固体火箭发动机测试与试验技术第三章

固体火箭发动机测试与试验技术第三章1第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

（6）挠性件的设计与选用

挠性件是靠材料本身的弹性变形提供运动自由度的。

挠性件的优点：弹性变形引起材料的内摩擦，内摩擦与外摩擦相比具有摩擦力小，重复性好的优点。各种外摩擦连接的缺点：各种外摩擦连接，由于构成运动自由度的两个或多个零件之间，存在相对运动（滑动或滚动），存在接触表面间的摩擦。其摩擦力大，影响因素多，很难控制。造成重复性差，用在精密测量设备上将影响测量精度，加之存在间隙和摩损，用在有强烈冲击、振动的火箭发动机试验中将产生更大的误差。因此，目前在火箭发动机试验中，都普遍采用了各种型式的挠性件。

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日弯曲挠性件万向运动性能挠性件挠性件按功能分单向运动性能挠性件挠性件按提供自由度的方式分扭转挠性件3第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日万向挠性件双工作段板簧

单工作段板簧圆杆式挠性件常用的挠性件4第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日3.3.4典型试车架（1）滚动元件试车架（2）高精度试车架（3）多分力试车架5第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity（1）滚动元件试车架常用的滚动元件试车架有滚轮车式、滚球式和中心架式三种·第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日7第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日8第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

图3-14是滚轮车式试车架结构简图，滚轮内装有滚动轴承，四个滚轮在两条钢轨上运动。其优点是结构简单，安装操作简便快速，通用性好，应用很普遍。大型发动机，特别是长发动机，滚轮车作成分段式，它可消除发动机工作时轴向延伸影响，亦可适应各种长度。滚球式试车架的优点是既可沿轴向自由调节，又可沿水平面在一定范围内任意调节；缺点是沿轴向调节距离太小，对试车架安装要求较高，操作较复杂。中心架式试车架的优点是将动架重量减到最小，以保证试车架具有尽可能高的固有频率，有利于动态力的测量。其次是安装操作简便，通用性好，普遍使用于小型发动机试验。（2）高精度试车架各类高精度试车架的共同特点是动静架之间采用弹性元件连接，选用高精度传感器和万向挠性件，采用原位校准技术，使高精度安装对准工具。结构上设计成专用的整体式结构。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

图3-15是一个小型发动机用的高精度试车架结构简图。静架由承力架、龙门架、底架组成，承力架、龙门架安装在底架上，底架与试车台体相连。动架是一个直角形构件，其上有两个安装发动机的支座。利用光学工具技术进行安装，原位校准装置、测力组件、发动机三轴线的不同轴度小于0.2mm；试车架与试车台体对接时的倾斜度小于30‘；板簧处于自由垂直状态，对试车轴线不垂直度小于30‘。图3-16是一个直径约1m，推力约200kN的中型发动机试车架结构简图。它采用了单工作段双板簧作为动架和静架之间的连接件，其弹阻力仅为推力的0.075%。原位校准采用液压系统，后支撑采用中心架，并设计了专用后裙定位板作为定位基准。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日13第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日14第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日15第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日16第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日17第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日18第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日19第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日20第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日21第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日22第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日23第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日24第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

（3）多分力试车架六分力试车架用来测量发动机产生的推力偏心值和推力矢量控制机构产生的姿态控制力和力矩，推力终止机构打开时所产生的侧向干扰力。

6分力试车架是利用刚体的平衡原理，适当布置约束，以限制发动机的6个自由度（3个移动自由度和3个转动自由度），使之处于静定平衡状态。由于每一约束均由带传感器的测力组件来承担，并通过挠性件把相互间的干扰减到最小。所以，通过试车即可测得配置的六个约束所承受的6个分力。根据6个分力的作用点和方向进行空间向量合成，求出推力向量的大小、方向和作用点。图3-17是测推力偏心的立式六分力试车架测量示意图，选O-XYZ直角坐标系，以F1和F6两传感器的理论轴线交点为坐标原点，F1传感器的理论轴线为x轴，F1传感器理论轴线为z轴，通过O点平行于F2和F3的轴线为Y轴，安装传感器的方向为各坐标轴的正方向。H、R为台架结构尺寸，是已知数。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日26第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日图3-17立式六分力试车架测量示意图27第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

选坐标原点为力的简化中心，设主矢量和主矩各为：。空间力系的平衡条件是主矢量和主矩分别在3个坐标轴上的投影同时为零，即：由此可得到各分力合分力矩的计算公式为：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日主矢量的值为

（3-30）主矩的值为

（3-31）推力偏心角是指发动机实际推力作用线与发动机几何中心轴线间的夹角（图3-18），可用下式求出：

（3-32）或由下式求出：

（3-33）CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

推力偏心距，有三种情况：

1）通过发动机质心作垂直于发动机几何中心线的横截面，与发动机的实际推力作用线L相交于，C点和D点之间的连线即为推力偏心距；

2）发动机质心点与发动机实际推力作用线L间的垂直距离CE；很明显，这两个定义是一致的，都反映了推力对质心的力矩值，有时它表现为翻转力矩，有时表现为稳定控制力矩，用得较普遍。

3）发动机的几何中心线与发动机实际推力作用线间的最短距离。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

图3-19为卧式三分力试车测量示意图，用来测量推力矢量控制机构产生的姿态控制力，利用各力对O点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第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

3.3.5安装调试试车架在设计制造完毕以后，应根据“试车架安装调试、性能试验大纲”进行安装调试，检验设计、制造的正确性。投入使用以后，根据“试车安装工艺文件”进行试车前的安装调试。试车架是一种连接接点多，调整结构多，相互关系复杂，要求严格的复杂测力装置。安装调试中必须对各种活动接点紧固连接，可靠锁紧，保证试车架的静态和动态性能。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

小型试车架主要采用机械测量工具进行安装调试，大型试车架一般采用光学测量工具或激光仪器进行安装调试，常用的有测微准直望远镜（提供光学基准视线）、工具经纬仪（确定与基准视线垂直的平面）、水准仪（建立水平平面）、光学直角头（建立与基准视钱垂直的辅助视线）、工具轴（建立光学站的导轨）、各种光学目标、杯座、照明器、光学工具尺及尺架、仪器活动支架、目标固定支架、托架等。光学仪器的优点是光线无质量、无厚度、无长度限制，不会产生下垂和弯曲变形，用它作定位或测量基准可大大提高安装调试精度。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

常规卧式试车架安装图3-21是一台常规卧式试车架的光学安装调试示意图。光学对准步骤如下：

1）建立水平面内的型光学站用一台水准仪监测光学站的三个点，即1、2、3点，使三点的球体目标中心在同一水平面内。在1点放置带上直角头的准直望远镜，2、3点放置球体目标，使1-2基准视线与试车台体轴线平行，1-3与1-2垂直测量调整要反复进行逐步接近，直到同时满镜使足水平和垂直关系为止。用快干水泥固定位置，保证在安装调试过程中不变动。

2）调整静架和动架平台

8点和9点的水准仪进行监测，调整静架和动架平台到水平状态。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

3）调整承力钢板和发动机支撑板簧在光学站监测下，在5、6、7三点，用工具经纬仪分别测量承力钢板和发动机支撑板簧平面，将它们调整到与发动机轴线垂直。

4）调整原位校准装置和测力组件在光学站监测下，使原位校准装置和测力组件的轴线与发动机轴线同轴，并处于水平。在一些试车架中，对垂直平而和水平面的测量，要求不严格，可采用框式水平仪、象限仪等简便测量仪器，可以不建立光学站，只需一台水准仪和一台经纬仪进行测量，保证三条轴线同轴即可。（2）多分力试车架安装图3-22是一个立式六分力试车架的光学测量安装示意图。光学安装步骤如下：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日1）将4根立柱（静架）安装面初步调整至相对的两立柱安装面互相平行，相邻立柱安装面互相垂直.2）建立与立柱安装面基本平行、垂直的水平面内的L型光学站。

3）用工具经纬仪测量调整4个立柱，使其安装面处于垂直，相对两面平行，相邻两面垂直，并紧固锁紧。

4）在光学站监测下，使轴向测力组件处于垂直状态。

5）用工具经纬仪测量，调整动架方位，使其上4个安装面与4个立柱安装面互相对应平行.CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日6）用工具经纬仪及水准仪调整测力组件1和4，原位校准装置1‘和4’的安装，使4个组件的轴线水平，且1与1‘同轴，4与4’同轴；调整测力组件2、3、5，原位校准装置5‘、3’，使它们的轴线水平，5与5’同轴，3‘与2和3的对称轴同轴。

7）在光学站监测下，吊装调整发动机，使其轴线处于垂直方位，并与轴向测力组件轴线同轴。

8）在光学站监测下，安装调整轴向原位校准装置，使其轴线与发动机、测力组件轴线同轴。到此，立式六分力试车架及发动机已完全达到理想的试车状态，即水平、垂直、同轴、空间直角坐标系的状态。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日3.6性能鉴定

试车架加工装调完毕，正式投入使用前；受到破坏，进行修复后；长期放置不用，重新投入使用前均应进行性能鉴定试验。对试车架进行鉴定试验时，一般应进行三次发动机、试车架的安装和拆卸，得到三次校准数据，均应符合技术要求，对大型发动机试车，在每次试验之前均应通过原位校准对试车架及测试系统的性能进行评定，确认达到要求后，才进行试车。试车架和其他测量一次仪表一徉，是用来感受和测量特定的物理量的，它的性能包括静态性能和动态性能。（1）静态性能鉴定静态性能是指重复性、非线性、迟滞、精度、分辨率、灵敏度等。它的鉴定是在发动机、试车架安装调试到正式试车状态后，利用原位校准装置进行的。

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

静态性能鉴定所用传感器应有两路输出，一路用高精度测量仪表在试车台内测量，判断试车架的性能指标；另一路用于试车正式测量系统，在中心测量室进行远趾离记录，作为整个推力测量系统的精度。多分力试车架的各分力测量系统之间存在相互干扰，可以用干扰系数来表示。它可通过原位校准时测得的其余各路工作传感器的输出量来求得式中—第i路对第j路的干扰系数；

—第j路受到Fi负荷后的干扰量；

—第i路受到的负荷量。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

（2）动态性能鉴定发动机的实际推力是动态的，在点火瞬间，推力迅速上升，上升时间一般为10-50ms，短的在2ms以下，近似阶跃力输入；在推力下降段，下降也很迅速，特别是推力终止试验时，也接近阶跃下降；在推力的平稳段，也会出现推力振荡，参考文献[9]中，就指出了由于燃烧室内压力振荡，引起了低频大振幅推力振荡，其频率约为15Hz，振荡幅值约为轴向推力的。发动机常规试车推力测量机械系统可以看作一个单自由度的弹簧一质量振动系统，如图3-23所示。其运动方程式为

（3-42）

CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

设（固有圆频率，单位为1/s），（阻尼比），代入式（3-42）得：

当求出试车台架的固有频率和阻尼比以后，就可确定其动态特性。动态特性主要是指固有频率、阻尼比、时间常数和衰减率等。

a．瞬时激励法对待试发动机-试车架施加一个阶跃函数力，使试车架振荡，记录工作传感器的输出振荡曲线，再根据曲线进行处理，求出阻尼比和固有频率。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

施加阶跃函数力可用降落重物、摆锤、电磁锤、榔头敲打、撞击等加载方法。也可对拉紧加载的试车架用剪断铁丝或通电引爆爆炸螺栓等突然卸载方法。图3-24表示利用爆炸螺栓突然卸载的示意图。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日记录的试车台架振荡曲线如图3-25所示。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

对于一般试车台架，阻尼比通常小于0.1，可用下式计算其固有频率和阻尼比。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第四十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日式中—试车台架固有频率；

—阻尼振荡频率；

—阻尼比；

—振荡曲线第n个波峰到基线的距离；

—振荡曲线第n+N个波峰到基线的距离；

—An到An+N之间的波峰数。CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineeringUniversity第五十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

b．正弦激励法利用电磁式、液压式或机械式正弦力发生器对待试试车架进行加载，正弦力的幅值及频率连续可调，记录工作传感器的输出，求出试车架的幅频特性曲线，决定固有频率和阻尼比。3.4辅助设备在进行发动机试验的准备和试后处理的过程中，还经常用到吊车、吊具、安装转运车、称量装置和安装平台等一系列的辅助设，下面对前三种辅助设备的一设计和使用间题加以叙述。

3.4.1吊车

吊车是大、中型固体发动机试车台上的必备的设备，一般是安装在试车间和装配间内，个别情况下（如简易试车台）也可采用汽车吊。吊车的用途是吊运发动机、试车架、扩压器和其它试验工装，吊车的型式有多种，选用时要注意以下几点：CollegeofAerospaceandCivilEngineeringHarbinEngineering