问题和挑战

航空涡轮发动机通用规范（GJB241-87、GJB242-87)要求，发动机压力平衡系统应提供合适的单向轴向载荷，以保证在发动机工作包线内所有功率状态下，不会因轴向力过大甚至超过止推轴承所允许的负荷而导致轴承损伤，也不会因轴向力过小甚至方向变换而引起轴承轻载打滑蹭伤，使轴承能在设计使用寿命期内正常工作。在飞行前规定试验阶段应完成转子轴向力分析和实测验证。

如何设计一种轴向力测试传感器，使其结构具有一定的通用性，能够满足不同型号发动机轴向力测试需要;并且能与轴承座结构相匹配，使传感器安装位置处的结构调整尽量小，这是亟待解决的问题。

解决方案

在发动机转子滚珠轴承外环前面或后面安装一个贴有应变片桥路并带多个轴向凸台的轴力传感器，可实时测量转子向前或向后的轴向力。

 

传感器力学模型有限元分析是确保传感器在大轴向力作用下仍保持弹性变形是其可靠测量发动机轴向力的关键技术，为了验证所设计的传感器在轴向力测量过程中是否一直工作在线性区间，采用有限元法计算传感器的轴向挠度，检验其轴向变形量与轴向载荷是否保持线性。

轴向力测试系统 

轴向力测试系统一般包括测量传感器、 应变测试仪及信号采集分析系统3部分。测试传感器的安装位置由测量处轴向力的方向决定。 

传感器输出应变信号，通过专门的传感器校准试验, 得到应变量与轴向载荷量的关系，从而将应变值转换为轴向力值。同时将转速信号及轴向力信号接人数采系统，得到任意转速下的轴向力数值。根据测试位置处滚珠轴承所能承受载荷的范围来判断该发动机压力平衡系统提供的载荷是否合适。 

轴向力测试系统误差分析

轴向力测试系统误差主要包括测试传感器精度及测试仪器引起的误差。轴向力测量传感器经过校准试验后，常温下其测试精度在±0.5%以内。由于传感器在发动机中的实际工作温度可达到130 左右，高温下会引起应变片温度漂移。因此传感器需要解决温度漂移的问题。一般情况下，测试仪器引起的误差在±0.5%以 内，轴向力测试系统误差总量在± 4%以内，能够满足工程测试需要。

 

 

给客户带来的价值

根据发动机主轴承参数及其支承结构的特点和预计的轴向载荷范围，可设计出合适的轴向力传感器。 通过安装单个传感器测量单向力,在轴承外环前后各安装一个传感器可以同时测量向前、向后的轴向力。采用有限元方法对传感器进行了力学分析，确保了传感器工作在弹性范围内，即传感器轴向变形量与轴向载荷量呈线性关系，从而保证测试结果准确、可靠。 目前使用该测量传感器已成功完成多种型号多台次发动机的轴向力测量试验。 在发动机停车后，轴向力也跟随归零，可见传感器安装 情况良好，与轴承座之间并无卡滞现象，轴向力测试结果真实、 可靠。结果表明，该测试传感器能够精确、可靠地完成轴向力测试试验。