航空發動機附件機匣殼體變形分析

李錦花，史妍妍，張茂強，劉洋，侯明曦

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

航空發動機附件機匣殼體變形分析

李錦花，史妍妍，張茂強，劉洋，侯明曦

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

研究工作狀態下附件機匣的殼體變形，對于提高航空發動機的安全性、可靠性具有重要意義。結合使用MASTA軟件和ANSYS軟件，綜合考慮齒輪、軸、軸承和殼體等零部件的變形及其在傳動過程中的相互影響，得到真實的軸承載荷和殼體變形結果，并提出通過計算齒輪軸平行度的方法對殼體變形量進行評估的方法。此外，采用杠桿砝碼加載，模擬實際工作中扭矩傳遞的殼體變形試驗方法。將試驗值與計算值進行對比分析可知，二者雖然存在一定誤差，但量級基本一致，該方法可作為機匣殼體變形試驗的1種探索性測量方法。

附件機匣；軸承載荷；殼體變形；平行度；變形試驗

0 引言

附件機匣是用于航空發動機動力傳輸的齒輪箱式傳動裝置，其內部有多對齒輪嚙合傳動機構，將動力傳輸給多個發動機附件[1]。殼體材料通常采用密度較小的鑄造鎂合金或鑄造鋁合金以減輕附件機匣質量，同時利用變壁厚殼體和合理的加強筋分布結構提高殼體剛度及其承載能力[2-3]。受到軸承載荷和傳動附件安裝彎矩的影響，殼體在工作狀態下不可避免地存在一定程度的彈性變形，而過大的彈性變形將影響齒輪傳動精度，降低齒輪接觸強度及縮短其疲勞壽命，造成機匣異常磨損。隨著航空發動機推重比的提高，附件機匣進一步向高速、重載、輕質量方向發展。因此，研究在工作狀態下附件機匣殼體變形，對于航空發動機工作的安全性、可靠性具有重要的意義。

本文基于在工作狀態下軸承載荷的計算，進行了殼體變形量計算及對傳動精度的影響分析，并研究1種機匣殼體變形的試驗測量方法。

1 軸承載荷計算

殼體對附件機匣內的傳動部件起到支撐、定位作用，工作中要承受各種載荷而發生變形。齒輪間的嚙合關系、傳遞誤差、以及相互作用的變形等諸多因素都將影響齒輪嚙合產生的沿軸承徑向和軸向的載荷。因此，進行機匣殼體變形分析，首先要準確計算軸承載荷[4]。

1.1軸承載荷計算理論

通過分析附件機匣內各齒輪軸承受的載荷及載荷在兩端支撐軸承間的分配，計算殼體在各軸承安裝孔位置承受的載荷。首先對各齒輪進行受力計算，該結構中存在2種齒輪形式：弧齒錐齒輪和圓柱齒輪。在絕對理想條件下,即：無任何制造、裝配誤差；無軸承間隙；所有零部件為剛體；傳動系統中2根軸應是彼此平行的，對應2齒輪中心線之間也絕對平行。則弧齒錐齒輪嚙合產生3個方向的力：切向力Ft1、徑向力Fr和軸向力F x，分別如式（2）～（4）所示；而圓柱齒輪嚙合只產生2個方向的力：切向力Ft2和法向力Fn，分別如式（5），（6）所示[5]。

式中：P為齒輪傳動功率；T1、T2分別為錐齒輪和圓柱齒輪扭矩；d1、d2分別為分度圓直徑；α、α'分別為錐齒輪和圓柱齒輪壓力角；β為錐齒輪螺旋角；δ為錐齒輪分度圓錐角。

根據齒輪受力結果，進行齒輪軸兩端軸承受力分析，得到軸承載荷，如圖1所示。

圖1 軸承載荷

1.2軸承載荷計算結果

由于加工和裝配存在誤差，以及在載荷作用下軸、軸承、箱體等零部件的變形，將影響工作狀態下2根軸的平行關系。2軸之間存在的平行度誤差和齒輪的齒向公差，使齒輪嚙合時產生了軸向力，同時改變了齒輪上徑向力和切向力大小。采用Masta軟件進行軸承載荷計算，考慮殼體和齒輪軸實際剛度的影響，通過ansys軟件提取殼體和齒輪軸的剛度矩陣[6]，與Masta軟件基本模型關聯，建立完整模型，如圖2所示。圖中序號為齒輪軸的編號，與表1～4中的相對應。

圖2 基于系統分析的軸承載荷計算模型

合理設置邊界條件，準確定義齒輪軸轉速、轉向和負載情況。通過計算求解，考慮齒輪間的嚙合關系、傳遞誤差、以及相互作用的變形等因素得到各軸承工作載荷，部分軸承載荷見表1。

表1 軸承載荷N

2 殼體變形分析

2.1有限元計算

由于機匣結構的復雜性，其變形計算主要采用有限元方法，本文分析的附件機匣殼體由前中后3個殼體通過螺栓連接組成，殼體上一些細小的特征對結構的變形分析影響較小，如螺栓孔、過渡圓角、倒角、油路孔、噴嘴等，在保證分析可靠性的前提下將這些微小特征刪除，目的是在盡可能反映殼體基本特性的前提下簡化模型[7-8]。

在工作時，該機匣通過2個吊耳和1個止口固定在發動機上，為使計算結果準確，需正確施加邊界約束[9]。在止口處施加全約束，在2個吊耳處施加垂向和軸向約束。在各軸承中心孔施加軸承載荷，并將該點與軸承孔節點建立剛性連接，約束的有限元模型如圖3所示。通過有限元求解，得到機匣變形情況如圖4所示，最大變形量為0.1mm。

圖3 機匣有限元模型

圖4 總位移

2.2變形量評估

機匣殼體變形量大影響安裝在其上的軸承，殼體軸承孔偏斜，會使軸承內、外圈錯位，從而使軸承內部滾動體不再按理想狀態運轉，縮短軸承實際使用壽命，錯位過大甚至導致軸承早期失效；機匣殼體變形量大，還會使軸承發生偏移，導致齒輪軸偏斜，齒輪軸平行度誤差大，齒輪發生錯位。錯位量大小對齒輪承載能力、傳動時的振動和噪聲都有直接影響。

因此，首先利用3坐標測量儀器測得殼體上各襯套孔位置度數值，考慮熱態變形影響[10]以進行準確分析；再通過機匣變形計算，提取各軸承中心孔位置的位移變化量，見表2。對各齒輪軸的偏斜角和平行度進行計算，進而對機匣變形情況進行評估。1種工況下機匣變形引起部分齒輪軸偏斜量的計算結果見表3。國外某型發動機對齒輪軸的平行度要求為Φ= 0.03mm/100mm，從計算結果看，5齒輪軸的平行度相當于Φ=0.053mm/100mm?？梢?，機匣殼體的變形影響了齒輪軸位置精度，該機匣局部變形較大。

表2 殼體襯套孔位置的位移變化量mm

表3 機匣變形引起齒輪軸偏斜量計算

3 殼體變形試驗

機匣上固定各型附件，并在工作中為附件傳送動力，在各附件安裝座處承受各附件的傳遞扭矩和各附件自重產生的彎矩作用。經計算分析，附件自重產生的彎矩對機匣的變形影響很小。因此，在機匣靜態變形試驗中僅在各附件安裝位置施加工作扭矩，而忽略附件彎矩的影響。

試驗方法及步驟：

（1）將附件機匣按照發動機實際裝配狀態固定到試驗臺上；

（2）在殼體軸承孔位置安裝千分表，在試驗前將表調零，并記錄初始值；

（3）試驗時，在附件機匣各安裝座處采用杠桿砝碼加載，加載量為額定扭矩值；

（4）加載后保持30 s，讀表記錄值；

（5）卸去各安裝座處載荷，保持30 s，讀表記錄值。

試驗測量結果為殼體襯套孔上受力位置點的徑向位移，同時提取相同位置點的位移計算結果，徑向變大為正，試驗結果與計算結果對比見表4。由于受千分表數量的限制，僅對變形較大位置點進行測量。結果顯示，中殼體的試驗值與計算值相差較大，而前殼體的差別不大。經分析認為：中殼體是機匣的主殼體，5、6軸側殼體的軸向尺寸較大，且殼體是薄壁結構，又無加強筋，因此在工作中變形較大，前殼體軸向尺寸變形相對較小；而有限元建模是將前、中、后殼體建成一體結構，這對變形量較大的中殼體影響相對較大。但計算結果和試驗結果數量級基本一致，可以判定該測量方法基本合理。

表4 試驗值與計算值對比mm

4 結束語

計算時綜合考慮齒輪、軸、軸承和殼體等零部件的變形及其在傳動過程中的相互影響，與工程實際更接近，分析更準確。

針對殼體變形結果，從影響齒輪軸平行度角度分析，可以對殼體變形進行量化評價，為殼體的結構優化提供計算依據。

[1]《航空發動機設計手冊》總編委會.航空發動機設計手冊：第12冊[M].北京：航空工業出版社,1999：539-650.

Aircraft Engine Design Manual Editorial Board.Aircraft engine designmanual：12th[M].Beijing：Aviation Industry Press,1999：539-650.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010：1-40.

WEN bangchun.Handbook ofmechanical design[M].Beijing：Machinery Industry Press，2010：1-40.

[3]林基恕.航空燃氣渦輪發動機機械系統設計[M].北京:航空工業出版社，2005：118-167.

LIN jishu.Aviation gas turbine engine mechanical system design[M].Beijing：Aviation Industry Press，2005：118-167.

[4]楊文碩，滿志強.齒輪減速箱體的結構力學分析[J].哈爾濱科學技術大學學報，1995，19（3）：94-98.

YANG wenshuo，MAN zhiqiang.Gear box structuremechanics analysis[J].Journal of Harbin University of science and Technology，1995，19（3）：94-98.

[5]朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2010：114-171.

ZHU xiaolu.Handbook of gear design[M].Beijing：Chemical Industry Press，2010：114-171.

[6]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：340-410.

WANG xinmin.ANSYS numerical analysis of engineering structure[M].Beijing：China Communications Press，2007：340-410.

[7]杜雪松，朱才朝，劉偉輝.船用齒輪箱剛度評價方法的研究[J].船舶力學，2012，16（1-2）：165-170.

DU xuesong，ZHU caichao，LIU weihui.Marine gear stiffness evaluation method research[J].Journal of Ship Mechanics，2012，16（1-2）：165-170.

[8]郭愛貴，范為民，魏靜.太重III型風力發電增速齒輪箱有限元分析[J].機械傳動，2000，33（6）：55-60.

GUO aigui，FAN weimin，WEI jing.Taiyuan Heavy Machinery Group III wind power gear box finite element analysis[J]. Mechanical Transmission，2000，33（6）：55-60.

[9]黃壽偉，宋迎東.某型發動機附件傳動機匣應力分析[J].航空發動機，2008，34（4）:30-33.

HUANG shouwei，SONG yingdong.Engine accessory drive casing stress analysis[J].Aeroengine，2008，34（4）:30-33.

[10]史妍妍，孫志禮，李國權,等.附件機匣穩態熱分析方法研究[J].機械設計，2009，26（6）：13-15.

SHI yanyan，SUN zhili，LI guoquan.et al.Accessory engine case study of steady state thermal analysis method[J]. Mechanical Design，2009，26（6）：13-15.

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

2012-03-29

李錦花（1981），女，碩士，工程師，從事航空發動機傳動系統設計工作。