几种摇臂与联动环连接结构对比分析

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压气机作为航空发动机的 1个重要组成部分，对其技术性能的要求也在不断提高。发动机在非设计点工作时，压气机各级之间会因流量不匹配等原因，引起发动机气流的不稳定流动，造成喘振或颤振等不良现象，甚至还可能引发发动机严重损坏。为此，需要采取-定的技术措施不断改进设计。在工程应用中，-般采用可调的进口导流叶片和可调的静子叶片来调节发动机的流量和攻角等，以扩大稳定裕度，改善发动机的整体效率。

本文针对压气机有关结构的设计，运用机构学的基本理论，以虚拟机为技术手段，研究和分析几种不同的摇臂与联动环连接结构。

1 虚拟样机的建立本文主要利用虚拟机技术分析和研究几种摇臂与联动环连接结构的特点，主要运用软件 ADAMS分析软件，因为ADAMS软件的 3维实体建模的能力较弱，不能满足研究需求，所以本文利用 UG软件进行系统的3维实体建模，然后把建立好的UG的3维实体模型导人到 ADAMS软件里进行运动学和动力学的仿真分析。

仿真分析的具体过程为模型的导出和导入2部分。导出操作为file export Parasolid，导出格式选择。

xmt-txt文件类型；导人操作为 file Import Parasolid，导人选择 xmt-txt格式。

把 UG模型导人到 ADAMS软件后，模型中的各个部件只是相对独立地在各自的初始位置，并不能进行模拟分析。在 ADAMS中，首先要为模型的各个部件添加各种约束，并将各自独立的部件有效地整合成1个相互关联的整体，这就是本文可以进行模拟分析的虚拟样机模型。

ADAMS/View提供了3种类型的约束，即运动副约束，例如转动副和移动副，基本约束，例如点面约第 6期 杨勇刚等：几种摇臂与联动环连接结构对比分析 35束，运动约束，例如转动驱动。在本文模型中，主要应用运动副约束中的转动副、圆柱副、球铰副、固定副以及运动约束中的转动驱动。-般在虚拟样机的建立过程中除了要给模型添加各种约束以外，还要为各个部件添加合适的力。但本文没有考虑外部作用力的作用。

2 模型分析在静子叶片调节机构系统里，摇臂与联动环为空间运动连接。在静子叶片调节机构工作过程中，摇臂以静子叶片的转动轴为轴转动，联动环的运动是以发动机轴线为轴的转动运动和沿着发动机轴线方向的平动的复合运动。通常情况下，静子叶片的转动轴线与发动机轴线垂直，所以在静子叶片调节系统工作过程中，摇臂与联动环的连接点和摇臂与静子叶片转动轴线的连接点之间的连线，除了有在摇臂转动平面上的转动运动分量外，还有垂直于摇臂转动平面的-定位移分量，摇臂与联动环的连接点处联动环的法线方向也有转动分量。所以在实际工作中，摇臂与联动环的连接结构必须满足以上3点运动分量的要求。摇臂绕可调静子叶片转动轴的转动提供了在摇臂转动平面上的转动分量，其他2个运动分量不同的连接结构的解决方法也不尽相同。

摇臂与联动环的连接方式直接影响摇臂设计的选择，通过对几种连接机构进行对比分析，来研究不同的摇臂与联动环连接结构对调节结构设计的影响。

摇臂与联动环直接固定连接如图1所示。由于摇臂与联动环固定连接在-起，所以在工作过程中，需要摇臂产生-定的变形来满足摇臂与联动环之间的运动要求。为了方便描述，以模型A表示摇臂与联动环的固定连接模型。

摇臂与联动环的连接结构为带销钉的连接结构如图2所示。从图中可见，销钉可以沿着联动环的法线方向运动，这样可为摇臂与联动环的连接提供垂直于摇图 1 固定连接 图 2 带销钉的连接臂转动平面的运动分量，而连接 I处的联动环法线的转动分量要由摇臂的扭转变形提供。为了方便描述，定义带销钉的摇臂与联动的连接结构模型为模型 B。

带销钉和关节轴承结构的摇臂与联动环连接结构 I(关节轴承在摇臂上)如图 3所示♂构中销钉的功能同模型B中相同，销钉始终沿着联动环法线方向运动。关节轴承为系统运动提供了所需的摇臂与联动环连接点处联动环法线的转动分量。对此，定义本结构模型为模型 C。

带销钉和关节轴承的摇臂与联动环连接结构 Ⅱ(关节轴承在联动环上)如图4所示。其模型特点和模型c基本相同。不同点是：关节轴承在联动环上，销钉与摇臂相对静止，而与 I点处联动环法线有-定的相对转动运动。定义本结构模型为模型D。

图3 带销钉和关节轴承的 图 4 带销钉和关节轴承的连接 I 连接 3 运动学对比分析为了方便对不同结构进行对比分析，本文以1个基础模型为模板，通过在ADAMS软件中添加不 同的运动约束和零部件以达到对比分析的 4个模型的建模要求。

通过模型导人步骤 ，导人 ADAMS软件中的基础模型，如图5所示。 图5 基础模型在模型中，联动环的运动为 1个以发动机轴线为轴线的转动运动和 1个沿着发动机轴线方向平动运动的合成 ，所以在联动环添加的约束为圆柱副约束；可调静子叶片的运动方式为 1个绕着其自身转轴的转动运动，在叶片上添加的约束为转动副约束；摇臂在运动过程中随可调静子叶片运动，摇臂与静子叶片之间的约束为固定副约束。

销钉是连接摇臂与联动环的 1个中间件，在不同的模型中销钉的约束也不同，在模型 A中，摇臂与联第6期 杨勇刚等：几种摇臂与联动环连接结构对比分析 37的运动情况分析各个构件受力的逆向动力学问题。

下面以联动环上受到的阻力矩的情况来分析不同的摇臂和联动环连接产生的结构阻力的差异，如图 9所示。这里不考虑静子叶片上受到的气动力和气动力矩。经过仿真分析得到各模型的阻力矩情况。

302 52.0I 51 00.5 - 3 O-2 52.01 51 OO 53 0-2 52.01 00.50- 50- 100 l150200蟊2503003·0-2 52.0鉴1.O0 5tls(d)模型 D图 9 联动环角度与阻力矩关系从以上各模型的仿真结果可知：在工作过程中，摇臂在零度角处联动环处的阻力矩最小，随着摇臂角度的增加，阻力矩增大。在同样的工作条件下，不同的摇臂和联动环连接结构模型中，联动环上受到的阻力矩也不同，阻力矩的大小顺序为模型A>模型B>模型 C>模型 D。

在仿真结束时，模型A的阻力矩比模型B大200余倍，模型c和D中的阻力矩几乎为零。这说明，在结构阻力上带球头轴承的连接结构的阻力性能优越，需要摇臂变形提供-定运动分量的连接结构阻力大，其中固定连接的结构阻力最大。

5 结论在摇臂和联动环连接结构设计中，不仅要综合考虑机构学的3个组成部分，还要考虑零部件的加工、装配、维修等工程性能。分析上述因素可知，在静子叶片排列较密集时，可以选用模型B作为摇臂和联动环连接的结构；在静子叶片排列较为稀疏时，视情选择模型 c和D作为摇臂和联动环的连接结构。综上所述，对静子叶片调节机构的设计提出如下建议：(1)摇臂设计首先要考虑在作动机构的行程内，叶片的调节角度达到要求。

(2)在同等条件下，带关节轴承的连接结构比有弹性摇臂的连接结构阻力校在摇臂设计时不仅要考虑机构学的相关问题，还要综合考虑加工制造等工程问题。

(3)本文没有考虑在发动机工作过程中的气动阻力，下-步需要考虑在外加气动力的作用下，刚性摇臂和弹性摇臂的工作情况等。