CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)VBV活門(mén)的鋼絲軟軸操控原理及軟軸剛度研究

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)VBV活門(mén)的鋼絲軟軸操控原理及軟軸剛度研究摘要CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)空氣控制中的可調(diào)放氣活門(mén)（VBV）和可調(diào)靜子葉片（VSV）控制系統(tǒng)是及其重要的兩部分。它們可以讓低壓壓氣機(jī)（LPC）和高壓壓氣機(jī)（HPC）實(shí)現(xiàn)氣流匹配以便避免發(fā)動(dòng)機(jī)喘振同時(shí)提供壓氣機(jī)最佳效率。發(fā)動(dòng)機(jī)喘振如果得不到及時(shí)準(zhǔn)確控制會(huì)很有可能導(dǎo)致飛機(jī)失速，從而使飛機(jī)失去穩(wěn)定性導(dǎo)致事故發(fā)生?？烧{(diào)放氣活門(mén)（VBV）根據(jù)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的開(kāi)度，在頻繁的開(kāi)度變換中活門(mén)零部件的性能具有較高的挑戰(zhàn)，尤其是實(shí)現(xiàn)周向同步傳動(dòng)控制的鋼絲軟軸（FLEXIBLESHAFT）其對(duì)活門(mén)能準(zhǔn)確快速開(kāi)啟到指令位置起著很關(guān)鍵的作用。而在日常的維護(hù)中，鋼絲軟軸出現(xiàn)故障的頻率最高維護(hù)工作量最大。鑒于此，本文對(duì)活門(mén)鋼絲軟軸操控原理做出介紹以及借助ANSYSWorkbench對(duì)其剛度進(jìn)行深入研究以便能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)掌握VBV活門(mén)及其零件鋼絲軟軸。關(guān)鍵字：CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)，VBV，LPC，HPC，氣流匹配，喘振，失速，穩(wěn)定性，最佳效率，鋼絲軟軸，ANSYSWorkbench，剛度

AbstractVariableBleedValve(VBV)andVariableStatorVane(VSV)controlsystemarethetwocriticalimportantpartsoftheCFM56-5Bengineaircontrolsystem.TheycangiveaerodynamicmatchingoftheLowPressureCompressor(LPC)withtheHighPressureCompressor(HPC)topreventenginesurgeasaresultgivingtheoptimumcompressorefficiency.Itispossiblethattheairplanewillstalliftheenginesurgecannotbecontrolwellandthentheairplanewouldlossstabilitywhichresultstheaccident.TheVariableBleedValve(VBV)calculatesthecorrespondingopeningaccordingtotheaircraftandengineparameters.Duringthefrequentopeningtransformation,theperformanceofthevalvepartsisinahighchallenge,particularlytheFLEXIBLESHAFTrealizingthecircumventialsynchronoustransmissioncontrolingwhichplaysacriticalroleintheaccuratlyandrapidlyopeningthevalvetothecommandposition.Duringthedailymaintenance,theflexibleshaftappearsthehighestfrequencyofbreakdownandthenthemaintenanceworkloadisgratest.Becauseofthis,thispaperwilldoaillustrationaboutthecontrolprincipleoftheflexibleshaftandconductsanin-depthstudyonitsrigiditywiththehelpofANSYSWorkbenchsoftware,asaresulttofurtherlyunderstandingandmasteringtheVBVvalveanditspartsflexibleshaft.KeyWords：CFM56-5Bengine，VBV，LPC，HPC，aerodynamicmatching，surge，stall，stability，optimumefficiency，flexibleshaft，ANSYSWorkbench，rigidity目錄31217_WPSOffice_Level11緒論 118012_WPSOffice_Level21.1背景及目的 120367_WPSOffice_Level21.2CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 118012_WPSOffice_Level31.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)總概 120367_WPSOffice_Level31.2.2CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)組成 27124_WPSOffice_Level21.3研究方法 37193_WPSOffice_Level21.4論文構(gòu)成及內(nèi)容 318012_WPSOffice_Level12CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)防喘 322020_WPSOffice_Level22.1基元級(jí)速度三角形 331296_WPSOffice_Level22.2壓氣機(jī)防喘 431296_WPSOffice_Level32.2.1攻角 45666_WPSOffice_Level32.2.2喘振 528559_WPSOffice_Level32.2.3防喘措施 520367_WPSOffice_Level13VBV控制系統(tǒng) 65666_WPSOffice_Level23.1VBV系統(tǒng) 76632_WPSOffice_Level33.1.1VBV結(jié)構(gòu)組成 74447_WPSOffice_Level33.1.2鋼絲軟軸簡(jiǎn)介 128638_WPSOffice_Level33.1.3鋼絲軟軸操控原理 1328131_WPSOffice_Level33.1.4VBV系統(tǒng)邏輯 147124_WPSOffice_Level14基于故障樹(shù)的VBV系統(tǒng)故障原因定性分析 1728559_WPSOffice_Level24.1VBV系統(tǒng)故障樹(shù) 176632_WPSOffice_Level24.2VBV系統(tǒng)故障樹(shù)定性分析 177193_WPSOffice_Level15基于ANSYSWorkbench仿真的鋼絲軟軸剛度研究 199068_WPSOffice_Level25.1仿真模型建立 192206_WPSOffice_Level35.1.1模型簡(jiǎn)化 1928299_WPSOffice_Level35.1.2基于SolidWorks的鋼絲軟軸模型建立 1910212_WPSOffice_Level25.2ANSYSWorkbenchStaticStructural簡(jiǎn)介 20860_WPSOffice_Level35.2.1ANSYSWorkbench簡(jiǎn)介 2027894_WPSOffice_Level35.2.1StaticStructural簡(jiǎn)介 2018273_WPSOffice_Level25.3鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度KM的影響研究 2120869_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2216522_WPSOffice_Level35.3.2第i層鋼絲直徑di對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 239211_WPSOffice_Level35.3.3層數(shù)m對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2417934_WPSOffice_Level35.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2529288_WPSOffice_Level25.4鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響研究 263282_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 264101_WPSOffice_Level35.3.2第i層鋼絲直徑di對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2721099_WPSOffice_Level35.3.3層數(shù)m對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2819143_WPSOffice_Level35.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2828760_WPSOffice_Level16鋼絲軟軸剛度公式推導(dǎo) 2928760_WPSOffice_Level26.1仿真模型建立 295463_WPSOffice_Level36.1.1模型簡(jiǎn)化 29緒論1.1背景及目的航空運(yùn)輸作為我國(guó)五大運(yùn)輸方式——水運(yùn)、公路、鐵路、管道、空運(yùn)中的一種，以其快速性、安全性、舒適性、等特點(diǎn)成為龍頭。隨著航空科學(xué)技術(shù)的越發(fā)成熟和人民生活水平的提高，航空運(yùn)輸越來(lái)越受到人們的青睞。應(yīng)中國(guó)民用航空局（CAAC）要求，民航運(yùn)輸以適航安全為第一工作基準(zhǔn)。所以，保證每輛飛機(jī)的安全可靠持續(xù)適航是航空公司穩(wěn)健運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，是必須放在最高工作位置上。以我國(guó)南方航空龐大機(jī)隊(duì)來(lái)看，A320系列機(jī)隊(duì)可以說(shuō)是撐起半邊天，承擔(dān)著中短程航線的主要載客任務(wù)，可見(jiàn)A320系列機(jī)隊(duì)對(duì)航空公司重要性。同時(shí)，A320系列機(jī)隊(duì)中又有近三分之一的飛機(jī)配裝了CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)。我們都知道發(fā)動(dòng)機(jī)之于飛機(jī)而言就是它的“心臟”，是整輛飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，其重要性不言而喻。那么，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞直接關(guān)系著飛機(jī)的適航安全，也關(guān)系著航空公司的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]飛機(jī)的飛行高度、經(jīng)濟(jì)性、效率，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。然而，由于外界環(huán)境的不斷變化，發(fā)動(dòng)機(jī)往往是工作在非設(shè)計(jì)狀態(tài)，此時(shí)的運(yùn)作參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)本身設(shè)計(jì)的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配。如果此運(yùn)作參數(shù)不加以修正調(diào)整就會(huì)很可能使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，性能下降進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)失速緊接著發(fā)生事故。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)防喘的原理現(xiàn)行有效的三種措施是：1）中間級(jí)放氣2）可調(diào)靜子葉片3）雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子。對(duì)應(yīng)上述的前兩種防喘措施，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)放氣活門(mén)（VBV）和可調(diào)靜子葉片（VSV）控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)防喘的成功與否。因此，本文對(duì)可調(diào)放氣活門(mén)（VBV）控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述并依據(jù)典型故障中鋼絲軟軸這個(gè)零件借助ANSYSWorkbench仿真分析來(lái)研究其剛度讓讀者充分認(rèn)識(shí)VBV控制系統(tǒng)和其零件鋼絲軟軸。1.2CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)總概1903年萊特兄弟采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)把第一架裝有兩個(gè)推進(jìn)式螺旋槳的雙翼飛機(jī)送上天空。經(jīng)過(guò)36年的發(fā)展創(chuàng)新，1939年第一架配裝噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的德國(guó)亨克爾He178飛機(jī)試飛成功，宣告噴氣時(shí)代的到來(lái)。經(jīng)由半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展出渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、槳扇等不同用途和性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。本文所提及的CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)就是屬于渦扇類型。燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是將燃油化學(xué)能燃燒釋放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置。它是熱機(jī)也是推進(jìn)器，熱機(jī)實(shí)現(xiàn)把燃油化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)把熱能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。其核心機(jī)是由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪這三大部分組成。在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以其推力大、推進(jìn)效率高、噪音低等特點(diǎn)成為現(xiàn)民航發(fā)動(dòng)機(jī)的主流【1】。1.2.2CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)組成CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)屬于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其由進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和尾噴管組成，如圖1.1所示。其有內(nèi)外兩個(gè)涵道，如圖1.2所示。氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)扇后被分成兩股，一股進(jìn)入內(nèi)涵道，另一股進(jìn)入外涵道。進(jìn)入內(nèi)涵道的氣流經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后再燃燒室與燃油混合燃燒，釋放的高溫高壓氣流推動(dòng)渦輪葉片對(duì)核心機(jī)轉(zhuǎn)子做功（產(chǎn)生N2），核心機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)齒輪箱進(jìn)而帶動(dòng)低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（產(chǎn)生N1）。對(duì)渦輪葉片做功后的氣體經(jīng)尾噴管向后高速排出并作用在外界氣體上。由于反作用，外界氣體對(duì)飛機(jī)機(jī)體產(chǎn)生持續(xù)反作用推力。進(jìn)入外涵道的氣流經(jīng)風(fēng)扇壓縮后向后加速排出也產(chǎn)生反作用推力。而且，外涵道的產(chǎn)生反作用推力占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的80%以上。-進(jìn)氣道；-風(fēng)扇；-低壓壓氣機(jī)；?-高壓壓氣機(jī)；?-燃燒室；?-高壓渦輪；?-低壓渦輪；?-尾噴管圖1.1發(fā)動(dòng)機(jī)組成PRIMARYFLOW-內(nèi)涵道；SECONDARYFLOW-外涵道；THRUSTREVERSER-反推圖1.2內(nèi)涵道和外涵道1.3研究方法本論文在闡述VBV鋼絲軟軸操控原理后借助ANSYSWorkbench仿真分析來(lái)研究其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其剛度的影響規(guī)律。研究方法就是在SolidWorks中建好模型然后倒入ANSYSWorkbench中運(yùn)用StaticStructural模塊研究其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度KM和扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響。1.4論文構(gòu)成及內(nèi)容本論文主要是闡述VBV鋼絲軟軸的操控原理和運(yùn)用ANSYSWorkbench研究鋼絲軟軸設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度KM和扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響。為了能透徹說(shuō)明VBV鋼絲軟軸操控原理，本論文將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)防喘、VBV結(jié)構(gòu)組成、鋼絲軟軸建模、ANSYSWorkbench-StaticStructural進(jìn)行闡述說(shuō)明。2CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)防喘由于外界環(huán)境參數(shù)（壓力、溫度等）的不斷變化，發(fā)動(dòng)機(jī)往往是工作在非設(shè)計(jì)狀態(tài)，此時(shí)的運(yùn)作參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)本身設(shè)計(jì)的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配。如果此運(yùn)作參數(shù)不加以修正調(diào)整就會(huì)很可能使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能急劇下降。發(fā)動(dòng)機(jī)防喘就是要控制調(diào)節(jié)流到壓氣機(jī)氣流的流量和角度。下面我們就壓氣機(jī)氣流分析和防喘做出闡述。2.1基元級(jí)速度三角形壓氣機(jī)的基元級(jí)葉柵包括一級(jí)動(dòng)葉葉柵（工作葉柵）和一級(jí)靜葉葉柵（整流器葉柵）。針對(duì)動(dòng)葉葉柵氣流速度研究，我們定義動(dòng)葉葉柵以圓周速度（牽連速度）u運(yùn)動(dòng)，w代表氣流與葉片的相對(duì)速度，c代表氣流絕對(duì)速度。由力學(xué)公式絕對(duì)速度=相對(duì)速度+牽連速度可得：（2.1）以下標(biāo)表示動(dòng)葉進(jìn)口，以下標(biāo)表示動(dòng)葉出口，則葉輪速度三角形如圖2.1所示。圖中c代表動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度，c代表動(dòng)葉出口絕對(duì)速度，w代表動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度,w代表動(dòng)葉出口相對(duì)速度，u代表牽連速度。為研究方便，將動(dòng)葉進(jìn)口和出口的速度三角形簡(jiǎn)化后畫(huà)在一起得到簡(jiǎn)化速度三角形，如圖2.2所示。圖中ca代表動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度c在軸向的分量，cu代表動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度c在切向的分量，ca代表動(dòng)葉出口絕對(duì)速度c在軸向的分量，cu代表動(dòng)葉出口絕對(duì)速度c在切向的分量。圖2.1葉輪速度三角形圖2.2簡(jiǎn)化速度三角形2.2壓氣機(jī)防喘2.2.1攻角壓氣機(jī)的攻角是指動(dòng)葉進(jìn)口處的相對(duì)速度w與葉片弦線之間的夾角，如圖2.3所示。由圖2.2簡(jiǎn)化速度三角形可以看到影響攻角大小的因素有：轉(zhuǎn)速u(mài)動(dòng)葉進(jìn)口處絕對(duì)速度c大小和方向（ca和cu）α-攻角圖2.3攻角攻角的正負(fù)定義采用逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)的原則。圖2.3所示就是正攻角。2.2.2喘振喘振是氣流在壓氣機(jī)軸向方向上發(fā)生低頻率、高振幅的震蕩運(yùn)動(dòng)，是一種能量很高的激振力來(lái)源。喘振會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，在很短時(shí)間內(nèi)造成機(jī)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)適航安全。因此，在任何情況下都不允許飛機(jī)在喘振區(qū)工作。喘振的根本原因是壓氣機(jī)實(shí)時(shí)工作下的攻角與設(shè)計(jì)攻角不一致，過(guò)大或過(guò)小。壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)是按照設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的氣動(dòng)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的，而飛機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)往往是在非設(shè)計(jì)狀態(tài)，也就是非設(shè)計(jì)狀態(tài)的參數(shù)與壓氣機(jī)的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配，這便會(huì)導(dǎo)致氣流攻角過(guò)大或過(guò)小【2】。2.2.3防喘措施防喘的原理是通過(guò)一些措施使壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下也能保持與葉片幾何形狀相協(xié)調(diào)的速度三角形，以致于攻角合適。根據(jù)影響攻角的因素（ca、cu和u），我們可得到以下三種防喘的措施：壓氣機(jī)中間級(jí)放氣壓氣機(jī)中間級(jí)放氣會(huì)改變氣流流量，由流量公式：（2.2）可得，改變流量也就是改變動(dòng)葉進(jìn)口處絕對(duì)速度的軸向分量ca的大小來(lái)改變其相對(duì)速度w的大小和方向，改變攻角。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)采用可調(diào)放氣活門(mén)（VBV）來(lái)實(shí)現(xiàn)中間級(jí)放氣。當(dāng)活門(mén)打開(kāi)時(shí)，后幾級(jí)葉片空氣流量減小，軸向速度減小，使得其負(fù)攻角減小，實(shí)現(xiàn)防喘。可調(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片可調(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片的安裝角隨著壓氣機(jī)氣流流量的變化而變化，使得動(dòng)葉進(jìn)口處相對(duì)速度w方向基本保持不變，也就是攻角保持不變從而實(shí)現(xiàn)防喘。可調(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片不改變動(dòng)葉進(jìn)口處的相對(duì)速度w方向，只改變其大小，也就是改變動(dòng)葉進(jìn)口處絕對(duì)速度的切向分量cu。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)采用可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)來(lái)改變進(jìn)口導(dǎo)向葉片（IGV）和靜子葉片（VSV）的安裝角以便達(dá)到防喘目的。雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子的防喘是通過(guò)改變轉(zhuǎn)速u(mài)來(lái)改變動(dòng)葉進(jìn)口處相對(duì)速度w方向，以減小攻角實(shí)現(xiàn)防喘。CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)兩轉(zhuǎn)子會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)攻角變化很小實(shí)現(xiàn)防喘。3VBV控制系統(tǒng)為了避免壓氣機(jī)喘振和能夠良好加速，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)裝備有可調(diào)放氣活門(mén)（VBV）這個(gè)空氣控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是由液壓機(jī)械裝置（HMU）通過(guò)燃油伺服控制和由電子控制組件（ECU）控制，如圖3.1所示。ECU是發(fā)動(dòng)機(jī)“大腦”控制著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行法則，HMU是將ECU發(fā)送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓能輸出的裝置?？烧{(diào)放氣活門(mén)（VBV）系統(tǒng)通過(guò)12個(gè)活門(mén)來(lái)控制流經(jīng)風(fēng)扇和升壓機(jī)到高壓壓氣機(jī)（HPC）的氣流流量。通過(guò)把多余的氣流旁通到外涵道中，VBV提高了在低速時(shí)低壓壓氣機(jī)（LPC）和高壓壓氣機(jī)（HPC）的氣流匹配。LPCOMPRESSOR-低壓壓氣機(jī)；HPCOMPRESSOR-高壓壓氣機(jī);UNISSONRING-作動(dòng)環(huán)；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達(dá)；圖3.1VBV控制系統(tǒng)3.1VBV系統(tǒng)低速時(shí)，低壓壓氣機(jī)提供的空氣流量遠(yuǎn)大于高壓壓縮機(jī)所能接受的流量。為了提供更合適的氣流，我們?cè)谏龎簷C(jī)和高壓壓氣機(jī)機(jī)之間安裝上VBV控制系統(tǒng)。在低速時(shí)，VBV是全開(kāi)的，并將部分升壓機(jī)排入高壓壓氣機(jī)（HPC）的空氣旁通入外涵道中以此來(lái)避免低壓壓氣機(jī)（LPC）失速。在高速時(shí)，VBV是關(guān)閉的。3.1.1VBV結(jié)構(gòu)組成VBV位于風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中如圖3.2所示，并由以下部件組成：1）一個(gè)燃油伺服馬達(dá)2）一個(gè)止動(dòng)機(jī)構(gòu)3）一個(gè)主放氣閥4）11個(gè)可調(diào)放氣閥5）軟軸6）反饋式傳感器（角位移傳感器）電子控制組件（ECU）計(jì)算VBV的位置。液壓機(jī)械組件（HMU）通過(guò)專用燃油伺服閥開(kāi)度提供相應(yīng)的燃油壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)燃油伺服馬達(dá)。FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達(dá)；FUELPORTS-燃油口；FEEDBACKROD-反饋長(zhǎng)桿；POSITIONSENSOR(RVDT)-位置傳感器；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT-內(nèi)聯(lián)結(jié)軟軸；BLEEDVALVEANDMASTERBALLSCREWACTUATOR-主放氣閥和滾珠絲桿致動(dòng)器；STOPMECHANISM-止動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3.2VBV系統(tǒng)組成1、燃油伺服馬達(dá)燃油伺服馬達(dá)將高壓燃油流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)止動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一個(gè)隨動(dòng)螺母來(lái)定位主放氣閥。它是一個(gè)固定在止動(dòng)機(jī)構(gòu)后法蘭上的容積式齒輪馬達(dá)，有兩個(gè)內(nèi)嚙合直齒輪，并由滾針軸承支撐。主動(dòng)齒輪軸的密封采用碳密封。在輸出軸上安裝一個(gè)副唇形密封，并有一個(gè)排放裝置收集可能發(fā)生的任何內(nèi)部燃油泄漏，如圖3.3所示。電子控制組件（ECU）通過(guò)發(fā)送信號(hào)到液壓機(jī)械組件（HMU）中來(lái)控制燃油伺服閥的開(kāi)度來(lái)持續(xù)控制流到伺服馬達(dá)的燃油壓力和流量。STOPMECHANISM-止動(dòng)機(jī)構(gòu)；OUTPUTSHAFT-輸出軸；O-RINGSEAL-O型圈；SECONDARYLIPSEAL-副唇密封；CARBONSEALS-碳密封；BEARING-軸承；GEAR-齒輪；ATTACHINGPOITSTOSTOPMECHANISM-止動(dòng)機(jī)構(gòu)固定點(diǎn)；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達(dá)；OPENPORTTUBE-開(kāi)啟油管；CLOSEDPORTTUBE-關(guān)閉油管圖3.2燃油伺服馬達(dá)2、止動(dòng)機(jī)構(gòu)止動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑷加退欧R達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)限制一個(gè)準(zhǔn)確數(shù)量。這個(gè)數(shù)量是指VBV閥門(mén)執(zhí)行一個(gè)完整的行程(從關(guān)閉到最大打開(kāi)位置)所需的轉(zhuǎn)數(shù)。因此，這能為VBV系統(tǒng)的安裝和調(diào)整提供了參考位置。其后部法蘭有一個(gè)位置是來(lái)安裝位置傳感器的。止動(dòng)機(jī)構(gòu)位于燃油伺服馬達(dá)和主滾珠絲桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，如圖3.3所示，它主要的部件如下：1）一條軟軸軟軸連接著燃油伺服馬達(dá)輸出軸和主放氣閥滾珠絲桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的減速箱。2）一個(gè)隨動(dòng)螺母隨動(dòng)螺母隨著螺桿旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，當(dāng)它觸及安裝在螺桿兩端的止動(dòng)點(diǎn)時(shí)會(huì)說(shuō)明已經(jīng)到達(dá)活門(mén)開(kāi)關(guān)最大行程處，這時(shí)就會(huì)阻止燃油伺服馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。STOPMECHANISM-止動(dòng)機(jī)構(gòu)；DOGSTOPS-止動(dòng)點(diǎn)；FANFRAME-風(fēng)扇罩；PROTECTIVEBOOT-保護(hù)靴套；MAINFLEXIBLEDRIVESHAFT-主驅(qū)動(dòng)軸；SCREW-螺桿；FOLLOWERNUT-隨動(dòng)螺母圖3.3止動(dòng)機(jī)構(gòu)3、主放氣閥主放氣閥和滾珠絲杠致動(dòng)器是一個(gè)整體組件，如圖3.4所示，它將從燃油伺服馬達(dá)輸入的驅(qū)動(dòng)力傳輸?shù)狡溆?1個(gè)可變放氣閥（VBV’s）。它位于風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中支板10和支板11之間,主要部件如下：一個(gè)減速箱減速箱裝配有一對(duì)外嚙合直齒輪和兩對(duì)斜齒輪。燃油伺服馬達(dá)輸出軸傳輸?shù)街鞣艢忾y的動(dòng)力經(jīng)由減速箱的三對(duì)齒輪減速后傳遞到滾珠絲桿致動(dòng)器進(jìn)而控制活門(mén)的開(kāi)關(guān)。2）一個(gè)滾珠絲桿致動(dòng)器滾珠絲桿致動(dòng)器與閥門(mén)鉸接，直接驅(qū)動(dòng)主放氣閥的開(kāi)關(guān)。閥門(mén)通過(guò)一個(gè)反饋短桿與反饋長(zhǎng)桿鉸接，活門(mén)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)反饋長(zhǎng)桿把其具體位置傳遞給反饋式傳感器（RVDT）。MAINSHAFTSOCKET-主軸槽；FLEXIBLESHAFTSOCKET-軟軸槽；BALLSCREW-滾珠絲桿；TRANSLATINGNUT-變換螺母；PROTECTINGBOOT-保護(hù)靴套；INPUTSHAFTSOCKET-輸入軸槽；LINK-鉸鏈；BALLSCREWACTUATOR-滾珠絲桿致動(dòng)器；DOORPOSITIONFEEDBACKINDICATOR-閥門(mén)位置反饋指示圖3.4主放氣閥4、可調(diào)放氣閥其余11個(gè)可調(diào)放氣閥也是安裝在風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)風(fēng)扇罩相鄰支板間安裝一個(gè)，12個(gè)風(fēng)扇罩支板總共安裝了12個(gè)放氣閥（1個(gè)主放氣閥和11個(gè)可調(diào)放氣閥）。可調(diào)放氣閥參照主放氣閥相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是它們減速箱只有一對(duì)斜齒輪而不是主放氣閥減速箱那樣有一對(duì)直齒輪和兩對(duì)斜齒輪。可調(diào)放氣閥與主放氣閥同步運(yùn)動(dòng)，它們之間的聯(lián)動(dòng)是靠一系列的軟軸實(shí)現(xiàn)的。5、主驅(qū)動(dòng)軸主驅(qū)動(dòng)軸是一個(gè)撓性軸，它一端是六邊頭另一端是花鍵頭，如圖3.5所示?；ㄦI頭這端安裝有一條彈簧，當(dāng)操作時(shí)彈簧能保持軸在位以及有助于軸的拆裝。主驅(qū)動(dòng)軸是多股鋼索扭結(jié)在一起組成的，其在軸向上可以很靈活彎曲，耐扭性很強(qiáng)以便傳遞扭矩。主驅(qū)動(dòng)軸安裝在驅(qū)動(dòng)它的燃油伺服馬達(dá)和主放氣閥之間，如圖3.3所示。6、放氣閥位置傳感器放氣閥位置傳感器通過(guò)電反饋信號(hào)把VBV閥門(mén)的實(shí)時(shí)角位置傳輸給電子控制組件（ECU），ECU通過(guò)與其計(jì)算的指令位置比較后實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。它是一個(gè)旋轉(zhuǎn)差動(dòng)式傳感器并安裝在止動(dòng)機(jī)構(gòu)后法蘭上。它有兩條白色直刻槽標(biāo)線（一條在反饋短桿上一條在傳感器機(jī)體上），這兩個(gè)標(biāo)線在系統(tǒng)調(diào)整到參考全關(guān)位置時(shí)要對(duì)齊，如圖3.6所示。我們可以通過(guò)連接在傳感器反饋短桿上的反饋長(zhǎng)桿（圓棒）來(lái)調(diào)整到參考位置。FEEDBACKROD-反饋長(zhǎng)桿；FEEDBACKLEVER-反饋短桿；ALIGNMENTMARK-參考標(biāo)線圖3.6位置傳感器7、軟軸軟軸安裝在可調(diào)放氣閥之間，它一端是六邊頭另一端是雙正方形頭，如圖3.5所示。六邊頭這端安裝有一條彈簧，當(dāng)操作時(shí)彈簧能保持軸在位以及有助于軸的拆裝。軟軸是多股鋼索扭結(jié)在一起組成的，其在軸向上可以很靈活彎曲這樣方便周向分布活門(mén)之間的連接，耐扭性很強(qiáng)以便傳遞扭矩。MAINDRIVESHAFT-主驅(qū)動(dòng)軟軸；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT(TIPICAL)-內(nèi)連接軟軸圖3.5主驅(qū)動(dòng)軸和軟軸3.1.2鋼絲軟軸簡(jiǎn)介軟軸其和我們熟悉的普通軸一樣是用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的。除此之外，軟軸因?yàn)閺澢鷦偠容^小可以輕易實(shí)現(xiàn)軸向彎曲來(lái)避開(kāi)障礙物，這可以實(shí)現(xiàn)軸線不在同一直線的兩傳動(dòng)件的傳動(dòng)，同時(shí)其在振動(dòng)場(chǎng)所也能起到緩和沖擊的作用。依據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為鋼絲繞線式、聯(lián)軸器式和鋼絲彈簧式；依據(jù)其功能可分為“G型”動(dòng)力傳動(dòng)用軟軸和“K型”控制傳動(dòng)用軟軸。本文中所涉及到的VBV軟軸因?yàn)槠湫枰珳?zhǔn)控制和傳動(dòng)所以屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸，其層數(shù)和每層根數(shù)較多因而扭轉(zhuǎn)剛度較大能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和傳動(dòng)。1、鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)鋼絲軟軸屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸，其有一條芯棒，圍繞著芯棒是一層一層的彈簧鋼絲層，每層又是由多根機(jī)械性能一樣的彈簧鋼絲并緊繞制而成。相鄰兩層鋼絲層繞制方向相反，一層左旋，另一層右旋，如圖3.6和圖3.7所示。這樣在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)一層趨于擰松一層趨于擰緊，使得各層之間趨于擰緊；其旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)使最外層鋼絲擰緊是最好的。圖3.6鋼絲軟軸模型結(jié)構(gòu)圖3.7鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)2、鋼絲軟軸規(guī)格鋼絲軟軸屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸。根據(jù)機(jī)械手冊(cè)中對(duì)于“K型”鋼絲軟軸的軸心和各層鋼絲根數(shù)其規(guī)格如圖3.8所示。圖3.8K型鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)規(guī)格3.1.3鋼絲軟軸操控原理VBV閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.7所示。電子控制組件（ECU）使用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)根據(jù)內(nèi)部控制法則來(lái)計(jì)算出VBV的指令位置。信號(hào)傳遞到液壓機(jī)械組件（HMU）中通過(guò)控制燃油伺服閥的開(kāi)度來(lái)把電信號(hào)轉(zhuǎn)化輸出為伺服馬達(dá)需要的燃油壓力和流量。伺服燃油在燃油伺服馬達(dá)中轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)后驅(qū)動(dòng)由主驅(qū)動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主驅(qū)動(dòng)軟軸經(jīng)由減速箱減速后借助滾珠絲桿機(jī)構(gòu)控制主放氣活門(mén)的開(kāi)動(dòng)，同時(shí)主活門(mén)的滾珠絲桿機(jī)構(gòu)通過(guò)其余11根軟軸同步傳動(dòng)控制其余11個(gè)放氣活門(mén)的開(kāi)動(dòng)，如圖3.2所示。3.1.4VBV系統(tǒng)邏輯VBV閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.7所示。電子控制組件（ECU）使用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)根據(jù)內(nèi)部控制法則來(lái)計(jì)算出VBV的指令位置。信號(hào)傳遞到液壓機(jī)械組件（HMU）中通過(guò)控制燃油伺服閥的開(kāi)度來(lái)把電信號(hào)轉(zhuǎn)化輸出為伺服馬達(dá)需要的燃油壓力和流量。伺服燃油在燃油伺服馬達(dá)中轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)后經(jīng)由主驅(qū)動(dòng)軸控制主放氣閥的開(kāi)關(guān)。閥門(mén)的位置經(jīng)由反饋桿機(jī)械反饋到傳感器中，傳感器把這個(gè)實(shí)時(shí)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后又反饋回ECU中與指令位置信號(hào)相比較來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制VBV的位置。ECU-電子控制組件；HMU-液壓機(jī)械組件；SERVO-CONTROLVALVE-燃油伺服閥；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達(dá)；STOPMECHANISM-止動(dòng)機(jī)構(gòu)；POSITIONSENSOR-位置傳感器；FEEDBACKROD-反饋長(zhǎng)桿；BALLSCREWACTUATOR-滾珠絲桿致動(dòng)器；FEEDBACKREVERSERARM-反饋短桿圖3.7VBV閉環(huán)控制ECU通過(guò)各種發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)參數(shù)來(lái)計(jì)算VBV指令位置，如圖3.8所示。1）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1）2）修正風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1K12）3）修正核心機(jī)速度（N2K25）4）環(huán)境靜壓力（P0）5）修正氣體總溫（T2）和HPC進(jìn)氣口溫度（T25）6）VSV指令7）油門(mén)解析器角度（TRA）8）馬達(dá)測(cè)試指令圖3.8VBV指令計(jì)算參數(shù)VBV系統(tǒng)邏輯的7個(gè)塊如圖3.9所示：1、VBV基線原則這個(gè)塊包含3個(gè)基線原則，它們是用來(lái)計(jì)算VBV指令位置的。這3個(gè)基線準(zhǔn)則是修正風(fēng)扇速度（N1K12）的函數(shù)。2、升壓機(jī)和高壓壓氣機(jī)匹配參數(shù)計(jì)算為了更有效地匹配兩個(gè)壓氣機(jī)，這是有必要去計(jì)算一個(gè)能體現(xiàn)它們當(dāng)前匹配的項(xiàng)。這個(gè)項(xiàng)是通過(guò)修正風(fēng)扇速度（N1K12），修正氣體總溫（T2），HPC進(jìn)氣口溫度（T25）,修正核心機(jī)速度（N2K25），和指示高壓壓氣機(jī)情況的VSV位置這些參數(shù)來(lái)計(jì)算的。3、VBV指令計(jì)算這個(gè)塊使用塊2中計(jì)算好的項(xiàng)和VBV基線來(lái)計(jì)算一個(gè)VBV指令位置。4、控制反推力偏差這個(gè)塊檢查油門(mén)位置。VBV在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)打開(kāi)來(lái)排氣，所以當(dāng)油門(mén)解析器角度（TRA）到達(dá)反推慢速上限時(shí)，這個(gè)塊會(huì)發(fā)送一個(gè)指令去增大VBV閥門(mén)的開(kāi)度。5、惡劣天氣修正，反推（T/R）修正和濾選根據(jù)環(huán)境靜壓力（P0）和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1）來(lái)判斷是否為惡劣天氣。如果是，VBV開(kāi)度就變大也就是高濕度的空氣進(jìn)入內(nèi)涵道的流量就少了，這樣能更好去除冰雹和水來(lái)阻止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。這個(gè)塊也接受塊4中的反推力偏差信號(hào)來(lái)計(jì)算反推門(mén)的開(kāi)度。最后，輸出信號(hào)會(huì)濾選在最小值和最大值之間來(lái)限制活門(mén)的行程來(lái)避免觸及止動(dòng)機(jī)構(gòu)中的止動(dòng)點(diǎn)。6、阻尼邏輯速率限制器的運(yùn)行邏輯限制VBV閥門(mén)在運(yùn)動(dòng)時(shí)速率的大小來(lái)減小機(jī)械磨損。7、VBV指令選擇這個(gè)功能選擇以下中的一個(gè)或者兩個(gè)輸出：1）測(cè)試信號(hào)：這個(gè)邏輯塊會(huì)根據(jù)FADEC靜態(tài)測(cè)試中馬達(dá)測(cè)試指令把VBV設(shè)立在全開(kāi)位或者全關(guān)位。它檢查VBV閥門(mén)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍是否正常。2）VBV指令信號(hào)：在正常操作中，塊6發(fā)出的信號(hào)會(huì)直接發(fā)送到塊7中然后輸出VBV指令并發(fā)送到VBV閉環(huán)控制回路中。圖3.9VBV系統(tǒng)邏輯塊VBV控制法則基線：VBV控制法則的三條基線是修正風(fēng)扇速度（N1K12）的函數(shù)，它來(lái)提供VBV位置的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖3.10所示。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)情況比如油門(mén)位置、惡劣天氣等來(lái)進(jìn)行修改。如圖3.10所示，VBV在低速時(shí)全開(kāi)，在達(dá)到巡航速度后全關(guān)。圖3.9VBV控制法則基線4基于故障樹(shù)的VBV系統(tǒng)故障原因定性分析4.1VBV系統(tǒng)故障樹(shù)根據(jù)3.1章節(jié)對(duì)VBV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹以及在日常維修中的記錄，我們可以看到導(dǎo)致VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因有：閥門(mén)故障、滾珠絲桿致動(dòng)器故障、鋼絲軟軸故障、止動(dòng)機(jī)構(gòu)故障、燃油伺服馬達(dá)故障、傳感器故障、液壓機(jī)械組件（HMU）故障。正對(duì)這些原因因素的邏輯關(guān)系，我們可以得到以下故障樹(shù)，如圖4.1所示。圖4.1VBV系統(tǒng)故障樹(shù)4.2VBV系統(tǒng)故障樹(shù)定性分析根據(jù)圖4.1所示的故障樹(shù)，我們定義其七個(gè)基本事件和頂事件如下表4.1所示。表4.1故障事件定義代碼YX1X2X3X4X5X6X7故障事件VBV系統(tǒng)閥門(mén)滾珠絲桿致動(dòng)器鋼絲軟軸止動(dòng)機(jī)構(gòu)燃油伺服馬達(dá)傳感器HMU根據(jù)圖4.1和表4.1，利用上行法，自下而上凡是有或門(mén)則輸出是輸入事件的邏輯和，則頂事件的結(jié)果邏輯表達(dá)式為：（4.1）在X1-X7這七個(gè)基本事件中，根據(jù)飛機(jī)飛行記錄和維修記錄，對(duì)基本事件的頻率大小排序如下：X3>X5>X4>X6>X1>X7>X2也就是說(shuō)CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因次數(shù)最多的三種分別是：鋼絲軟軸鉸斷、燃油伺服馬達(dá)漏油、止動(dòng)機(jī)構(gòu)卡阻。1、止動(dòng)機(jī)構(gòu)卡阻相比于CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)，CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)采用全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)。VBV系統(tǒng)采集除了CFM56-3要求的VSV的開(kāi)度信號(hào)外更多的信號(hào)來(lái)控制邏輯，如圖3.8所示。如此多的信號(hào)源使得VBV控制系統(tǒng)的靈敏度很高，任何一個(gè)參數(shù)的微小變化就可能使得VBV活門(mén)作動(dòng)。也就是說(shuō)，止動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)頻繁作動(dòng)使得隨動(dòng)螺母加速磨損，產(chǎn)生變形。有時(shí)甚至有高能沖撞，撞裂螺母，隨即止動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死，也就導(dǎo)致活門(mén)的卡阻，VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障。2、燃油伺服馬達(dá)漏油在航線維護(hù)中有因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)故障原因而導(dǎo)致航班延誤或取消；而發(fā)動(dòng)機(jī)故障中燃油伺服馬達(dá)漏油是首要因素。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷發(fā)啟動(dòng)時(shí)，尤其是在冬天溫度較低的時(shí)候，燃油伺服馬達(dá)里的橡膠密封圈由于外界溫度原因收縮較大，而流過(guò)的燃油溫度不足以使密封圈及時(shí)完全膨脹，使得密封圈密封存在短暫間隙，從而高壓燃油便會(huì)漏出，這是正?，F(xiàn)象。但燃油伺服馬達(dá)可能由于磨損而出現(xiàn)漏油，這是要值得注意的。在磨損原因中齒輪表面和軸承板之間過(guò)度磨損、軸承磨損并過(guò)熱和主軟軸碳封嚴(yán)磨損是主要原因。3、鋼絲軟軸鉸斷VBV系統(tǒng)采用機(jī)械傳動(dòng)的方式，那么其位置的調(diào)定往往是保證機(jī)構(gòu)正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)的首要因素。而這些調(diào)定工作由于存在人為因素差錯(cuò)會(huì)不能保證是真正調(diào)定到參考位置。比如止動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)到全關(guān)參考位置或者連接主鋼絲軟軸軸時(shí)松動(dòng)了隨動(dòng)螺母，這會(huì)導(dǎo)致活門(mén)已經(jīng)全關(guān)時(shí)，燃油伺服馬達(dá)因?yàn)殡S動(dòng)螺母未到達(dá)止動(dòng)點(diǎn)而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)作用在鋼絲軟軸的力矩過(guò)大，造成鋼絲軟軸鉸斷，VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障。5基于ANSYSWorkbench仿真的鋼絲軟軸剛度研究由4.2章節(jié)可知，在VBV系統(tǒng)故障原因中，鋼絲軟軸出現(xiàn)的頻率最大，可見(jiàn)其性能的保證是VBV系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)確控制的首要因素。那么我們就很有必要對(duì)鋼絲軟軸這個(gè)零件做研究。鋼絲軟軸在VBV系統(tǒng)中是起傳動(dòng)控制的作用，要想實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，那么對(duì)于鋼絲軟軸的剛度要求就要很高。鑒于此，本章運(yùn)用ANSYSWorkbench仿真軟件研究鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響。5.1仿真模型建立5.1.1模型簡(jiǎn)化由3.1.1章節(jié)我們可以看到鋼絲軟軸又三部分組成，其前端是六邊頭中部是鋼絲軟軸后端是花鍵頭，如圖5.1所示。其前后端與中部的軟軸是剛性連接，其約束載荷可以認(rèn)為是無(wú)損失傳遞到鋼絲軟軸兩段。所以，在ANSYS分析中，為了減小工作量和方便載荷約束施加，我們可以把前后端的剛性結(jié)構(gòu)看做一個(gè)節(jié)點(diǎn)，只需要針對(duì)中間部分的鋼絲軟軸進(jìn)行建模分析即可。圖5.1軟軸實(shí)物圖5.1.2基于SolidWorks的鋼絲軟軸模型建立ANSYSWorkbench中有DesignModeler模塊可以進(jìn)行幾何模型的建立，但是其操作步驟相較于SolidWorks比較繁瑣。所以我采取在SolidWorks中把模型建好再導(dǎo)入ANSYSWorkbench的DesignModeler模塊中進(jìn)行分析。DesignModeler可以讀取的外部CAD模型格式有：UGNX（*.prt）、Pro/ENGINEER（*.prt，*.asm）、SolidWorks（*.sldprt，*.sldasm）、IGES（*.igs，*.iges）、STEP（*.stp，*.step）等等本文中采用在SolidWorks中建好模型保存為*.step格式后導(dǎo)入DesignModeler中進(jìn)行分析。在SolidWorks建模中使用拉伸掃描命令來(lái)建立鋼絲軟軸的三維模型，其結(jié)果如圖5.2所示。圖5.2鋼絲軟軸建模5.2ANSYSWorkbenchStaticStructural簡(jiǎn)介5.2.1ANSYSWorkbench簡(jiǎn)介ANSYSWorkbench是ANSYS公司為了把其旗下的所有軟件包括其收購(gòu)的軟件都整合在一起的一個(gè)新一代協(xié)同仿真工作平臺(tái)。其操作簡(jiǎn)單，方便快捷，很適合初學(xué)者進(jìn)行ANSYS有限元分析學(xué)習(xí)。其操作很符合工程分析思維，操作模塊化，流程非常清晰。ANSYSWorkbench能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析和流體動(dòng)力學(xué)分析。5.2.1StaticStructural簡(jiǎn)介StaticStructural是ANSYSWorkbench靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析集成模塊。本文中研究鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響就是要運(yùn)用StaticStructural集成模塊，其包含的模塊如圖5.3所示。其各個(gè)模塊的含義如下：1、EngineeringData這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)模型材料屬性的定義，包括密度、彈性模量、泊松比和剪切模量。Geometry這個(gè)模塊可以直接讀入符合格式的模型信息也可以啟動(dòng)DesignModeler應(yīng)用程序進(jìn)行建模。3、Model這個(gè)模塊啟動(dòng)Mechanical應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分控制、約束載荷施加、求解和結(jié)果顯示。Setup——設(shè)置、Solution——求解和Results——結(jié)果這三個(gè)模塊都集成到Model中的Mechanical應(yīng)用程序中。StaticStructural操作流程是上而下：1）先在EngineeringData中定義材料屬性。本論文中所賦予的材料是普通彈簧鋼，密度（Density）：7850kg/m3，彈性模量（Young’sModulus）:209Gpa，泊松比（Poission’sRatio）：0.3，剪切模量（ShearModulus）：80Gpa2）接著在Geometry模塊中右鍵讀入預(yù)先在SolidWorks中建模后另存為*.step格式的幾何模型文件。3）然后在Model模塊中右鍵啟動(dòng)Mechanical應(yīng)用程序進(jìn)行對(duì)幾何模型的材料定義、網(wǎng)格劃分控制、施加約束載荷，求解得到結(jié)果。圖5.3StaticStructural5.3鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其彎曲剛度KM的影響研究由3.1.2章節(jié)我們可以看到鋼絲軟軸有一條芯棒，圍繞著芯棒是一層一層的彈簧鋼絲層，每層又是由多根機(jī)械性能一樣的彈簧鋼絲并緊繞制而成。如圖3.7所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)包括：1、芯棒直徑d02、第i層鋼絲直徑di3、層數(shù)m4、第i層鋼絲根數(shù)zi本章將研究4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度的影響。在StaticStructural中對(duì)鋼絲軟軸施加的約束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一個(gè)向下的F=10N的力（Force），取軟軸長(zhǎng)度l=30mm,網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)方法（HexDominantMethod），網(wǎng)格單元尺寸（ElementSize）取0.1mm,求解時(shí)插入總體變形（TotalDeformation）看其在F作用下的撓度。把鋼絲軟軸看做是一根一端固定的懸臂梁，根據(jù)材料力學(xué)中懸臂梁最大撓度f(wàn)B公式：（5.1）可知，當(dāng)Fl3一定時(shí)，其最大撓度f(wàn)B與其彎曲剛度KM成發(fā)比例關(guān)系。也就是彎曲剛度KM可以轉(zhuǎn)化為對(duì)最大撓度f(wàn)B的比較。5.3.1芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對(duì)不同芯棒直徑d0進(jìn)行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1不同芯棒直徑d0模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號(hào)Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.62xφ0.3Φ0.9Φ1.20.62Φ0.72xφ0.3Φ1.0Φ1.30.63Φ0.82xφ0.3Φ1.1Φ1.40.64Φ0.92xφ0.3Φ1.2Φ1.50.65Φ1.02xφ0.3Φ1.3Φ1.60.66Φ1.12xφ0.3Φ1.4Φ1.70.67按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到撓度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.4所示。d0=0.5d0=0.6d0=0.7d0=0.8圖5.4不同芯棒直徑d0仿真結(jié)果根據(jù)圖5.4所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著芯棒直徑d0的變大，彎曲剛度KM先變大后變小，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)鋼絲軟軸軸芯棒時(shí)在滿足其強(qiáng)度的條件下盡可能選擇小的直徑。鋼絲軟軸軸芯棒直徑d0按照彎扭合成來(lái)計(jì)算強(qiáng)度的公式是：（5.2）5.3.2第i層鋼絲直徑di對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究第i層鋼絲直徑di對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對(duì)不同鋼絲直徑di進(jìn)行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.2所示。表5.2不同鋼絲直徑di模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號(hào)Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.52xφ0.4Φ0.9Φ1.20.88Φ0.52xφ0.5Φ1.0Φ1.31.09Φ0.52xφ0.6Φ1.1Φ1.41.210Φ0.52xφ0.7Φ1.2Φ1.51.411Φ0.52xφ0.8Φ1.3Φ1.61.612Φ0.52xφ0.9Φ1.4Φ1.71.813按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.5所示。di=0.3di=0.4di=0.5di=0.6圖5.5不同鋼絲直徑di仿真結(jié)果根據(jù)圖5.5所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著鋼絲直徑di的變大，彎曲剛度KM先變大后變小再變大。那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候就要避開(kāi)使彎曲剛度KM減小的鋼絲直徑di。5.3.3層數(shù)m對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究層數(shù)m對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對(duì)不同層數(shù)m進(jìn)行建模。1、當(dāng)芯棒直徑d0一定時(shí)，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.3所示。表5.3d0一定層數(shù)m模型數(shù)據(jù)d0第一層第二層第三層第四層第五層第六層編號(hào)Φ0.52xφ0.31Φ0.52xφ0.32xφ0.314Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.315Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.316Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.317Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.318按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.6所示。m=1m=2m=3m=4圖5.6d0一定層數(shù)m仿真結(jié)果根據(jù)圖5.6所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：當(dāng)軸芯棒直徑d0一定時(shí)，隨著鋼絲層數(shù)m逐漸變大，彎曲剛度KM也隨著變大。那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候可以隨著鋼絲軟軸公稱直徑的增大而增加層數(shù)m。2、當(dāng)芯棒直徑d0和公稱直徑D一定時(shí)，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.4所示。表5.4d0&D一定層數(shù)m模型數(shù)據(jù)d0第一層第二層第三層第四層第五層編號(hào)Φ0.52xφ1.719Φ0.52xφ0.72xφ1.020Φ0.52xφ0.32xφ0.62xφ0.821Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.52xφ0.622Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.42xφ0.423按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.7所示。m=1m=2m=3m=4圖5.7d0&D一定層數(shù)m仿真結(jié)果根據(jù)圖5.7所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：當(dāng)軸芯棒直徑d0和軟軸公稱直徑D一定時(shí)，隨著鋼絲層數(shù)m逐漸變大，彎曲剛度KM先變小后變大再變小。那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候就要避開(kāi)使彎曲剛度KM減小的鋼絲層數(shù)m。5.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究第i層鋼絲根數(shù)zi對(duì)鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對(duì)不同第i層鋼絲根數(shù)zi進(jìn)行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.5所示。表5.5不同第i層鋼絲根數(shù)zi模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號(hào)Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.53xφ0.3Φ0.8Φ1.10.924Φ0.54xφ0.3Φ0.8Φ1.11.225Φ0.55xφ0.3Φ0.8Φ1.11.526Φ0.56xφ0.3Φ0.8Φ1.11.827Φ0.57xφ0.3Φ0.8Φ1.12.128Φ0.58xφ0.3Φ0.8Φ1.12.429按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.8所示。z=2z=3z=3z=4根據(jù)圖5.8所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著當(dāng)層鋼絲根數(shù)z的逐漸增加，彎曲剛度KM先變大后變小。那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候就要選擇使彎曲剛度KM最大的鋼絲根數(shù)z。5.4鋼絲軟軸的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響研究本章將研究5.3章節(jié)所提到的4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度的影響。在StaticStructural中對(duì)鋼絲軟軸施加的約束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一個(gè)T=1000N.mm的扭矩（Moment），取軟軸長(zhǎng)度l=30mm,網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)方法（HexDominantMethod），網(wǎng)格單元尺寸（ElementSize）取0.1mm,添加局部柱坐標(biāo)系，求解時(shí)插入用戶自定義結(jié)果（UserDefineResult）用表達(dá)式UY/R輸出扭轉(zhuǎn)角φ。把鋼絲軟軸看做是一根一端固定的圓軸，根據(jù)材料力學(xué)中圓軸扭轉(zhuǎn)角φ公式：（5.1）可知，當(dāng)Tl一定時(shí)，其扭轉(zhuǎn)角φ與其扭轉(zhuǎn)剛度KT成反比例關(guān)系。也就是扭轉(zhuǎn)剛度KT可以轉(zhuǎn)化為對(duì)扭轉(zhuǎn)角φ的比較。5.3.1芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響為研究芯棒直徑d0對(duì)鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響，我們需針對(duì)不同芯棒直徑d0進(jìn)行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.6所示。表5.6不同芯棒直徑d0模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號(hào)Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.62xφ0.3Φ0.9Φ1.20.62Φ0.72xφ0.3Φ1.0Φ1.30.63Φ0.82xφ0.3Φ1.1Φ1.40.64Φ0.92xφ0.3Φ1.2Φ1.50.65Φ1.02xφ0.3Φ1.3Φ1.60.66Φ1.12xφ0.3Φ1.4Φ1.70.67按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扭轉(zhuǎn)角結(jié)果，由于模型較多，取其中4個(gè)有代表性的仿