小，从而模拟不同工况下联动环31径向受载对驱动力、运动平稳性和传动阻力的影响。此外，通过调节联动环径向加载装置对联动环施加不同径向载荷，可以模拟不同工况下叶片调节机构联动环与机匣间摩擦力而产生的压力性卡滞。

9、所述联动环径向加载系统5设置于联动环31与底座11之间，用于对联动环31施加可控径向载荷，以模拟联动环31在受载状态下与导向限位系统4之间接触压力和运动摩擦阻力的变化；所述单叶片径向加载系统5设置于加载叶片36对应的叶片模拟单元处，用于对加载叶片36轴颈施加可调径向压紧载荷，以模拟单个叶片局部受载或轴颈摩擦阻力增大的情况。通过联动环径向加载系统5和叶片轴颈摩擦力可控调整系统6的配合，可以分别模拟联动环31整体受载状态和单个叶片轴颈局部受载状态，从而便于分析不同加载条件下驱动力、叶片转角、联动环运动阻力和加载叶片36轴颈扭矩之间的对应关系。

10、所述叶片轴颈摩擦力可控调整系统6包括加载压板61、加载螺栓62和径向加载座63；所述径向加载座63设置于静子内环13上，并位于加载叶片36轴颈穿过静子内环13的位置处，径向加载座63与静子内环13一体成型或固定连接；所述径向加载座63上设置有与加载螺栓62相配合的螺纹孔，所述加载螺栓62穿过该螺纹孔并朝向加载叶片36轴颈设置；所述加载压板61设置于加载螺栓62端部与加载叶片36轴颈之间，加载压板61朝向加载叶片36轴颈的一侧与加载叶片36轴颈外圆面相配合；工作时，通过旋入加载螺栓62，使加载螺栓62端部顶压加载压板61，加载压板61再将径向压紧力传递至加载叶片36轴颈，从而对加载叶片36轴颈施加径向载荷；通过调节加载螺栓62的旋入深度，改变加载螺栓62对加载压板61的顶压力，进而改变加载压板61对加载叶片36轴颈施加的径向压紧力；径向压紧力作用后，加载叶片36轴颈与衬套a17之间的接触压力增大，加载叶片36轴颈转动时产生的摩擦阻力矩随之增大，该摩擦阻力矩经叶片摇臂32、联动环摇臂33和联动环31传递至驱动系统2；叶片轴颈摩擦力可控调整系统6能够模拟单个叶片局部受载或轴颈摩擦增大的情况，用于分析局部受载对多叶片联动调节同步性、驱动力需求和加载叶片36轴颈扭矩变化的影响。

11、所述叶片轴颈测量系统7包括编码器71、动态扭矩传感器72、联轴器73、位移传感器74和力传感器23；所述编码器71通过编码器安装支架14固定于静子内环13上，正常调节叶片35的轴端通过联轴器73与编码器71连接，用于实时采集正常调节叶片35的转角；所述加载叶片36轴颈后端通过联轴器73与动态扭矩传感器2连接，动态扭矩传感器72另一端再通过联轴器73与编码器71连接，用于在加载叶片36转动过程中同步采集加载叶片36轴颈扭矩

τ和转角；所述力传感器23串联设置于电推杆输出端212与联动环31之间，用于采集驱动系统2输入至联动环31的驱动力

f；所述位移传感器74设置于电推杆21移动端或靠近电推杆21移动端的位置，用于采集电推杆21的伸缩

12、本发明的有益效果：本发明具有多叶片联动传动及导向限位结构，通过电推杆驱动联动环运动，联动环带动多组联动环摇臂、叶片摇臂和叶片轴颈同步转动，能够实现多叶片、多连杆协同调节过程的模拟；同时，通过联动环上的弧形槽与机匣弧段上的限位销配合，对联动环的运动轨迹进行导向和限位，使联动环沿预定圆弧轨迹运动，从而提高机构运动的稳定性和重复性。此外，通过更换不同长度的摇臂零件改变摇臂等效长度，用于模拟单一摇臂长度变化引起的和同步误差问题，以及模拟多叶片联动时各摇臂长度不一致引起的局部卡滞，解决了现有单叶片轴颈试验装置无法复现多叶片联动条件下结构性卡滞的问题。

13、本发明具有联动环径向加载系统，通过在静子内环上一体设置径向加载座，并使加载螺栓穿过径向加载座上的螺纹孔顶压加载压板，再由加载压板对加载叶片轴颈施加径向压紧力，能够通过调节加载螺栓旋入深度改变轴颈摩擦阻力矩，实现不同加载工况下单个叶片轴颈摩擦阻力的可调模拟，解决了现存装置叶片轴颈摩擦力不可调节、无法模拟叶片轴颈压力性卡滞的问题。

14、本发明具有叶片轴颈摩擦力可控调整系统和叶片轴颈测量系统7，通过在加载叶片轴颈后端串联动态扭矩传感器，并在动态扭矩传感器后端连接编码器，能够在叶片调节过程中同步采集加载叶片轴颈扭矩和转角数据，从而获得驱动力、叶片轴颈摩擦阻力矩和叶片角度响应之间的关系，解决了现有装置无法实时测量叶片轴颈卡滞动态摩擦扭矩的问题。

15、本发明具有联动环径向加载系统，通过钢绳连接联动环加载耳环和砝码，并使砝码在底座上的竖直导向结构内上下移动，能够利用砝码重力向联动环施加可控径向载荷，通过更换不同质量的砝码调节联动环径向载荷，模拟联动环工作过程中的压力性卡滞，用于研究不同径向载荷对联动环与机匣间摩擦阻力对多叶片联动调节的影响。