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1、固体火箭发动机测试与试验技术主讲：刘平安College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo （6）挠性件的设计与选用o 挠性件是靠材料本身的弹性变形提供运动自由度的。o 挠性件的优点挠性件的优点：弹性变形引起材料的内摩擦，内摩擦与外摩擦相比具有摩擦力小，重复性好的优点。o各种外摩擦连接的缺点各种外摩擦连接的缺点：各种外摩擦连接，由于构成运动自由度的两个或多个零件之间，存在相对运动（滑动或滚动），存在接触表面间的摩擦。其摩擦力大，影响因素多，很难控制。造成重复性差，用在精密测量
2、设备上将影响测量精度，加之存在间隙和摩损，用在有强烈冲击、振动的火箭发动机试验中将产生更大的误差。o因此，目前在火箭发动机试验中，都普遍采用了各种型式的挠性件。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering弯曲挠性件3万向运动性能挠性件挠性件按功能分单向运动性能挠性件挠性件按提供自由度的方式分扭转挠性件4万向挠性件 双工作段板簧 单工作段板簧 圆杆式挠性件 常用的挠性件o典型试车架5（1）滚动元件试车架（2）高精度试车架（3）多分力试车架College of Aerospa
3、ce and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering（1）滚动元件试车架 常用的滚动元件试车架有滚轮车式、滚球式和中心架式三种 78o 图3-14是滚轮车式试车架结构简图，滚轮内装有滚动轴承，四个滚轮在两条钢轨上运动。其优点是结构简单，安装操作简便快速，通用性好，应用很普遍。大型发动机，特别是长发动机，滚轮车作成分段式，它可消除发动机工作时轴向延伸影响，亦可适应各种长度。o 滚球式试车架的优点是既可沿轴向自由调节，又可沿水平面在一定范围内任意调节；缺点是沿轴向调节距离太小，对试车架安装要求较高，操作较复杂。o 中心
4、架式试车架的优点是将动架重量减到最小，以保证试车架具有尽可能高的固有频率，有利于动态力的测量。其次是安装操作简便，通用性好，普遍使用于小型发动机试验。o （2）高精度试车架o 各类高精度试车架的共同特点是动静架之间采用弹性元件连接，选用高精度传感器和万向挠性件，采用原位校准技术，使高精度安装对准工具。结构上设计成专用的整体式结构。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege
5、of Aerospace and Civil Engineeringo 图3-15是一个小型发动机用的高精度试车架结构简图。静架由承力架、龙门架、底架组成，承力架、龙门架安装在底架上，底架与试车台体相连。动架是一个直角形构件，其上有两个安装发动机的支座。o 利用光学工具技术进行安装，原位校准装置、测力组件、发动机三轴线的不同轴度小于0.2mm；试车架与试车台体对接时的倾斜度小于30；板簧处于自由垂直状态，对试车轴线不垂直度小于30。o 图3-16是一个直径约1m，推力约200kN的中型发动机试车架结构简图。它采用了单工作段双板簧作为动架和静架之间的连接件，其弹阻力仅为推力的0.075%。原位校
6、准采用液压系统，后支撑采用中心架，并设计了专用后裙定位板作为定位基准。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering131415161718192021222324o （3）多分力试车架o 六分力试车架用来测量发动机产生的推力偏心值和推力矢量控制机构产生的姿态控制力和力矩，推力终止机构打开时所产生的侧向干扰力
7、。o 6分力试车架是利用刚体的平衡原理，适当布置约束，以限制发动机的6个自由度（3个移动自由度和3个转动自由度），使之处于静定平衡状态。由于每一约束均由带传感器的测力组件来承担，并通过挠性件把相互间的干扰减到最小。所以，通过试车即可测得配置的六个约束所承受的6个分力。根据6个分力的作用点和方向进行空间向量合成，求出推力向量的大小、方向和作用点。o 图3-17是测推力偏心的立式六分力试车架测量示意图，选O-XYZ直角坐标系，以F1和F6两传感器的理论轴线交点为坐标原点，F1传感器的理论轴线为x轴，F1传感器理论轴线为z轴，通过O点平行于F2和F3的轴线为Y轴，安装传感器的方向为各坐标轴的正方向。
8、H、R为台架结构尺寸，是已知数。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering2627图3-17 立式六分力试车架测量示意图o 选坐标原点为力的简化中心，设主矢量和主矩各为：o 。o 空间力系的平衡条件是主矢量和主矩分别在3个坐标轴上的投影同时为零，即：o 由此可得到各分力合分力矩的计算公式为：College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege
9、 of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo主矢量的值为o o （3-30）o主矩的值为o o （3-31）o推力偏心角是指发动机实际推力作用线与发动机几何中心轴线间的夹角（图3-18），可用下式求出：o o （3-32）o或由下式求出：o o （3-33）College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil
10、EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 推力偏心距 ，有三种情况：o 1）通过发动机质心 作垂直于发动机几何中心线的横截面 ，与发动机的实际推力作用线 L相交于 ，C 点和D 点之间的连线即为推力偏心距 ；o 2）发动机质心点 与发动机实际推力作用线 L间的垂直距离CE；o 很明显，这两个定义是一致的，都反映了推力对质心的力矩值，有时它表现为翻转力矩，有时表现为稳定控制力矩，用得较普遍。o 3）发动机的几何中心线与发动机实际推力作用线间的最短距离。College of Aerospace and Civil Engineer
11、ingCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 图3-19为卧式三分力试车测量示意图，用来测量推力矢量控制机构产生的姿态控制力，利用各力对O点的力矩之和等于零的等式即可求出推力向量控制力Fc的大小，即：College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 安装调试o 试车架在设计制造完毕以后，应根据“试车架安装调试、性能试验大纲”进行安装调试，检验设计、制造的正确性。投入使用以后，根据“试车安装工艺文件”进行试车前的安装调试。o 试
12、车架是一种连接接点多，调整结构多，相互关系复杂，要求严格的复杂测力装置。安装调试中必须对各种活动接点紧固连接，可靠锁紧，保证试车架的静态和动态性能。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 小型试车架主要采用机械测量工具进行安装调试，大型试车架一般采用光学测量工具或激光仪器进行安装调试，常用的有测微准直望远镜（提供光学基准视线）、工具经纬仪（确定与基准视线垂直的平面）、水准仪（建立水平平面）、光学直角头（建立与基准视钱垂直的辅助视线）、工具轴（建立光学站的导轨）、各
13、种光学目标、杯座、照明器、光学工具尺及尺架、仪器活动支架、目标固定支架、托架等。光学仪器的优点是光线无质量、无厚度、无长度限制，不会产生下垂和弯曲变形，用它作定位或测量基准可大大提高安装调试精度。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 常规卧式试车架安装o 图3-21是一台常规卧式试车架的光学安装调试示意图。光学对准步骤如下：o 1）建立水平面内的型光学站o 用一台水准仪监测光学站的三个点，即1、2、3点，使三点的球体目标中心在同一水平面内。在1点放置带上直角头的
14、准直望远镜，2、3点放置球体目标，使1-2基准视线与试车台体轴线平行，1-3与1-2垂直测量调整要反复进行逐步接近，直到同时满镜使足水平和垂直关系为止。用快干水泥固定位置，保证在安装调试过程中不变动。o 2）调整静架和动架平台o 8点和9点的水准仪进行监测，调整静架和动架平台到水平状态。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 3）调整承力钢板和发动机支撑板簧o 在光学站监测下，在5、6、7三点，用工具经纬仪分别测量承力钢板和发动机支撑板簧平面，将它们调整到与发动机
15、轴线垂直。o 4）调整原位校准装置和测力组件o 在光学站监测下，使原位校准装置和测力组件的轴线与发动机轴线同轴，并处于水平。o 在一些试车架中，对垂直平而和水平面的测量，要求不严格，可采用框式水平仪、象限仪等简便测量仪器，可以不建立光学站，只需一台水准仪和一台经纬仪进行测量，保证三条轴线同轴即可。o （2）多分力试车架安装o 图3-22是一个立式六分力试车架的光学测量安装示意图。光学安装步骤如下：College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 1）将4根立柱（静架）安装面
16、初步调整至相对的两立柱安装面互相平行，相邻立柱安装面互相垂直.o 2）建立与立柱安装面基本平行、垂直的水平面内的L型光学站。o 3）用工具经纬仪测量调整4个立柱，使其安装面处于垂直，相对两面平行，相邻两面垂直，并紧固锁紧。o 4）在光学站监测下，使轴向测力组件处于垂直状态。o 5）用工具经纬仪测量，调整动架方位，使其上4个安装面与4个立柱安装面互相对应平行.College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 6）用工具经纬仪及水准仪调整测力组件1和4，原位校准装置1和4的安装
17、，使4个组件的轴线水平，且1与1同轴，4与4同轴；调整测力组件2、3、5，原位校准装置5、3，使它们的轴线水平，5与5同轴，3与2和3的对称轴同轴。o 7）在光学站监测下，吊装调整发动机，使其轴线处于垂直方位，并与轴向测力组件轴线同轴。o 8）在光学站监测下，安装调整轴向原位校准装置，使其轴线与发动机、测力组件轴线同轴。o 到此，立式六分力试车架及发动机已完全达到理想的试车状态，即水平水平、垂直垂直、同轴同轴、空间直角坐标系的状态。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeri
18、ngo3.6性能鉴定o 试车架加工装调完毕，正式投入使用前；受到破坏，进行修复后；长期放置不用，重新投入使用前均应进行性能鉴定试验。对试车架进行鉴定试验时，一般应进行三次发动机、试车架的安装和拆卸，得到三次校准数据，均应符合技术要求，对大型发动机试车，在每次试验之前均应通过原位校准对试车架及测试系统的性能进行评定，确认达到要求后，才进行试车。o 试车架和其他测量一次仪表一徉，是用来感受和测量特定的物理量的，它的性能包括静态性能和动态性能。o（1）静态性能鉴定o 静态性能是指重复性、非线性、迟滞、精度、分辨率、灵敏度等。它的鉴定是在发动机、试车架安装调试到正式试车状态后，利用原位校准装置进行的。
19、College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 静态性能鉴定所用传感器应有两路输出，一路用高精度测量仪表在试车台内测量，判断试车架的性能指标；另一路用于试车正式测量系统，在中心测量室进行远趾离记录，作为整个推力测量系统的精度。o 多分力试车架的各分力测量系统之间存在相互干扰，可以用干扰系数来表示。它可通过原位校准时测得的其余各路工作传感器的输出量来求得o式中 第i路对第j路的干扰系数；o 第j路受到Fi负荷后的干扰量；o 第i路受到的负荷量。College of Aero
20、space and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo （2）动态性能鉴定o 发动机的实际推力是动态的，在点火瞬间，推力迅速上升，上升时间一般为10-50ms，短的在2ms以下，近似阶跃力输入；在推力下降段，下降也很迅速，特别是推力终止试验时，也接近阶跃下降；在推力的平稳段，也会出现推力振荡，参考文献9中，就指出了由于燃烧室内压力振荡，引起了低频大振幅推力振荡，其频率约为15Hz，振荡幅值约为轴向推力的。o 发动机常规试车推力测量机械系统可以看作一个单自由度的弹簧一质量振动系统，如图3-23所示。o其运动方程
21、式为o o （3-42）o College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 设 （固有圆频率，单位为1/s），（阻尼比），代入式（3-42）得：o 当求出试车台架的固有频率和阻尼比以后，就可确定其动态特性。动态特性主要是指固有频率、阻尼比、时间常数和衰减率等。o a瞬时激励法o 对待试发动机-试车架施加一个阶跃函数力，使试车架振荡，记录工作传感器的输出振荡曲线，再根据曲线进行处理，求出阻尼比和固有频率。College of Aerospace and Civil Engi
22、neeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 施加阶跃函数力可用降落重物、摆锤、电磁锤、榔头敲打、撞击等加载方法。也可对拉紧加载的试车架用剪断铁丝或通电引爆爆炸螺栓等突然卸载方法。图3-24表示利用爆炸螺栓突然卸载的示意图。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo记录的试车台架振荡曲线如图3-25所示。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Ae
23、rospace and Civil Engineeringo 对于一般试车台架，阻尼比通常小于0.1，可用下式计算其固有频率和阻尼比。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo式中 试车台架固有频率；o 阻尼振荡频率；o 阻尼比；o 振荡曲线第n个波峰到基线的距离；o 振荡曲线第n+N个波峰到基线的距离；o An到An+N之间的波峰数。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and
24、Civil Engineeringo b正弦激励法o 利用电磁式、液压式或机械式正弦力发生器对待试试车架进行加载，正弦力的幅值及频率连续可调，记录工作传感器的输出，求出试车架的幅频特性曲线，决定固有频率和阻尼比。o3.4 辅助设备o 在进行发动机试验的准备和试后处理的过程中，还经常用到吊车、吊具、安装转运车、称量装置和安装平台等一系列的辅助设，下面对前三种辅助设备的一设计和使用间题加以叙述。o 3.4.1 吊车o 吊车是大、中型固体发动机试车台上的必备的设备，一般是安装在试车间和装配间内，个别情况下（如简易试车台）也可采用汽车吊。吊车的用途是吊运发动机、试车架、扩压器和其它试验工装，吊车的型式
25、有多种，选用时要注意以下几点：College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo1）要有较大的起吊余量；o2）要有足够的起吊高度；o3）运行必须平稳可靠；o4）最好有超载保险装置；o5）多数情况下应具有起吊吨位不同的双吊钩。o 3.4.2 吊具o 大、中型发动机的起吊和翻转（个别情况下需进行发动机的翻转调换发动机的姿态）是一项重要的工作，为保证发动机在这一操作过程中的安全，通常要设计专用吊具.专用吊具主要有水平吊具和翻转吊具两种。o 水平吊具用于发动机的水平吊运，它通常由钢丝
26、绳、横梁和吊环等三部分组成，其中的吊环可根据不同的起吊要求（主要是起吊部位和连接方式）而设计成不同的结构型式；翻转吊具通常由两个单独的吊环组成。o 对吊具的基本要求是结构合理、安装方便、可靠性高、起吊时不得损伤发动机，根据这一要求，设计和使用吊具时要做到以下几点：College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineeringo 1）吊具的设计方案，其中重点是发动机的起吊部位、吊具与发动机之间的连接方式必须取得发动机设计部门的认可;o 2）对吊具的主要受力件要进行受力分析和强度计算，并留有足
27、够的余量，其中稳定性系数不得小于2，机加件的安全系数不得小于3，钢丝绳的安全系数不得小于6；o 3）新吊具在正式使用之前要进行动负荷试验，试验用起吊重物的质量应为发动机总质量的倍，起吊后要做一定次数的平移和升降运动，确认无问题后方可投入使用。o 3.4.3 安装转运车o 安装转运车用于发动机从装配间到试车间之间的转运.发动机的转运方式可根据发动机的大小、转运距离的长短以及现场的转运条件确定，一般情况下可用吊车转运，但当发动机较大、转运距离较长时，用转运车转运比用吊车更安全可靠.安装转运车应满足下列使用要求：o 1）要有足够的承载能力；o 2）运行应平稳可靠；o 3）操作要方便，最好带有象位调整和刹车机构。College of Aerospace and Civil EngineeringCollege of Aerospace and Civil Engineering