CFM56-5B发动机VBV活门的钢丝软轴操控原理及软轴刚度研究

CFM56-5B发动机VBV活门的钢丝软轴操控原理及软轴刚度研究摘要CFM56-5B发动机空气控制中的可调放气活门（VBV）和可调静子叶片（VSV）控制系统是及其重要的两部分。它们可以让低压压气机（LPC）和高压压气机（HPC）实现气流匹配以便避免发动机喘振同时提供压气机最佳效率。发动机喘振如果得不到及时准确控制会很有可能导致飞机失速，从而使飞机失去稳定性导致事故发生。可调放气活门（VBV）根据飞机及发动机参数计算出对应的开度，在频繁的开度变换中活门零部件的性能具有较高的挑战，尤其是实现周向同步传动控制的钢丝软轴（FLEXIBLESHAFT）其对活门能准确快速开启到指令位置起着很关键的作用。而在日常的维护中，钢丝软轴出现故障的频率最高维护工作量最大。鉴于此，本文对活门钢丝软轴操控原理做出介绍以及借助ANSYSWorkbench对其刚度进行深入研究以便能够进一步认识掌握VBV活门及其零件钢丝软轴。关键字：CFM56-5B发动机，VBV，LPC，HPC，气流匹配，喘振，失速，稳定性，最佳效率，钢丝软轴，ANSYSWorkbench，刚度

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目录31217_WPSOffice_Level11绪论 118012_WPSOffice_Level21.1背景及目的 120367_WPSOffice_Level21.2CFM56-5B发动机简介 118012_WPSOffice_Level31.2.1发动机总概 120367_WPSOffice_Level31.2.2CFM56-5B发动机组成 27124_WPSOffice_Level21.3研究方法 37193_WPSOffice_Level21.4论文构成及内容 318012_WPSOffice_Level12CFM56-5B发动机防喘 322020_WPSOffice_Level22.1基元级速度三角形 331296_WPSOffice_Level22.2压气机防喘 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控制系统 65666_WPSOffice_Level23.1VBV系统 76632_WPSOffice_Level33.1.1VBV结构组成 74447_WPSOffice_Level33.1.2钢丝软轴简介 128638_WPSOffice_Level33.1.3钢丝软轴操控原理 1328131_WPSOffice_Level33.1.4VBV系统逻辑 147124_WPSOffice_Level14基于故障树的VBV系统故障原因定性分析 1728559_WPSOffice_Level24.1VBV系统故障树 176632_WPSOffice_Level24.2VBV系统故障树定性分析 177193_WPSOffice_Level15基于ANSYSWorkbench仿真的钢丝软轴刚度研究 199068_WPSOffice_Level25.1仿真模型建立 192206_WPSOffice_Level35.1.1模型简化 1928299_WPSOffice_Level35.1.2基于SolidWorks的钢丝软轴模型建立 1910212_WPSOffice_Level25.2ANSYSWorkbenchStaticStructural简介 20860_WPSOffice_Level35.2.1ANSYSWorkbench简介 2027894_WPSOffice_Level35.2.1StaticStructural简介 2018273_WPSOffice_Level25.3钢丝软轴的设计参数对其弯曲刚度KM的影响研究 2120869_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直径d0对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响 2216522_WPSOffice_Level35.3.2第i层钢丝直径di对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响 239211_WPSOffice_Level35.3.3层数m对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响 2417934_WPSOffice_Level35.3.4第i层钢丝根数zi对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响 2529288_WPSOffice_Level25.4钢丝软轴的设计参数对其扭转刚度KT的影响研究 263282_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直径d0对钢丝软轴扭转刚度KT的影响 264101_WPSOffice_Level35.3.2第i层钢丝直径di对钢丝软轴扭转刚度KT的影响 2721099_WPSOffice_Level35.3.3层数m对钢丝软轴扭转刚度KT的影响 2819143_WPSOffice_Level35.3.4第i层钢丝根数zi对钢丝软轴扭转刚度KT的影响 2828760_WPSOffice_Level16钢丝软轴刚度公式推导 2928760_WPSOffice_Level26.1仿真模型建立 295463_WPSOffice_Level36.1.1模型简化 29绪论1.1背景及目的航空运输作为我国五大运输方式——水运、公路、铁路、管道、空运中的一种，以其快速性、安全性、舒适性、等特点成为龙头。随着航空科学技术的越发成熟和人民生活水平的提高，航空运输越来越受到人们的青睐。应中国民用航空局（CAAC）要求，民航运输以适航安全为第一工作基准。所以，保证每辆飞机的安全可靠持续适航是航空公司稳健运营的基础，是必须放在最高工作位置上。以我国南方航空庞大机队来看，A320系列机队可以说是撑起半边天，承担着中短程航线的主要载客任务，可见A320系列机队对航空公司重要性。同时，A320系列机队中又有近三分之一的飞机配装了CFM56-5B发动机。我们都知道发动机之于飞机而言就是它的“心脏”，是整辆飞机的动力来源，其重要性不言而喻。那么，发动机性能的好坏直接关系着飞机的适航安全，也关系着航空公司的经济效益。考虑飞机的飞行高度、经济性、效率，发动机的设计有一系列设计参数。然而，由于外界环境的不断变化，发动机往往是工作在非设计状态，此时的运作参数与发动机本身设计的几何形状不协调匹配。如果此运作参数不加以修正调整就会很可能使发动机发生喘振，性能下降进而导致飞机失速紧接着发生事故。依据发动机防喘的原理现行有效的三种措施是：1）中间级放气2）可调静子叶片3）双转子或多转子。对应上述的前两种防喘措施，CFM56-5B发动机的可调放气活门（VBV）和可调静子叶片（VSV）控制系统的工作状态直接关系着发动机防喘的成功与否。因此，本文对可调放气活门（VBV）控制系统进行阐述并依据典型故障中钢丝软轴这个零件借助ANSYSWorkbench仿真分析来研究其刚度让读者充分认识VBV控制系统和其零件钢丝软轴。1.2CFM56-5B发动机简介1.2.1发动机总概1903年莱特兄弟采用活塞式发动机把第一架装有两个推进式螺旋桨的双翼飞机送上天空。经过36年的发展创新，1939年第一架配装喷气发动机的德国亨克尔He178飞机试飞成功，宣告喷气时代的到来。经由半个多世纪的发展，喷气发动机发展出涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、桨扇等不同用途和性能的发动机。本文所提及的CFM56-5B发动机就是属于涡扇类型。燃气涡轮喷气发动机是将燃油化学能燃烧释放出的热能转变为机械能的装置。它是热机也是推进器，热机实现把燃油化学能通过燃烧转化为热能，推进器实现把热能转化为推动转子转动的机械能。其核心机是由压气机、燃烧室、涡轮这三大部分组成。在其基础上发展起来的涡扇发动机以其推力大、推进效率高、噪音低等特点成为现民航发动机的主流【1】。1.2.2CFM56-5B发动机组成CFM56-5B发动机属于双转子涡扇发动机。其由进气道、风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管组成，如图1.1所示。其有内外两个涵道，如图1.2所示。气流经过风扇后被分成两股，一股进入内涵道，另一股进入外涵道。进入内涵道的气流经压气机压缩后再燃烧室与燃油混合燃烧，释放的高温高压气流推动涡轮叶片对核心机转子做功（产生N2），核心机转子通过齿轮箱进而带动低压转子上的风扇和压气机转动（产生N1）。对涡轮叶片做功后的气体经尾喷管向后高速排出并作用在外界气体上。由于反作用，外界气体对飞机机体产生持续反作用推力。进入外涵道的气流经风扇压缩后向后加速排出也产生反作用推力。而且，外涵道的产生反作用推力占整个发动机推力的80%以上。-进气道；-风扇；-低压压气机；„-高压压气机；…-燃烧室；†-高压涡轮；‡-低压涡轮；ˆ-尾喷管图1.1发动机组成PRIMARYFLOW-内涵道；SECONDARYFLOW-外涵道；THRUSTREVERSER-反推图1.2内涵道和外涵道1.3研究方法本论文在阐述VBV钢丝软轴操控原理后借助ANSYSWorkbench仿真分析来研究其设计参数对其刚度的影响规律。研究方法就是在SolidWorks中建好模型然后倒入ANSYSWorkbench中运用StaticStructural模块研究其设计参数对其弯曲刚度KM和扭转刚度KT的影响。1.4论文构成及内容本论文主要是阐述VBV钢丝软轴的操控原理和运用ANSYSWorkbench研究钢丝软轴设计参数对其弯曲刚度KM和扭转刚度KT的影响。为了能透彻说明VBV钢丝软轴操控原理，本论文将对航空发动机、发动机防喘、VBV结构组成、钢丝软轴建模、ANSYSWorkbench-StaticStructural进行阐述说明。2CFM56-5B发动机防喘由于外界环境参数（压力、温度等）的不断变化，发动机往往是工作在非设计状态，此时的运作参数与发动机本身设计的几何形状不协调匹配。如果此运作参数不加以修正调整就会很可能使发动机发生喘振，使发动机性能急剧下降。发动机防喘就是要控制调节流到压气机气流的流量和角度。下面我们就压气机气流分析和防喘做出阐述。2.1基元级速度三角形压气机的基元级叶栅包括一级动叶叶栅（工作叶栅）和一级静叶叶栅（整流器叶栅）。针对动叶叶栅气流速度研究，我们定义动叶叶栅以圆周速度（牵连速度）u运动，w代表气流与叶片的相对速度，c代表气流绝对速度。由力学公式绝对速度=相对速度+牵连速度可得：（2.1）以下标表示动叶进口，以下标表示动叶出口，则叶轮速度三角形如图2.1所示。图中c代表动叶进口绝对速度，c代表动叶出口绝对速度，w代表动叶进口相对速度,w代表动叶出口相对速度，u代表牵连速度。为研究方便，将动叶进口和出口的速度三角形简化后画在一起得到简化速度三角形，如图2.2所示。图中ca代表动叶进口绝对速度c在轴向的分量，cu代表动叶进口绝对速度c在切向的分量，ca代表动叶出口绝对速度c在轴向的分量，cu代表动叶出口绝对速度c在切向的分量。图2.1叶轮速度三角形图2.2简化速度三角形2.2压气机防喘2.2.1攻角压气机的攻角是指动叶进口处的相对速度w与叶片弦线之间的夹角，如图2.3所示。由图2.2简化速度三角形可以看到影响攻角大小的因素有：转速u动叶进口处绝对速度c大小和方向（ca和cu）α-攻角图2.3攻角攻角的正负定义采用逆时针为正，顺时针为负的原则。图2.3所示就是正攻角。2.2.2喘振喘振是气流在压气机轴向方向上发生低频率、高振幅的震荡运动，是一种能量很高的激振力来源。喘振会导致发动机构件的强烈机械振动和热端超温，在很短时间内造成机构严重损坏，严重影响飞机适航安全。因此，在任何情况下都不允许飞机在喘振区工作。喘振的根本原因是压气机实时工作下的攻角与设计攻角不一致，过大或过小。压气机的设计是按照设计工作点的气动参数来设计的，而飞机实时运转往往是在非设计状态，也就是非设计状态的参数与压气机的几何形状不协调匹配，这便会导致气流攻角过大或过小【2】。2.2.3防喘措施防喘的原理是通过一些措施使压气机在非设计状态下也能保持与叶片几何形状相协调的速度三角形，以致于攻角合适。根据影响攻角的因素（ca、cu和u），我们可得到以下三种防喘的措施：压气机中间级放气压气机中间级放气会改变气流流量，由流量公式：（2.2）可得，改变流量也就是改变动叶进口处绝对速度的轴向分量ca的大小来改变其相对速度w的大小和方向，改变攻角。CFM56-5B发动机采用可调放气活门（VBV）来实现中间级放气。当活门打开时，后几级叶片空气流量减小，轴向速度减小，使得其负攻角减小，实现防喘。可调导向叶片和整流叶片可调导向叶片和整流叶片的安装角随着压气机气流流量的变化而变化，使得动叶进口处相对速度w方向基本保持不变，也就是攻角保持不变从而实现防喘。可调导向叶片和整流叶片不改变动叶进口处的相对速度w方向，只改变其大小，也就是改变动叶进口处绝对速度的切向分量cu。CFM56-5B发动机采用可调静子叶片（VSV）系统来改变进口导向叶片（IGV）和静子叶片（VSV）的安装角以便达到防喘目的。双转子或多转子结构双转子或多转子的防喘是通过改变转速u来改变动叶进口处相对速度w方向，以减小攻角实现防喘。CFM56-5B发动机设计成双转子结构。当压气机偏离设计状态时两转子会自动调节转速，使得压气机在非设计状态时攻角变化很小实现防喘。3VBV控制系统为了避免压气机喘振和能够良好加速，CFM56-5B发动机装备有可调放气活门（VBV）这个空气控制系统。这个系统是由液压机械装置（HMU）通过燃油伺服控制和由电子控制组件（ECU）控制，如图3.1所示。ECU是发动机“大脑”控制着发动机的运行法则，HMU是将ECU发送来的电信号转化为液压能输出的装置。可调放气活门（VBV）系统通过12个活门来控制流经风扇和升压机到高压压气机（HPC）的气流流量。通过把多余的气流旁通到外涵道中，VBV提高了在低速时低压压气机（LPC）和高压压气机（HPC）的气流匹配。LPCOMPRESSOR-低压压气机；HPCOMPRESSOR-高压压气机;UNISSONRING-作动环；FUELGEARMOTOR-燃油伺服马达；图3.1VBV控制系统3.1VBV系统低速时，低压压气机提供的空气流量远大于高压压缩机所能接受的流量。为了提供更合适的气流，我们在升压机和高压压气机机之间安装上VBV控制系统。在低速时，VBV是全开的，并将部分升压机排入高压压气机（HPC）的空气旁通入外涵道中以此来避免低压压气机（LPC）失速。在高速时，VBV是关闭的。3.1.1VBV结构组成VBV位于风扇罩中部箱体结构中如图3.2所示，并由以下部件组成：1）一个燃油伺服马达2）一个止动机构3）一个主放气阀4）11个可调放气阀5）软轴6）反馈式传感器（角位移传感器）电子控制组件（ECU）计算VBV的位置。液压机械组件（HMU）通过专用燃油伺服阀开度提供相应的燃油压力来驱动燃油伺服马达。FUELGEARMOTOR-燃油伺服马达；FUELPORTS-燃油口；FEEDBACKROD-反馈长杆；POSITIONSENSOR(RVDT)-位置传感器；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT-内联结软轴；BLEEDVALVEANDMASTERBALLSCREWACTUATOR-主放气阀和滚珠丝杆致动器；STOPMECHANISM-止动机构图3.2VBV系统组成1、燃油伺服马达燃油伺服马达将高压燃油流转换成旋转驱动力，通过止动机构中的一个随动螺母来定位主放气阀。它是一个固定在止动机构后法兰上的容积式齿轮马达，有两个内啮合直齿轮，并由滚针轴承支撑。主动齿轮轴的密封采用碳密封。在输出轴上安装一个副唇形密封，并有一个排放装置收集可能发生的任何内部燃油泄漏，如图3.3所示。电子控制组件（ECU）通过发送信号到液压机械组件（HMU）中来控制燃油伺服阀的开度来持续控制流到伺服马达的燃油压力和流量。STOPMECHANISM-止动机构；OUTPUTSHAFT-输出轴；O-RINGSEAL-O型圈；SECONDARYLIPSEAL-副唇密封；CARBONSEALS-碳密封；BEARING-轴承；GEAR-齿轮；ATTACHINGPOITSTOSTOPMECHANISM-止动机构固定点；FUELGEARMOTOR-燃油伺服马达；OPENPORTTUBE-开启油管；CLOSEDPORTTUBE-关闭油管图3.2燃油伺服马达2、止动机构止动机构能够将燃油伺服马达的转数限制一个准确数量。这个数量是指VBV阀门执行一个完整的行程(从关闭到最大打开位置)所需的转数。因此，这能为VBV系统的安装和调整提供了参考位置。其后部法兰有一个位置是来安装位置传感器的。止动机构位于燃油伺服马达和主滚珠丝杆执行机构之间，如图3.3所示，它主要的部件如下：1）一条软轴软轴连接着燃油伺服马达输出轴和主放气阀滚珠丝杆执行机构的减速箱。2）一个随动螺母随动螺母随着螺杆旋转移动，当它触及安装在螺杆两端的止动点时会说明已经到达活门开关最大行程处，这时就会阻止燃油伺服马达继续转动。STOPMECHANISM-止动机构；DOGSTOPS-止动点；FANFRAME-风扇罩；PROTECTIVEBOOT-保护靴套；MAINFLEXIBLEDRIVESHAFT-主驱动轴；SCREW-螺杆；FOLLOWERNUT-随动螺母图3.3止动机构3、主放气阀主放气阀和滚珠丝杠致动器是一个整体组件，如图3.4所示，它将从燃油伺服马达输入的驱动力传输到其余11个可变放气阀（VBV’s）。它位于风扇罩中部箱体结构中支板10和支板11之间,主要部件如下：一个减速箱减速箱装配有一对外啮合直齿轮和两对斜齿轮。燃油伺服马达输出轴传输到主放气阀的动力经由减速箱的三对齿轮减速后传递到滚珠丝杆致动器进而控制活门的开关。2）一个滚珠丝杆致动器滚珠丝杆致动器与阀门铰接，直接驱动主放气阀的开关。阀门通过一个反馈短杆与反馈长杆铰接，活门运动时通过反馈长杆把其具体位置传递给反馈式传感器（RVDT）。MAINSHAFTSOCKET-主轴槽；FLEXIBLESHAFTSOCKET-软轴槽；BALLSCREW-滚珠丝杆；TRANSLATINGNUT-变换螺母；PROTECTINGBOOT-保护靴套；INPUTSHAFTSOCKET-输入轴槽；LINK-铰链；BALLSCREWACTUATOR-滚珠丝杆致动器；DOORPOSITIONFEEDBACKINDICATOR-阀门位置反馈指示图3.4主放气阀4、可调放气阀其余11个可调放气阀也是安装在风扇罩中部箱体结构中，每一个风扇罩相邻支板间安装一个，12个风扇罩支板总共安装了12个放气阀（1个主放气阀和11个可调放气阀）。可调放气阀参照主放气阀相同的内部结构设计，但是它们减速箱只有一对斜齿轮而不是主放气阀减速箱那样有一对直齿轮和两对斜齿轮。可调放气阀与主放气阀同步运动，它们之间的联动是靠一系列的软轴实现的。5、主驱动轴主驱动轴是一个挠性轴，它一端是六边头另一端是花键头，如图3.5所示。花键头这端安装有一条弹簧，当操作时弹簧能保持轴在位以及有助于轴的拆装。主驱动轴是多股钢索扭结在一起组成的，其在轴向上可以很灵活弯曲，耐扭性很强以便传递扭矩。主驱动轴安装在驱动它的燃油伺服马达和主放气阀之间，如图3.3所示。6、放气阀位置传感器放气阀位置传感器通过电反馈信号把VBV阀门的实时角位置传输给电子控制组件（ECU），ECU通过与其计算的指令位置比较后实现闭环控制。它是一个旋转差动式传感器并安装在止动机构后法兰上。它有两条白色直刻槽标线（一条在反馈短杆上一条在传感器机体上），这两个标线在系统调整到参考全关位置时要对齐，如图3.6所示。我们可以通过连接在传感器反馈短杆上的反馈长杆（圆棒）来调整到参考位置。FEEDBACKROD-反馈长杆；FEEDBACKLEVER-反馈短杆；ALIGNMENTMARK-参考标线图3.6位置传感器7、软轴软轴安装在可调放气阀之间，它一端是六边头另一端是双正方形头，如图3.5所示。六边头这端安装有一条弹簧，当操作时弹簧能保持轴在位以及有助于轴的拆装。软轴是多股钢索扭结在一起组成的，其在轴向上可以很灵活弯曲这样方便周向分布活门之间的连接，耐扭性很强以便传递扭矩。MAINDRIVESHAFT-主驱动软轴；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT(TIPICAL)-内连接软轴图3.5主驱动轴和软轴3.1.2钢丝软轴简介软轴其和我们熟悉的普通轴一样是用来传递转矩的。除此之外，软轴因为弯曲刚度较小可以轻易实现轴向弯曲来避开障碍物，这可以实现轴线不在同一直线的两传动件的传动，同时其在振动场所也能起到缓和冲击的作用。依据其结构可分为钢丝绕线式、联轴器式和钢丝弹簧式；依据其功能可分为“G型”动力传动用软轴和“K型”控制传动用软轴。本文中所涉及到的VBV软轴因为其需要精准控制和传动所以属于“K型”钢丝绕线式软轴，其层数和每层根数较多因而扭转刚度较大能实现精准控制和传动。1、钢丝软轴结构钢丝软轴属于“K型”钢丝绕线式软轴，其有一条芯棒，围绕着芯棒是一层一层的弹簧钢丝层，每层又是由多根机械性能一样的弹簧钢丝并紧绕制而成。相邻两层钢丝层绕制方向相反，一层左旋，另一层右旋，如图3.6和图3.7所示。这样在传递转矩时一层趋于拧松一层趋于拧紧，使得各层之间趋于拧紧；其旋转方向应使最外层钢丝拧紧是最好的。图3.6钢丝软轴模型结构图3.7钢丝软轴结构2、钢丝软轴规格钢丝软轴属于“K型”钢丝绕线式软轴。根据机械手册中对于“K型”钢丝软轴的轴心和各层钢丝根数其规格如图3.8所示。图3.8K型钢丝软轴结构规格3.1.3钢丝软轴操控原理VBV闭环控制系统如图3.7所示。电子控制组件（ECU）使用发动机参数根据内部控制法则来计算出VBV的指令位置。信号传递到液压机械组件（HMU）中通过控制燃油伺服阀的开度来把电信号转化输出为伺服马达需要的燃油压力和流量。伺服燃油在燃油伺服马达中转化为机械信号后驱动由主驱动软轴转动。主驱动软轴经由减速箱减速后借助滚珠丝杆机构控制主放气活门的开动，同时主活门的滚珠丝杆机构通过其余11根软轴同步传动控制其余11个放气活门的开动，如图3.2所示。3.1.4VBV系统逻辑VBV闭环控制系统如图3.7所示。电子控制组件（ECU）使用发动机参数根据内部控制法则来计算出VBV的指令位置。信号传递到液压机械组件（HMU）中通过控制燃油伺服阀的开度来把电信号转化输出为伺服马达需要的燃油压力和流量。伺服燃油在燃油伺服马达中转化为机械信号后经由主驱动轴控制主放气阀的开关。阀门的位置经由反馈杆机械反馈到传感器中，传感器把这个实时位置转化为电信号后又反馈回ECU中与指令位置信号相比较来实现闭环控制VBV的位置。ECU-电子控制组件；HMU-液压机械组件；SERVO-CONTROLVALVE-燃油伺服阀；FUELGEARMOTOR-燃油伺服马达；STOPMECHANISM-止动机构；POSITIONSENSOR-位置传感器；FEEDBACKROD-反馈长杆；BALLSCREWACTUATOR-滚珠丝杆致动器；FEEDBACKREVERSERARM-反馈短杆图3.7VBV闭环控制ECU通过各种发动机和飞机参数来计算VBV指令位置，如图3.8所示。1）风扇转速（N1）2）修正风扇转速（N1K12）3）修正核心机速度（N2K25）4）环境静压力（P0）5）修正气体总温（T2）和HPC进气口温度（T25）6）VSV指令7）油门解析器角度（TRA）8）马达测试指令图3.8VBV指令计算参数VBV系统逻辑的7个块如图3.9所示：1、VBV基线原则这个块包含3个基线原则，它们是用来计算VBV指令位置的。这3个基线准则是修正风扇速度（N1K12）的函数。2、升压机和高压压气机匹配参数计算为了更有效地匹配两个压气机，这是有必要去计算一个能体现它们当前匹配的项。这个项是通过修正风扇速度（N1K12），修正气体总温（T2），HPC进气口温度（T25）,修正核心机速度（N2K25），和指示高压压气机情况的VSV位置这些参数来计算的。3、VBV指令计算这个块使用块2中计算好的项和VBV基线来计算一个VBV指令位置。4、控制反推力偏差这个块检查油门位置。VBV在发动机低速运转时会打开来排气，所以当油门解析器角度（TRA）到达反推慢速上限时，这个块会发送一个指令去增大VBV阀门的开度。5、恶劣天气修正，反推（T/R）修正和滤选根据环境静压力（P0）和风扇转速（N1）来判断是否为恶劣天气。如果是，VBV开度就变大也就是高湿度的空气进入内涵道的流量就少了，这样能更好去除冰雹和水来阻止发动机熄火。这个块也接受块4中的反推力偏差信号来计算反推门的开度。最后，输出信号会滤选在最小值和最大值之间来限制活门的行程来避免触及止动机构中的止动点。6、阻尼逻辑速率限制器的运行逻辑限制VBV阀门在运动时速率的大小来减小机械磨损。7、VBV指令选择这个功能选择以下中的一个或者两个输出：1）测试信号：这个逻辑块会根据FADEC静态测试中马达测试指令把VBV设立在全开位或者全关位。它检查VBV阀门的整个运动范围是否正常。2）VBV指令信号：在正常操作中，块6发出的信号会直接发送到块7中然后输出VBV指令并发送到VBV闭环控制回路中。图3.9VBV系统逻辑块VBV控制法则基线：VBV控制法则的三条基线是修正风扇速度（N1K12）的函数，它来提供VBV位置的标准值，如图3.10所示。这个标准值会根据发动机真实情况比如油门位置、恶劣天气等来进行修改。如图3.10所示，VBV在低速时全开，在达到巡航速度后全关。图3.9VBV控制法则基线4基于故障树的VBV系统故障原因定性分析4.1VBV系统故障树根据3.1章节对VBV系统的结构介绍以及在日常维修中的记录，我们可以看到导致VBV系统出现故障的原因有：阀门故障、滚珠丝杆致动器故障、钢丝软轴故障、止动机构故障、燃油伺服马达故障、传感器故障、液压机械组件（HMU）故障。正对这些原因因素的逻辑关系，我们可以得到以下故障树，如图4.1所示。图4.1VBV系统故障树4.2VBV系统故障树定性分析根据图4.1所示的故障树，我们定义其七个基本事件和顶事件如下表4.1所示。表4.1故障事件定义代码YX1X2X3X4X5X6X7故障事件VBV系统阀门滚珠丝杆致动器钢丝软轴止动机构燃油伺服马达传感器HMU根据图4.1和表4.1，利用上行法，自下而上凡是有或门则输出是输入事件的逻辑和，则顶事件的结果逻辑表达式为：（4.1）在X1-X7这七个基本事件中，根据飞机飞行记录和维修记录，对基本事件的频率大小排序如下：X3>X5>X4>X6>X1>X7>X2也就是说CFM56-5B发动机VBV系统出现故障的原因次数最多的三种分别是：钢丝软轴铰断、燃油伺服马达漏油、止动机构卡阻。1、止动机构卡阻相比于CFM56-3发动机，CFM56-5B发动机采用全权限数字电子控制（FADEC）系统。VBV系统采集除了CFM56-3要求的VSV的开度信号外更多的信号来控制逻辑，如图3.8所示。如此多的信号源使得VBV控制系统的灵敏度很高，任何一个参数的微小变化就可能使得VBV活门作动。也就是说，止动机构会频繁作动使得随动螺母加速磨损，产生变形。有时甚至有高能冲撞，撞裂螺母，随即止动机构卡死，也就导致活门的卡阻，VBV系统出现故障。2、燃油伺服马达漏油在航线维护中有因为发动机故障原因而导致航班延误或取消；而发动机故障中燃油伺服马达漏油是首要因素。当发动机冷发启动时，尤其是在冬天温度较低的时候，燃油伺服马达里的橡胶密封圈由于外界温度原因收缩较大，而流过的燃油温度不足以使密封圈及时完全膨胀，使得密封圈密封存在短暂间隙，从而高压燃油便会漏出，这是正常现象。但燃油伺服马达可能由于磨损而出现漏油，这是要值得注意的。在磨损原因中齿轮表面和轴承板之间过度磨损、轴承磨损并过热和主软轴碳封严磨损是主要原因。3、钢丝软轴铰断VBV系统采用机械传动的方式，那么其位置的调定往往是保证机构正常安全运转的首要因素。而这些调定工作由于存在人为因素差错会不能保证是真正调定到参考位置。比如止动机构时，没有转动到全关参考位置或者连接主钢丝软轴轴时松动了随动螺母，这会导致活门已经全关时，燃油伺服马达因为随动螺母未到达止动点而继续转动。此时作用在钢丝软轴的力矩过大，造成钢丝软轴铰断，VBV系统出现故障。5基于ANSYSWorkbench仿真的钢丝软轴刚度研究由4.2章节可知，在VBV系统故障原因中，钢丝软轴出现的频率最大，可见其性能的保证是VBV系统能正常运转准确控制的首要因素。那么我们就很有必要对钢丝软轴这个零件做研究。钢丝软轴在VBV系统中是起传动控制的作用，要想实现精准控制，那么对于钢丝软轴的刚度要求就要很高。鉴于此，本章运用ANSYSWorkbench仿真软件研究钢丝软轴的设计参数对其弯曲刚度和扭转刚度的影响。5.1仿真模型建立5.1.1模型简化由3.1.1章节我们可以看到钢丝软轴又三部分组成，其前端是六边头中部是钢丝软轴后端是花键头，如图5.1所示。其前后端与中部的软轴是刚性连接，其约束载荷可以认为是无损失传递到钢丝软轴两段。所以，在ANSYS分析中，为了减小工作量和方便载荷约束施加，我们可以把前后端的刚性结构看做一个节点，只需要针对中间部分的钢丝软轴进行建模分析即可。图5.1软轴实物图5.1.2基于SolidWorks的钢丝软轴模型建立ANSYSWorkbench中有DesignModeler模块可以进行几何模型的建立，但是其操作步骤相较于SolidWorks比较繁琐。所以我采取在SolidWorks中把模型建好再导入ANSYSWorkbench的DesignModeler模块中进行分析。DesignModeler可以读取的外部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中建好模型保存为*.step格式后导入DesignModeler中进行分析。在SolidWorks建模中使用拉伸扫描命令来建立钢丝软轴的三维模型，其结果如图5.2所示。图5.2钢丝软轴建模5.2ANSYSWorkbenchStaticStructural简介5.2.1ANSYSWorkbench简介ANSYSWorkbench是ANSYS公司为了把其旗下的所有软件包括其收购的软件都整合在一起的一个新一代协同仿真工作平台。其操作简单，方便快捷，很适合初学者进行ANSYS有限元分析学习。其操作很符合工程分析思维，操作模块化，流程非常清晰。ANSYSWorkbench能实现对机械结构的静态结构分析、模态分析、屈曲分析、结构非线性分析、热分析和流体动力学分析。5.2.1StaticStructural简介StaticStructural是ANSYSWorkbench静态结构分析集成模块。本文中研究钢丝软轴的设计参数对其弯曲刚度和扭转刚度的影响就是要运用StaticStructural集成模块，其包含的模块如图5.3所示。其各个模块的含义如下：1、EngineeringData这个模块实现模型材料属性的定义，包括密度、弹性模量、泊松比和剪切模量。Geometry这个模块可以直接读入符合格式的模型信息也可以启动DesignModeler应用程序进行建模。3、Model这个模块启动Mechanical应用程序可以实现网格划分控制、约束载荷施加、求解和结果显示。Setup——设置、Solution——求解和Results——结果这三个模块都集成到Model中的Mechanical应用程序中。StaticStructural操作流程是上而下：1）先在EngineeringData中定义材料属性。本论文中所赋予的材料是普通弹簧钢，密度（Density）：7850kg/m3，弹性模量（Young’sModulus）:209Gpa，泊松比（Poission’sRatio）：0.3，剪切模量（ShearModulus）：80Gpa2）接着在Geometry模块中右键读入预先在SolidWorks中建模后另存为*.step格式的几何模型文件。3）然后在Model模块中右键启动Mechanical应用程序进行对几何模型的材料定义、网格划分控制、施加约束载荷，求解得到结果。图5.3StaticStructural5.3钢丝软轴的设计参数对其弯曲刚度KM的影响研究由3.1.2章节我们可以看到钢丝软轴有一条芯棒，围绕着芯棒是一层一层的弹簧钢丝层，每层又是由多根机械性能一样的弹簧钢丝并紧绕制而成。如图3.7所示，其设计参数包括：1、芯棒直径d02、第i层钢丝直径di3、层数m4、第i层钢丝根数zi本章将研究4个设计参数对钢丝软轴弯曲刚度的影响。在StaticStructural中对钢丝软轴施加的约束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一个向下的F=10N的力（Force），取软轴长度l=30mm,网格划分采用六面体主导方法（HexDominantMethod），网格单元尺寸（ElementSize）取0.1mm,求解时插入总体变形（TotalDeformation）看其在F作用下的挠度。把钢丝软轴看做是一根一端固定的悬臂梁，根据材料力学中悬臂梁最大挠度fB公式：（5.1）可知，当Fl3一定时，其最大挠度fB与其弯曲刚度KM成发比例关系。也就是弯曲刚度KM可以转化为对最大挠度fB的比较。5.3.1芯棒直径d0对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响为研究芯棒直径d0对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响，我们需针对不同芯棒直径d0进行建模，其模型具体数据如表5.1所示。表5.1不同芯棒直径d0模型数据芯棒直径d0第一层螺旋钢丝中径D21公称直径D螺距t编号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按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到挠度结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿真结果展示如图5.4所示。d0=0.5d0=0.6d0=0.7d0=0.8图5.4不同芯棒直径d0仿真结果根据图5.4所显示的仿真结果我们可以看到：随着芯棒直径d0的变大，弯曲刚度KM先变大后变小，所以我们在设计钢丝软轴轴芯棒时在满足其强度的条件下尽可能选择小的直径。钢丝软轴轴芯棒直径d0按照弯扭合成来计算强度的公式是：（5.2）5.3.2第i层钢丝直径di对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响为研究第i层钢丝直径di对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响，我们需针对不同钢丝直径di进行建模，其模型具体数据如表5.2所示。表5.2不同钢丝直径di模型数据芯棒直径d0第一层螺旋钢丝中径D21公称直径D螺距t编号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按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扰度结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿真结果展示如图5.5所示。di=0.3di=0.4di=0.5di=0.6图5.5不同钢丝直径di仿真结果根据图5.5所显示的仿真结果我们可以看到：随着钢丝直径di的变大，弯曲刚度KM先变大后变小再变大。那么我们在设计的时候就要避开使弯曲刚度KM减小的钢丝直径di。5.3.3层数m对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响为研究层数m对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响，我们需针对不同层数m进行建模。1、当芯棒直径d0一定时，其模型具体数据如表5.3所示。表5.3d0一定层数m模型数据d0第一层第二层第三层第四层第五层第六层编号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按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扰度结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿真结果展示如图5.6所示。m=1m=2m=3m=4图5.6d0一定层数m仿真结果根据图5.6所显示的仿真结果我们可以看到：当轴芯棒直径d0一定时，随着钢丝层数m逐渐变大，弯曲刚度KM也随着变大。那么我们在设计的时候可以随着钢丝软轴公称直径的增大而增加层数m。2、当芯棒直径d0和公称直径D一定时，其模型具体数据如表5.4所示。表5.4d0&D一定层数m模型数据d0第一层第二层第三层第四层第五层编号Φ0.52xφ1.719Φ0.52xφ0.72xφ1.020Φ0.52xφ0.32xφ0.62xφ0.821Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.52xφ0.622Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.42xφ0.423按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扰度结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿真结果展示如图5.7所示。m=1m=2m=3m=4图5.7d0&D一定层数m仿真结果根据图5.7所显示的仿真结果我们可以看到：当轴芯棒直径d0和软轴公称直径D一定时，随着钢丝层数m逐渐变大，弯曲刚度KM先变小后变大再变小。那么我们在设计的时候就要避开使弯曲刚度KM减小的钢丝层数m。5.3.4第i层钢丝根数zi对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响为研究第i层钢丝根数zi对钢丝软轴弯曲刚度KM的影响，我们需针对不同第i层钢丝根数zi进行建模，其模型具体数据如表5.5所示。表5.5不同第i层钢丝根数zi模型数据芯棒直径d0第一层螺旋钢丝中径D21公称直径D螺距t编号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按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扰度结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿真结果展示如图5.8所示。z=2z=3z=3z=4根据图5.8所显示的仿真结果我们可以看到：随着当层钢丝根数z的逐渐增加，弯曲刚度KM先变大后变小。那么我们在设计的时候就要选择使弯曲刚度KM最大的钢丝根数z。5.4钢丝软轴的设计参数对其扭转刚度KT的影响研究本章将研究5.3章节所提到的4个设计参数对钢丝软轴扭转刚度的影响。在StaticStructural中对钢丝软轴施加的约束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一个T=1000N.mm的扭矩（Moment），取软轴长度l=30mm,网格划分采用六面体主导方法（HexDominantMethod），网格单元尺寸（ElementSize）取0.1mm,添加局部柱坐标系，求解时插入用户自定义结果（UserDefineResult）用表达式UY/R输出扭转角φ。把钢丝软轴看做是一根一端固定的圆轴，根据材料力学中圆轴扭转角φ公式：（5.1）可知，当Tl一定时，其扭转角φ与其扭转刚度KT成反比例关系。也就是扭转刚度KT可以转化为对扭转角φ的比较。5.3.1芯棒直径d0对钢丝软轴扭转刚度KT的影响为研究芯棒直径d0对钢丝软轴扭转刚度KT的影响，我们需针对不同芯棒直径d0进行建模，其模型具体数据如表5.6所示。表5.6不同芯棒直径d0模型数据芯棒直径d0第一层螺旋钢丝中径D21公称直径D螺距t编号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按照以上参数建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扭转角结果，由于模型较多，取其中4个有代表性的仿