固體火箭發(fā)動機測試與試驗技術第三章

固體火箭發(fā)動機測試與試驗技術第三章1第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

（6）撓性件的設計與選用

撓性件是靠材料本身的彈性變形提供運動自由度的。

撓性件的優(yōu)點：彈性變形引起材料的內(nèi)摩擦，內(nèi)摩擦與外摩擦相比具有摩擦力小，重復性好的優(yōu)點。各種外摩擦連接的缺點：各種外摩擦連接，由于構成運動自由度的兩個或多個零件之間，存在相對運動（滑動或滾動），存在接觸表面間的摩擦。其摩擦力大，影響因素多，很難控制。造成重復性差，用在精密測量設備上將影響測量精度，加之存在間隙和摩損，用在有強烈沖擊、振動的火箭發(fā)動機試驗中將產(chǎn)生更大的誤差。因此，目前在火箭發(fā)動機試驗中，都普遍采用了各種型式的撓性件。

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲撓性件萬向運動性能撓性件撓性件按功能分單向運動性能撓性件撓性件按提供自由度的方式分扭轉(zhuǎn)撓性件3第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月萬向撓性件雙工作段板簧

單工作段板簧圓桿式撓性件常用的撓性件4第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4典型試車架（1）滾動元件試車架（2）高精度試車架（3）多分力試車架5第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity（1）滾動元件試車架常用的滾動元件試車架有滾輪車式、滾球式和中心架式三種·第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月7第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月8第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3-14是滾輪車式試車架結(jié)構簡圖，滾輪內(nèi)裝有滾動軸承，四個滾輪在兩條鋼軌上運動。其優(yōu)點是結(jié)構簡單，安裝操作簡便快速，通用性好，應用很普遍。大型發(fā)動機，特別是長發(fā)動機，滾輪車作成分段式，它可消除發(fā)動機工作時軸向延伸影響，亦可適應各種長度。滾球式試車架的優(yōu)點是既可沿軸向自由調(diào)節(jié)，又可沿水平面在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；缺點是沿軸向調(diào)節(jié)距離太小，對試車架安裝要求較高，操作較復雜。中心架式試車架的優(yōu)點是將動架重量減到最小，以保證試車架具有盡可能高的固有頻率，有利于動態(tài)力的測量。其次是安裝操作簡便，通用性好，普遍使用于小型發(fā)動機試驗。（2）高精度試車架各類高精度試車架的共同特點是動靜架之間采用彈性元件連接，選用高精度傳感器和萬向撓性件，采用原位校準技術，使高精度安裝對準工具。結(jié)構上設計成專用的整體式結(jié)構。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3-15是一個小型發(fā)動機用的高精度試車架結(jié)構簡圖。靜架由承力架、龍門架、底架組成，承力架、龍門架安裝在底架上，底架與試車臺體相連。動架是一個直角形構件，其上有兩個安裝發(fā)動機的支座。利用光學工具技術進行安裝，原位校準裝置、測力組件、發(fā)動機三軸線的不同軸度小于0.2mm；試車架與試車臺體對接時的傾斜度小于30‘；板簧處于自由垂直狀態(tài)，對試車軸線不垂直度小于30‘。圖3-16是一個直徑約1m，推力約200kN的中型發(fā)動機試車架結(jié)構簡圖。它采用了單工作段雙板簧作為動架和靜架之間的連接件，其彈阻力僅為推力的0.075%。原位校準采用液壓系統(tǒng)，后支撐采用中心架，并設計了專用后裙定位板作為定位基準。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月13第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月14第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月15第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月17第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月18第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月19第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月20第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月21第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月22第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月23第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月24第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）多分力試車架六分力試車架用來測量發(fā)動機產(chǎn)生的推力偏心值和推力矢量控制機構產(chǎn)生的姿態(tài)控制力和力矩，推力終止機構打開時所產(chǎn)生的側(cè)向干擾力。

6分力試車架是利用剛體的平衡原理，適當布置約束，以限制發(fā)動機的6個自由度（3個移動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度），使之處于靜定平衡狀態(tài)。由于每一約束均由帶傳感器的測力組件來承擔，并通過撓性件把相互間的干擾減到最小。所以，通過試車即可測得配置的六個約束所承受的6個分力。根據(jù)6個分力的作用點和方向進行空間向量合成，求出推力向量的大小、方向和作用點。圖3-17是測推力偏心的立式六分力試車架測量示意圖，選O-XYZ直角坐標系，以F1和F6兩傳感器的理論軸線交點為坐標原點，F(xiàn)1傳感器的理論軸線為x軸，F(xiàn)1傳感器理論軸線為z軸，通過O點平行于F2和F3的軸線為Y軸，安裝傳感器的方向為各坐標軸的正方向。H、R為臺架結(jié)構尺寸，是已知數(shù)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月26第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-17立式六分力試車架測量示意圖27第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

選坐標原點為力的簡化中心，設主矢量和主矩各為：?？臻g力系的平衡條件是主矢量和主矩分別在3個坐標軸上的投影同時為零，即：由此可得到各分力合分力矩的計算公式為：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月主矢量的值為

（3-30）主矩的值為

（3-31）推力偏心角是指發(fā)動機實際推力作用線與發(fā)動機幾何中心軸線間的夾角（圖3-18），可用下式求出：

（3-32）或由下式求出：

（3-33）CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

推力偏心距，有三種情況：

1）通過發(fā)動機質(zhì)心作垂直于發(fā)動機幾何中心線的橫截面，與發(fā)動機的實際推力作用線L相交于，C點和D點之間的連線即為推力偏心距；

2）發(fā)動機質(zhì)心點與發(fā)動機實際推力作用線L間的垂直距離CE；很明顯，這兩個定義是一致的，都反映了推力對質(zhì)心的力矩值，有時它表現(xiàn)為翻轉(zhuǎn)力矩，有時表現(xiàn)為穩(wěn)定控制力矩，用得較普遍。

3）發(fā)動機的幾何中心線與發(fā)動機實際推力作用線間的最短距離。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3-19為臥式三分力試車測量示意圖，用來測量推力矢量控制機構產(chǎn)生的姿態(tài)控制力，利用各力對O點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：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.3.5安裝調(diào)試試車架在設計制造完畢以后，應根據(jù)“試車架安裝調(diào)試、性能試驗大綱”進行安裝調(diào)試，檢驗設計、制造的正確性。投入使用以后，根據(jù)“試車安裝工藝文件”進行試車前的安裝調(diào)試。試車架是一種連接接點多，調(diào)整結(jié)構多，相互關系復雜，要求嚴格的復雜測力裝置。安裝調(diào)試中必須對各種活動接點緊固連接，可靠鎖緊，保證試車架的靜態(tài)和動態(tài)性能。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

小型試車架主要采用機械測量工具進行安裝調(diào)試，大型試車架一般采用光學測量工具或激光儀器進行安裝調(diào)試，常用的有測微準直望遠鏡（提供光學基準視線）、工具經(jīng)緯儀（確定與基準視線垂直的平面）、水準儀（建立水平平面）、光學直角頭（建立與基準視錢垂直的輔助視線）、工具軸（建立光學站的導軌）、各種光學目標、杯座、照明器、光學工具尺及尺架、儀器活動支架、目標固定支架、托架等。光學儀器的優(yōu)點是光線無質(zhì)量、無厚度、無長度限制，不會產(chǎn)生下垂和彎曲變形，用它作定位或測量基準可大大提高安裝調(diào)試精度。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

常規(guī)臥式試車架安裝圖3-21是一臺常規(guī)臥式試車架的光學安裝調(diào)試示意圖。光學對準步驟如下：

1）建立水平面內(nèi)的型光學站用一臺水準儀監(jiān)測光學站的三個點，即1、2、3點，使三點的球體目標中心在同一水平面內(nèi)。在1點放置帶上直角頭的準直望遠鏡，2、3點放置球體目標，使1-2基準視線與試車臺體軸線平行，1-3與1-2垂直測量調(diào)整要反復進行逐步接近，直到同時滿鏡使足水平和垂直關系為止。用快干水泥固定位置，保證在安裝調(diào)試過程中不變動。

2）調(diào)整靜架和動架平臺

8點和9點的水準儀進行監(jiān)測，調(diào)整靜架和動架平臺到水平狀態(tài)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

3）調(diào)整承力鋼板和發(fā)動機支撐板簧在光學站監(jiān)測下，在5、6、7三點，用工具經(jīng)緯儀分別測量承力鋼板和發(fā)動機支撐板簧平面，將它們調(diào)整到與發(fā)動機軸線垂直。

4）調(diào)整原位校準裝置和測力組件在光學站監(jiān)測下，使原位校準裝置和測力組件的軸線與發(fā)動機軸線同軸，并處于水平。在一些試車架中，對垂直平而和水平面的測量，要求不嚴格，可采用框式水平儀、象限儀等簡便測量儀器，可以不建立光學站，只需一臺水準儀和一臺經(jīng)緯儀進行測量，保證三條軸線同軸即可。（2）多分力試車架安裝圖3-22是一個立式六分力試車架的光學測量安裝示意圖。光學安裝步驟如下：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1）將4根立柱（靜架）安裝面初步調(diào)整至相對的兩立柱安裝面互相平行，相鄰立柱安裝面互相垂直.2）建立與立柱安裝面基本平行、垂直的水平面內(nèi)的L型光學站。

3）用工具經(jīng)緯儀測量調(diào)整4個立柱，使其安裝面處于垂直，相對兩面平行，相鄰兩面垂直，并緊固鎖緊。

4）在光學站監(jiān)測下，使軸向測力組件處于垂直狀態(tài)。

5）用工具經(jīng)緯儀測量，調(diào)整動架方位，使其上4個安裝面與4個立柱安裝面互相對應平行.CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月6）用工具經(jīng)緯儀及水準儀調(diào)整測力組件1和4，原位校準裝置1‘和4’的安裝，使4個組件的軸線水平，且1與1‘同軸，4與4’同軸；調(diào)整測力組件2、3、5，原位校準裝置5‘、3’，使它們的軸線水平，5與5’同軸，3‘與2和3的對稱軸同軸。

7）在光學站監(jiān)測下，吊裝調(diào)整發(fā)動機，使其軸線處于垂直方位，并與軸向測力組件軸線同軸。

8）在光學站監(jiān)測下，安裝調(diào)整軸向原位校準裝置，使其軸線與發(fā)動機、測力組件軸線同軸。到此，立式六分力試車架及發(fā)動機已完全達到理想的試車狀態(tài)，即水平、垂直、同軸、空間直角坐標系的狀態(tài)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6性能鑒定

試車架加工裝調(diào)完畢，正式投入使用前；受到破壞，進行修復后；長期放置不用，重新投入使用前均應進行性能鑒定試驗。對試車架進行鑒定試驗時，一般應進行三次發(fā)動機、試車架的安裝和拆卸，得到三次校準數(shù)據(jù)，均應符合技術要求，對大型發(fā)動機試車，在每次試驗之前均應通過原位校準對試車架及測試系統(tǒng)的性能進行評定，確認達到要求后，才進行試車。試車架和其他測量一次儀表一徉，是用來感受和測量特定的物理量的，它的性能包括靜態(tài)性能和動態(tài)性能。（1）靜態(tài)性能鑒定靜態(tài)性能是指重復性、非線性、遲滯、精度、分辨率、靈敏度等。它的鑒定是在發(fā)動機、試車架安裝調(diào)試到正式試車狀態(tài)后，利用原位校準裝置進行的。

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

靜態(tài)性能鑒定所用傳感器應有兩路輸出，一路用高精度測量儀表在試車臺內(nèi)測量，判斷試車架的性能指標；另一路用于試車正式測量系統(tǒng)，在中心測量室進行遠趾離記錄，作為整個推力測量系統(tǒng)的精度。多分力試車架的各分力測量系統(tǒng)之間存在相互干擾，可以用干擾系數(shù)來表示。它可通過原位校準時測得的其余各路工作傳感器的輸出量來求得式中—第i路對第j路的干擾系數(shù)；

—第j路受到Fi負荷后的干擾量；

—第i路受到的負荷量。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）動態(tài)性能鑒定發(fā)動機的實際推力是動態(tài)的，在點火瞬間，推力迅速上升，上升時間一般為10-50ms，短的在2ms以下，近似階躍力輸入；在推力下降段，下降也很迅速，特別是推力終止試驗時，也接近階躍下降；在推力的平穩(wěn)段，也會出現(xiàn)推力振蕩，參考文獻[9]中，就指出了由于燃燒室內(nèi)壓力振蕩，引起了低頻大振幅推力振蕩，其頻率約為15Hz，振蕩幅值約為軸向推力的。發(fā)動機常規(guī)試車推力測量機械系統(tǒng)可以看作一個單自由度的彈簧一質(zhì)量振動系統(tǒng)，如圖3-23所示。其運動方程式為

（3-42）

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

設（固有圓頻率，單位為1/s），（阻尼比），代入式（3-42）得：

當求出試車臺架的固有頻率和阻尼比以后，就可確定其動態(tài)特性。動態(tài)特性主要是指固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)和衰減率等。

a．瞬時激勵法對待試發(fā)動機-試車架施加一個階躍函數(shù)力，使試車架振蕩，記錄工作傳感器的輸出振蕩曲線，再根據(jù)曲線進行處理，求出阻尼比和固有頻率。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

施加階躍函數(shù)力可用降落重物、擺錘、電磁錘、榔頭敲打、撞擊等加載方法。也可對拉緊加載的試車架用剪斷鐵絲或通電引爆爆炸螺栓等突然卸載方法。圖3-24表示利用爆炸螺栓突然卸載的示意圖。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月記錄的試車臺架振蕩曲線如圖3-25所示。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于一般試車臺架，阻尼比通常小于0.1，可用下式計算其固有頻率和阻尼比。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第49頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月式中—試車臺架固有頻率；

—阻尼振蕩頻率；

—阻尼比；

—振蕩曲線第n個波峰到基線的距離；

—振蕩曲線第n+N個波峰到基線的距離；

—An到An+N之間的波峰數(shù)。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第50頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

b．正弦激勵法利用電磁式、液壓式或機械式正弦力發(fā)生器對待試試車架進行加載，正弦力的幅值及頻率連續(xù)可調(diào)，記錄工作傳感器的輸出，求出試車架的幅頻特性曲線，決定固有頻率和阻尼比。3.4輔助設備在進行發(fā)動機試驗的準備和試后處理的過程中，還經(jīng)常用到吊車、吊具、安裝轉(zhuǎn)運車、稱量裝置和安裝平臺等一系列的輔助設，下面對前三種輔助設備的一設計和使用間題加以敘述。

3.4.1吊車

吊車是大、中型固體發(fā)動機試車臺上的必備的設備，一般是安裝在試車間和裝配間內(nèi)，個別情況下（如簡易試車臺）也可采用汽車吊。吊車的用途是吊運發(fā)動機、試車架、擴壓器和其它試驗工裝，吊車的型式有多種，選用時要注意以下幾點：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUn