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2011年4月16日
(学号):
摘要
本课题以某型号航空发动机为载体,为了适应现代航空发动机的不断转型、不断需要更加先进的方法和设备来检测和校验航空发动机的相关性能而设计出与其相匹配的试车台架。
在航空发动机无论是批准出厂还是性能检测和维修中,试车台架参与了所有这一切的试验过程,为保证和提高发动机性能做出了卓越的贡献。
要求掌握航空发动机的工作原理,学习机械振动、力学等方面的知识,结合已学机械设计、机械原理等方面的知识,确定合理的设计方案,利用计算机辅助绘图软件(PRO/E、UG、AUTOCAD)对试车台架各组成部分进行建模、装配及仿真,并绘制二维平面图形。
建模过程严格遵循机械设计的基本原来和方法,做到结构合理、达到预定设计要求、便于加工、结构简单并尽量的标准话;
通过三维软件的虚拟装配检察干涉和整体的合理性;
通过机构仿真检验是否满足预期的运动。
通过认真的学习和讨论,设计出了满足预定要求的机械产品。
关键字:
航空发动机,试车台架,机械设计
ADesignforCertainTypeTurbo-shaftAviationEngineTestFacility
Abstract
Thistopicwithsomemodelnumberaviationmotorforcarryabody,forthesakeoforientationmodernaviationmotorofcontinuouslytransformation,continuouslyneedmoreadvancedmethodandequipmentstoexaminetherun-insetthatcheckstherelatedfunctionofaviationmotorbutdesignstomutuallymatchwithitwithschool.Regardlessgrantanafactorystillafunctionexaminationandmaintainintheaviationmotorin,testthecarsettheontrialprocessthatparticipatedinallalltheses,forpromiseandraisedmotorfunctiontodotooutstandinglycontribute.Theworkprinciplethatrequeststocontrolanaviationmotorstudiestheknowledgeofmachinevibration,andmechanics...etc.,combiningtheknowledgeoflearningthemachinedesign,andmachineprinciple...etc.makessureareasonabledesignprojectalready,makeuseofthecalculatorassistancepaintingsoftware(PRO|E,UGandAUTOCAD)torun-insetBeeachtoconstituteparttocarryonamodel,assembleandimitatereally,anddrawtwo-dimensionalflatsurfacesketch.Themodelprocessstrictlyfollowsamachinedesignofbasicoriginallyandmethod,attainstructurereasonable,attaintoscheduletodesigntorequest,easytoprocess,structureinbriefcombineasfaraspossiblestandardwords;
Passthevirtualassembleof3DsoftwarecheckChainterferenceandwholerationality;
Imitateifthetrueexaminationsatisfiesanticipantsportthroughanorganization.
Passearneststudyanddiscussion,designedtosatisfytoscheduletorequestofmachineproduct.
KeyWords:
Aviationmotor,run-inset,themachinedesigns
目录
摘要ⅰ
Abstractⅱ
第一章引言1
1.1航空发动机试车台架概况1
1.2论文的主要内容15
第二章试车台架方案设计20
2.1设计要求10
2.2确定方案15
2.3确定设计方法10
2.4具体实施的步骤15
第三章航空发动机试车台架结构设计20
3.1航空发动机试车台架前安装节部分设计10
3.2航空发动机试车台架后安装节部分设计15
3.3航空发动机试车台架进气装置部分设计15
3.4航空发动机试车台架前、后安装板凳部分设计15
3.5航空发动机试车台架与测功器连接部分设计15
3.6航空发动机试车台架总体安装部分设计15
3.7航空发动机试车台架前安装节部分螺栓强度校核10
第四章航空发动机试车台架结构建模及运动仿真20
4.1PRO\E5.0软件简介10
4.2PRO\E5.0软件基本建模环境15
4.3PRO\E5.0建模15
4.3PRO\E5.0装配15
4.4PRO\E5.0运动仿真15
第五章总结与展望XX
参考文献XX
致谢XX
附录XX
第一章引言
1.1航空发动机试车台架概况
航空发动机试车台架就是用来对发动机性能进行测试衡量检修的支撑部件,台架设计的合理与否关系到发动机测试能否正确的反映出其实际的性能,它作为发动机测试系统的一员担负着巨大的使命。
虽说是给航空发动机作为试车台架用,实质上就是纯粹的机械结构等内容的设计,毕竟它不需要上天,也没必要刻意的减轻它重量和采用优质的材料。
目前为止只要是存在航空发动机生产试车、检测、维修等场所,无例外的会出现它的身影。
台架的合理与否关系到发动机测试能否正常的反映出其实际的性能,它作为发动机测试系统的一员担负着巨大的使命。
国内情况:
目前我国的发动机设车台架的配备部队情况极为罕见,仅各大研究机构和发动机生产检修工厂里配备,而且数量少的可怜,一方面反映了我国自主研发的航空发动机数量少,另一方面也反映了发动机试车台架所组成的设备的复杂性和经济费用高昂。
据考察,目前军工厂中使用的试车台架极少有创新和满足现在机型发展的需要,老一辈的设计者设计的台架现在仍然在继续的使用。
国外情况:
据了解,(以美国为例)现在已经配备到了旅一级,这也就是说,其旅一级的部队就已经具备了航空发动机的试车检测及维修的技术及其设备。
这对真正的实战提高部队二次战斗力有了可靠的保障。
目前最好的测功机是德国生产的水力测功机,其中很大的一部分是水力循环系统。
我国也大量的进口以满足试车的需要,但是美国已经出现了性能更加完备的空气测功机,它的出现使得试车的体积和结构上大大的减小,也提高了试车的可靠及安全性;
并且已经配备到可移动的试车台架上,使得可移动的试车平台更加的灵活和接近真实的航空发动机工作的环境。
而现阶段我们对发动机台架的研究和设计甚少,为了更好的测试发动机而设计。
航空发动机试车台架设计和其他机械设计一样,也遵循着机械设计的一般步骤,但是它的环境苛刻要求较高。
为此能够更好的深刻学习机械设计及其优化设计理论。
常州蓝翔机械是我国少有的几个中航工业集团下属的军工企业,为我国的航空事业在航空发动机生产、试车、研发等方面做出了重要的贡献。
此次之行,主要的任务之一就是实际的参观其发动机试车台架的具体结构,对前期的准备的内容有了实际的概念,之前和公司的一位师傅探讨的东西(比如:
航空发动机前后安装节的结构),因为从未见过所以怎么讲都不明白是什么样的原理和结构,看过实体才能更好的消化和吸收。
台架部分的还不够,毕竟这是为航空发动机服务的,所以我们又参观了某型号涡轴航空发动机,这也是我第一次见到真正的涡轴发动机。
1.2论文的主要内容
航空发动机试车台架的设计是一个并非单一系统的机械设计,它要综合考虑到很多的情况(自我感觉最深刻的是航空发动机的排气管位置及大小所占据的空间对设计有很大的影响,一开始自己就没能注意到这部分的情况,导致走了很多弯路。
)及各个系统配合的问题。
这就需要设计者能够把握很多的信息及解决的方案。
第一章主要介绍了航空发动机试车台架的具体的功用及国内外航空发动机试车台架使用的情况的对比,突出航空发动机试车台架存在的现实价值;
第二章主要是为了能够设计航空发动机试车台架而进行的最初的了解及其对航空发动机试车台架感性的认识;
明确航空发动机试车台架设计要求,根据提出的要求进行方案的设计及论证;
说明航空发动机试车台架设计拟定的设计方法及具体实施的步骤,明确方法及步骤可以更有效的完成预定的设计任务;
第三章的详细设计是航空发动机试车台架设计部分的主体,花费的时间和资源也最多,也是体现机械设计水平及设计合理性的最好证明;
对以上章节的校核,也是体现机械设计中很重要的必要步骤,是验证设计的好坏的一个方面;
第四章的航空发动机试车台架结构建模及仿真是用软件的方式进行部件的虚拟装配及仿真运动;
在装配过程中不断地发现新的问题,比如:
零部件间的干涉及空间位置不合理等等;
在运动仿真过程中检验设计的可否实现功能和以直观的方式来展示设计者的设计理念,以达到预期的效果;
第五章是对航空发动机试车台架发展进行了展望,同时对本文进行了总结。
第二章试车台架方案设计前期准备
2.1设计要求
发动机试车台架主要是用来支撑发动机在静置,特别是在上万转高速运转时要能够保证它的位置不发生变化或在一定的范围内的变化。
在结构设计时要考虑到发动机重量,高速运转的震动以及转动惯量对强度,刚度的要求。
结合发动机实体,因为发动机机身复杂,要考虑到安装节的高低不至于与其发生不必要的干涉。
在发动机安装时,为了保证各个部件正确合理的安装,确保发动机处于正确的安装位置,前后安装节要求在上下,左右方向上可以实现在一定的范围内调节,此调节是在发动机安装在安装节上以后进行的细微调节,在考虑到发动机重量的前提下,要能够保证发动机调节的快速准确性。
而且,发动机测试环境恶劣,高温,多油,高频震动,要保证滑动导轨的清洁和除污功能,以此来设计滑动导轨和调节器的形式及尺寸大小。
航空涡轴发动机前安装节所要满足的运动调试的问题如下:
1.实现与后安装节及进气装置左右微调调节位置的要求(这里设计左右移动余量25MM);
2.实现与后安装节及进气装置上下微调调节高度的要求(这里设计上下移动的余量为50MM)。
水力测功器是一种测试发动机功率的装置,与发动机连接也就相当于对发动机施加了一定的负载。
我们公司所购买的水力测功器的联接法兰是60°
均布的六孔法兰而发动机功率输出法兰是120°
均布的三孔法兰,这就要求在中间设计一个满足功率扭矩输出的弹性联轴器及与其配套的安装调节测量装置。
进气装置是为了发动机工作时为发动机提供空气的进气入口,它与一般的管道不同,表面的特殊形状可以使得空气无阻碍的流入而不产生涡流。
在数据采集方面,它内置空气流量计,换算成进气的体积以提供关键的技术指标的衡量数据。
设计它的安装座要达到这样的一个功能:
在发动机安装时,它不妨碍装配,发动机正确的安装后,能根据发动机的位置细微的调节到与发动机相配合的正确位置。
2.2方案
根据要求和使用性能,拟定的方案如下。
图2.1
图2.1是航空发动机拖挂车的总体设计方案。
图2.2
根据图2.1的总体设计方案设计发动机试车台架的大致结构。
2.3设计方法
机械设计的基本要求和一般步骤:
一.机械设计的基本要求
1.运动和动力性能的要求
根据预定的使用要求确定机械的工作原理,并根据此选择机构类型和机械传动方式,达到以合理的机构组合来协调运动,实现预定运动。
2.工作可靠性要求
为了使机械在预定的工作期限内可靠的工作,防止因零件失效而影响正常运行,零件应满足下列要求:
(1)强度强度是衡量零件抵抗破坏的能力,是保证零件工作能力的最基本要求。
(2)刚度刚度是衡量零件抵抗弹性变形的能力。
(3)耐磨性耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。
(4)耐热性耐热性包括抗氧化、抗热变形和抗蠕变的能力。
(5)振动稳定性
3.经济性要求
经济性是用设计、制造和使用三个方面综合指标来衡量的。
4.劳动保护要求
在设计机械时,必须考虑操作简便、省力,力求改善使用条件和减轻劳动强度,同时应注意安全,加强保护。
5.其他特殊要求
二.机械设计的一般步骤
1.提出设计要求
2.调研、分析、确定设计模型与方案
3.结构设计
4.试验分析
5.使用与考核
总体遵循先由上到下设计,后由下到上优化修改的设计原则:
①研究机械设计的基本原理,设计零部件(尽可能的标准化)。
②通过理论分析(理论力学和材料力学的知识进行验证计算)和仿真实验(利用UG和PRO/E等软件,在不同工况和载荷下零件的受力变形分析),优化设计。
③参观工厂与机加工工人探讨工艺及实现的难易程度从而优化设计,达到既实现功能又保证生产的经济合理性(去启东启测机械制造厂参观学习,和一线工人进行交互)。
④将零件装配完成后,实际工作情况下检验试车台架(回公司进行发动机试车检验)。
2.4具体步骤
具体步骤:
步骤1:
实际了解发动机的结构及其工作原理,环境,进行考察和学习。
步骤2:
设计前安装节所有部件。
步骤3:
设计后安装节所有部件。
步骤4:
设计前后安装节的安装板凳。
步骤5:
设计与安装凳相连接的底座。
步骤6:
装配以上进行优化修改。
步骤7:
根据进气装置的功用及尺寸设计进气道安装装置及安装板凳。
步骤8:
根据水力测功器的功用尺寸及与发动机连接设计其安装装置及安装板凳。
步骤9:
根据发动机及水力测功机的位置及其输出的功率来设计中间段的连接器(弹性联轴器)。
步骤10:
装配以上所以部件进行整体的优化修改。
步骤11:
校核计算验证。
步骤12:
运动部件进行运动仿真分析。
第三章航空发动机试车台架结构设计
3.1航空发动机前安装节部分设计
航空发动机试车台架前安装节的设计是基于该型号涡轴航空发动机前安装节的具体尺寸和考虑到发动机左右发的要求所设计的。
首先前安装节是支撑发动前部分重量及维持其动稳定的基础支撑部件,按照航空涡轴发动机的一种分类,航空涡轴发动机可以分为左、右发(从航空涡轴发动机的功率输出轴往发动机进气方向上看,航空涡轴发动机的排气管的方位位于左、右来分为左、右发),为了达到安装调试方便这里采取左右发相同设计并同时安装在航空发动机试车台架中的设计方案,这样可以解决发动机左右发问题的同时,兼顾了航空涡轴发动机调换的问题,而且它的存在可以起到一定的减震的作用(发动机试车台架的重量加大对吸震减震有很好的作用)。
由于航空涡轴发动机安装到发动机试车台架上时,势必会出现装配的问题,而且航空涡轴发动机的输出轴在输出功率时要求有很好的对中及发动机体安装位置度的要求,所以为了达到最佳的测试效果,这里除了发动机安装节本身的自适应调节外,务必要设计一种可以满足安装时可以对发动机位置进行细微调节的运动装置,可以做到上下、左右在一定范围内精确调节。
3.1.1航空涡轴发动机前安装节所采取的运动调节形式:
1.左右调节采取螺纹带动螺柱驱动主体在滑槽内滑动的形式;
2.上下调节采取螺纹副直接驱动调节。
采取以上调节的方法优点:
首先,螺纹调节是相对来说比较常见而且易于加工及操作的方式,再者与两一套方案电动调节来说,结构简单,而且与台架部分不是经常的拆卸及调整,正符合此种调节方式。
调节的难点:
因为调节的对象是在航空涡轴发动机安装后进行的细微调节,这样就在一定的负载压力的情况下进行调节,必须保证调节杆及螺纹可以承受的住此压力进行细微的调节。
底座采取滑槽的方式,优点可以承受较大的力,但是同样由于接触面大,其摩擦力也相对较大,再者加工的要求也较高,必须保证足够的配合,使得以上两者取得较大的合理安排。
为了达到精确调节的目的,这里螺母的螺纹采取特定的螺距,通过换算就可以知道
在进行调节螺母时一圈所调节的距离。
在配合校正卡具的配合下,不断的校正调节,直到达到要求为止。
3.1.2航空涡轴发动机前安装节固定及安装的方法;
这里采用螺栓固定的方法联接及固定前安装节,由于要拆卸及调整,对螺栓的要求比较高(在参观蓝翔厂时发现一个细节问题,安装节的螺母都已经被拧的棱角都磨圆掉了,所以对我的启发很大,相对来说如果是同一型号的航空涡轴发动机则不需要经常的调节,但是如果换或者是拆卸则必须能经受得住)。
在采取高强度材料的同时对调节杆还要求特殊处理,从而加强这部分的功用。
台架的其他部件的连接方式皆以螺纹连接,不仅可以使得部件的装配有一定的调节余地,也减轻了安装的复杂程度。
3.1.5航空涡轴发动机前安装节详细设计;
3.2航空发动机前安装节部分设计
第四章航空发动机试车台架结构建模及运动仿真
4.1PRO\E软件简介
Pro/Engineer是美国PTC公司的产品,于1988年问世。
10多年来,经历20余次的改版,已成为全世界及中国地区最普及的3DCAD/CAM系统的标准软件,广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。
Pro/E是全方位的3D产品开发软件包,和相关软件Pro/DESINGER(造型设计)、Pro/MECHANICA(功能仿真),集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能,从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程;
国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统,作为企业的标准软件进行产品设计。
Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。
与其他同类三维软件(MDT、UG、CATIA等)相比,Proe/ENGINEER的不同之处在于以下几点:
(1)基于特征的(Feature-Based)
Pro/ENGINEER是一个基于特征的(Feature-Based)实体模型建模工具,利用每次个别建构区块的方式构建模型。
设计者根据每个加工过程,在模型上构建一个单独特征。
特征是最小的建构区块,若以简单的特征建构模型,在修改模型时,更有弹性。
(2)关联的(Associative)
通过创建零件、装配、绘图等方式,可利用Proe/ENGINEER验证模型。
由于各功能模块之间是相互关联的,如果改变装配中的某一零件,系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。
(3)参数化(Parametric)
Pro/ENGINEER为一参数化系统,即特征之间存在相互关系,使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更,以满足设计者的要求。
如果某一特征参考到其他特征时,特征之间即产生父/子(parent/child)关系。
(4)构造曲面(surface)
复杂曲面的生成主要有三种方法:
1)由外部的点集,生成三维曲线,再利用Pro/E下surface的功能生成曲面。
2)直接输入由Pro/desinger(造型设计)产生的曲面。
3)利用import(输入)功能,以IGES、SET、VDA、Neutral等格式,输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。
(5)在装配图中构建实体
根据已建好的实体模型,在装配(component)中,利用其特征(平面,曲面或轴线)为基准,直接构建(Create)新的实体模型。
这样建立的模型便于装配,在系统默认(default)状态下,完成装配。
如图2所示,电饭煲的内锅是在装配图中,以外锅体的轴线为基准,完成设计。
4.2PRO\E5.0软件基本建模环境
PRO\E5.0界面较有好,如图4.21所示,是PRO\E5.0欢迎界面,在其欢迎界面可以随时了解该产品的任何更新及一些应用的帮助,有问题当然也可以进行在线进行咨询,其强大的功能,让你只有想不到,没有做不到,真正的让设计者专注于产品设计。
进入创建操作界面,如图4.22所示,选择操作的类型,这里分成很多的子模块,如:
草绘、零件、组件等等,这里我们常用的及是以上的三种,草绘是绘制草图的专用模块,相当于AUTOCAD的部分功能;
零件模块是主体如图4.23所示,是我们机械产品进行设计的最直接最直观的表现方式,在这里进行将二维的图纸转换成三维的部件进行深入的研究和优化;
组件模块,将零件这种单一的零部件组装起来形成能够达到预定要求性能的机器,直观的进行装配优化和干涉检测,将设计的零件进行虚拟的组装,进行优化设计,发现问题进行返回式不断的修改优化直到满足最优化为止,这样可以使得设计人员根据虚拟的装配可以预见性的发现一些列的问题,从而进行排查故障,确保设计的正确及优化性。
如图4.24、4.25、4.26所示,分别为PRO\E5.0的一些功能选项。
图4.21欢迎界面图4.22进入创建操作界面
图4.23进入part环境
图4.24工具栏、菜单栏
图4.25模型数图4.26基准创建
4.3PRO\E5.0建模
Ⅰ、前安装节T型槽板三维建模
1 根据底面T型槽板的设计尺寸,用【拉伸】命令,选择任意基准面,构造底面长方体,长280mm,宽180mm,高30mm,如图3.25。
2 利用【拉伸】命令,选择中间平面作为拉伸平面,在绘制草图时运用镜像的方法镜像另一草图,选择去除材料,完成T型槽,如图3.26。
3 再次使用【拉伸】命令,选择中间平面作为拉伸平面,如图3.27。
4 用【孔】命令在上表面上作出d=19mm和d=13mm的孔,将上两个孔作【组】命令,然后对组进行【阵列】,阵列长度方向阵列数3个阵列长度130mm,宽度方向阵列数2个阵列长度150mm,如图3.33。
5 用【孔】命令选择上表面,选择创建标准孔选项,选择ISOM8x1.25
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