1、第37卷第2期 2011年4月 火箭推进 JOURNAL OF ROCKET PROPULSION Vo137，No2 Apr2011 应变测试技术应用于发动机质心偏移研究 王文龙，赵政社，混平，刘英元 (西安航天动力试验技术研究所，陕西西安710100) 摘 要：为研究液体火箭发动机的质心偏移情况，在发动机传力构件上合理分布测量点， 对发动机机架、推力室与机架连接压杆、推力室头部等多个区域的缓应变参数进行了测量。 通过对测量数据的处理与分析，得出了发动机质心偏移情况的初步判断。 关键词：发动机试车；缓应变；质心偏移 中图分类号：V433-34 文献标识码：A 文章编号：16729374(20
2、1 1)02007605 Application of strain testing technology in research on centroid shift of rocket engine ， WANG Wenlong，ZHAO Zhengshe，HUN Ping，LIU Yingyuan (Xian Aerospace Propulsion Test Technique Institute，Xian 710100，China) Abstract：The method of slow strain testing for the liquidpropellant rocket en
3、gine is introduced in the paperIn order to research the centroid shift of the liquid-propellant rocket engine，the detecting points are reasonably collocated on the force transmission constructional elements to detect the slow strain parameters of the engine frame，pressure lever between thrust chambe
4、r and engine frame，and frontend of thrust chamberThe preliminary judgement for the centroid shift of the liquidpropellant rocket engine was achieved after the processing and analysis ofthe detected data Keywords：rocket engine test；slow strain；centroid shift 0引言 应变电测技术是一项成熟的测量测试技术， 它是基于电阻应变片和电阻应变仪(或采
5、集系 统)的一种常规测量方法。由于它适应性强，易 于掌握，能在复杂的工作条件下进行测量，因此 成为一种广泛应用的测量手段。在发动机试验 中，各种参数的准确测量数据是试车工作的最终 产品。试车数据反映发动机工作状态的常规数据 f推力、压力、流量等)的同时，为了满足发动机 可靠性增长中的性能研究，需要提供更加丰富的 数据类型，用于进行更多项目的发动机性能研 究。某常规型号发动机抽检试车不仅是对发动机 收稿日期：20100222；修回日期：20100709 作者简介：王文龙(1982一)，男，硕士，研究领域为液体火箭发动机试验技术 第37卷第2期 王文龙，等：应变测试技术应用于发动卡几堕! 整盟壅
6、! 可靠性、稳定性的批次性验证，同时对发动机的 某项特性研究也进行了探索。在某型号试车过程 中，为了对发动机质心偏移情况进行研究，结合 现场试验测试条件，采用了缓应变参数测量和位 移参数测量两种方式，本文介绍了缓应变参数的 测量与研究结果。 1缓应变测量与应用 应变是对物体变形程度的反应，研究构件在 载荷、温度等条件下内外部应力和变形的分布情 况，尤其是危险部位的最大应力和变形。 目前常用的应变测量技术是电阻应变测试。 它采用电阻应变片作为传感元件将构件表面应变 转化为电阻变化。然后使用采集系统的配桥电路 把电阻变化转换成电压变化，经过采集系统AD 转换、滤波、放大后进行记录。最后，通过数据
7、处理将电压值换算为应变值。在做具体研究时可 由所测应变换算出应力。 应变片测量应变的工作原理是基于金属丝的 电阻随机械变形而变化的一种特性。取长度为 L，直径为D，截面积为A，电阻率为P的金属 丝，则其电阻R为 尺 (1) 通过换算可得 ： (2) 式中： 为应变片阻阻值，n；K为电阻丝的灵 敏度系数； 为应变值， s。 由式(2)知，电阻丝的电阻变化率与应变 值是线性关系，因此可以通过测量应变片的电阻 变化来获得应变值。在实际测量中，电阻变化被 转换为电压量的变化，计算公式如式(3) oo=Bx(V 0) (3) 式中： 为应变值， ；B为斜率，pmV；V 为实测电压值，mV；V。为原始电压
8、值，mV。 应变值反映的是物体的变形情况，如果需要 研究物体应力分布的情况，则需要将应变换算为 应力。应变换算为应力的方法如下： 一个复杂的杆系结构在载荷作用下，有些杆 件可简化为二力构件，这些构件就可按一维问题 分析其应力应变，也就是说，先测量沿着杆件轴 线方向的应变，然后换算成应力和杆件的内力。 = (4) 内=Atr=AEe (5) 式中： 为杆件的内力； 为应力，N；E为材 料的弹性模量；4为杆件的横截面积，m 。 对于二维应变和其他特殊结构的应变应力计 算，需要按照广义虎克定律列出方程组计算。 、 分别代表两个方向上的应变， 、 分别代表 两个方向上的应力， 一代表两个方向上最大应
9、力分布。 (6) 目前，应力应变电测技术已广泛应用于国 防、化工、机械、以及土木建筑、交通部门的生 产和科研工作。尤其在大型机械、复杂构件、桥 梁、管道的应力应变研究中发挥着越来越重要的 作用，近年来，随着测试测量技术的不断发展， 其应用范围又扩展到航空、航天等高科技技术研 究中，如，在火箭发动机试验中就广泛采用了应 变测量技术，用于研究发动机构件在高温、高 压、真空、强振动等恶劣环境下的应力分布和变 形情况。 2发动机试车中的缓应变参数测量 发动机试车是一项耗费大、危险高的系统工 程，在发动机试车过程中，不仅要保证发动机顺 利工作，更加需要注意的是要获取发动机在工作 状态中的各项信息，这些信
10、息就是测量数据。这 些数据通过各种类型的传感器、转接环节、辅助 环节、采集系统存入计算机。作为试车的最终结 果进行保存，并供进一步研究使用。 78 火箭推进 2011年4月 缓应变参数是在火箭发动机试车中一项具有 特殊研究意义的参数，应变数据能够反映发动机 传力构件在试车过程中产生的变形和应力变化情 况。准确地研究发动机构件的应力分布就可以有 效地对发动机进行“加强”或“减负”，提高发 动机的可靠性。同时，由于应变片的粘贴不需要 对发动机本身进行任何处理，不会影响发动机的 试车状态。因此，应变测量在火箭发动机试验中 比较容易实现，在发动机测点位置上粘贴电阻丝 应变片后，只需要搭配相应的采集电缆
11、、采集系 统和数据处理软件即可。因此，拓展应变测量在 发动机地面试验中的应用范围很有意义。 3发动机质心偏移研究 31质心偏移测量原理 在某发动机试车中，需对其工作中的质心偏 移情况进行研究，所谓质心偏移是指发动机的质 心在参考于其主推力方向(即发动机的轴向)产 生了偏移，也就是说发动机推力偏离轴向。为了 进行此项研究，结合试验区的试验条件，在该次 试车中设置了缓应变测点，用于对发动机在试车 过程中的质心偏移情况进行观测和研究。 本次应变测量的目的是分析发动机在试车过 程中的质心偏移情况，使用应变的测量手段主要 是看发动机在哪个方向上有偏大的力输出。首 先，在测量过程中应变测点的位置都是在杆件
12、 上，可以使用二维杆件进行应力分析；其次，由 应力应变计算公式(4)和(5)可以看出，当杆 件的材料和横截面积一样的时候，应力和应变是 成正比的。因此，力的变化就可以通过应变的变 化来进行分析，在对结果的分析中，通过对应变 情况的分析，可以确定力的方向。在后面的数据 分析中，由于测量杆件的材料均相同，横截面积 均一样，因此，对应变变化情况的分析与杆件内 力分析的结果是一致的。 32应变测点分布 发动机平面分布图见图1。 缓应变测点分布情况如下：机架是发动机与 试车架连接的核心构件，机架在每个象限都有2 根拉杆，在4个象限上拉杆的方向和角度是对称 的，通过在机架的4个象限拉杆的对称位置布置 应变
13、测点，相互参考，可以对质心偏移情况进行 分析。因此，在机架上布置了较多测点。第一象 限的2个拉杆各粘贴一个应变片，第三象限在其 中1个拉杆粘贴应变片(本应与一象限对称布置 2个，但由于现场条件限制，只能粘贴1个)，第 二象限和第四象限分别对称在2个拉杆上下粘贴 应变片(在一个拉杆上下同时粘贴应变片，是为 了对拉杆弯曲变形情况进行判断)，所有应变片 均粘贴在拉杆中心位置，共计11个测点。 游机(2分机) 第二象限 游机(3分机) 第三象限 游机(1分机) 第一象限 游机(4分机) 第四象限 图l发动机平面分布 Fig1 Plain view of rocket engine 推力室与机架连接压杆
14、(发动机内部力传递 杆件，4个杆件相互独立)在每个象限都有一根， 它是发动机各个着力点与机架连接的传力构件， 压杆的变形直接反映了发动机在各个着力点传力 平衡情况。因此，在每根拉杆上下位置对称粘贴 2个应变片，总共8个测点。发动机推力室头部 位于发动机中心向上位置的一根圆柱形传力构件 直径较大，因此，在圆柱形对应于机架拉杆方向 的每个象限各粘贴1个应变片，共4个测点。 总体测点布置涵盖了发动机各个传力构件， 在试车中，发动机的质心偏移情况主要从发动各 传力构件的力传递均衡情况反应，通过对称布置 应变测点，分析数据，研究发动机质心偏移。 33数据分析 通过对缓应变数据初步分析后发现，各个测 点位
15、置在试车过程中均有不同程度的应变量，且 方向均是受压(方向朝上)，与发动机试车(垂 直工位)的推力方向一致，应变量存在较大差 异，各测点在开车后应变量迅速增大，08 s后数 据基本进入稳定段(缓慢增大)，主机关机时应 变量迅速减小，006 s后数据进入稳定段，直至 第37卷第2期 王文龙，等：应变测试技术应甩 堕：尘 窒 游机关机。关机后，数据有小幅变化，但变化不 大。缓应变数据的整体变化趋势与试车进程完全 相符，数据能够正确反映发动机工况变化。 331机架上缓应变数据分析 发动机支架是发动机安装到试车架的连接装 置，承载着发动机与试车架的力传递。发动机支 架在4个方向上各有2根拉杆，拉杆的材
16、料、长 度、安装角度均一致，通过式(5)可以看出， 当材料、横截面积一样时，同样应变情况下杆件 承受的内力也相同。因此，发动机支架上的测点 应变数据对比能够直接反应发动机的力传递情 况。如图2所示，勋位于第一象限， 、。 、 s 8位于第二象限，8 、s 位于第三象限， 89、 、l5位于第四象限。 耋 L一一 -、 、 = 一产一 一 _。 ； 一 ， 二 j =_= j i 1 ： _1 _ 。 | 一1 一1 1 9 2c _2 ? f 2E l27 I 时间 图2机架测点应变变化图 Fig2 Strain variation of measuring points on support
17、 mount 通过对支架上的1 1个测点数据进行初步对 比，11个测点的应变数据整体变化情况一致，均 是开车后迅速增大，然后在一个区段内缓慢增 大。主机关机后迅速降低。从整体变化情况上 看，发动机支架所受的力方向平衡，发动机支架 上各个测点的应变量值在如果考虑到拉杆存在的 个体差异，应变量的不同在很大程度上是由于拉 杆自身导致的，未发现明显的质心偏移现象。 通过进一步分析数据曲线发现，有些杆件的 发生了弯曲现象，在二象限和四象限所测的4根 拉杆采用的是每个杆中心的上下两侧对称粘贴应 变片，通过数据看出，杆件的上部和下部所粘贴 的应变片的变形程度是不同的，尤其通过主机关 机后的数据曲线可以明显的
18、看出，同一个杆件上 的两个应变数据产生较大差别，杆件发生了弯曲 变形，杆件弯曲变形程度的大小也可以反映力的 偏移情况，从开机到主机关机段数据看出，二象 限(s叭s 、 、 每根杆上、下两个测点变 形程度有较大差别(如图2)，且均是下面应变量 大，上面应变量小，可以判断均产生了向上弯 曲，弯曲程度大于四象限(s 、 、s s )。也 就是说，试车时二象限在拉杆产生了较大的弯曲 变形，承受了较大的力。 另一方面，通过曲线在开车段的变化情况进 行分析，二象限与四象限杆件下面测点均反映较 迟缓，在一段时问后数据才进入稳定段，对比进 入稳定段的速度，二象限较快，而四象限较慢， 进入稳定段后，二象限的弯曲
19、程度又大于四象 限，进一步证明，二象限承力更快，更大，也就 是说，发动机产生了向二象限的质心偏移。 由于一、三象限没有杆件下方测点，而上方 测点的变化情况基本一致，因此，无法判别杆件 的弯曲变形程度。 332推力室与机架连接压杆上缓应变数据分析 连接压杆是发动机装配时自身结构中的传力 构件。拉杆在4个象限各有一根，材料、横截面 积一样，根据式(5)，应变量直接反映杆件受力 情况，但此处杆件长度、安装位置、角度均不 同，对质心偏移情况的判断有影响，拉杆的应变 数据反应发动机将力通过拉杆传递时每个方向拉 杆所受力的情况。测点分布情况是，s 、8 位于 第一象限，8，、s 位于第二象限， 、8 位于
20、第 三象限、s，、s 位于第四象限，如图3所示。 一 一一 一 l 一 l 2、 L 杂 量 一_ a一 5 6、 一 一8 时间 图3推力室与机架连接压杆处应变图 Fig3 Strain of connecting rod between thrust chamber and support mount 通过对4个拉杆上的应变数据进行对比发 现，在第二象限和第三象限的4个测点的应变数 火箭推进 2011年4月 据稳定段应变量值很大，而第一象限和第四象限 4个测点的应变数据稳定段应变量较小小，两者 差异较大，初步判断发动机产生了向二、三象限 的质心偏移。但应变量的差异同样受到拉杆长度 和安装位
21、置的影响，质心偏移的程度需要通过对 拉杆长度、角度的不同进行详细分析，此工作需 在后续研究中完善。 3-33推力室头部缓应变数据分析 推力室头部是在推力室顶部的一个直径较大 的圆柱形推力传递装置，推力室头部4个方向上 的力传递情况可以反应发动机中心位置推力传递 时的力平衡情况。推力室头部在4个方向上各有 一个测点。如图4所示，。 为第一象限、s。 为 第三象限，8。为第四象限。 ，- J 时间 图4推力室头部测点应变图 Fig4 Strain of measuring points on thrust chamber head 由于第二象限的应变片在开车后失效，只能 看到其他三个方向上的应变变
22、化情况。通过对推 力室头部应变数据分析，应变量均较小，各个方 向上的应变量差异较小，这是由于推力室头部杆 件横截面积大，刚性高，在试车时，产生的变形 量很小，因此，如果考虑到应变片粘贴位置的影 响，无法准确的反映发动机的质心偏移情况。又 因为二象限测点传感器失效，影响了结果判断， 此项数据仅作为参考。 4结论 应变数据的测量是间接反应发动机力传递情 况的一种手段，除了发动机力传递引起应变变化 外，测点位置的选择、材料的差异、测量过程中 的干扰(如温度变化)均对应变测量值产生影 响，因此，应变数据需要结合其他测量手段(如 位移、推力矢量)进行综合分析才能得到准确合 理的结论。 通过以上分析可以看
23、出，机架上的应变数据 反映出，二象限产生了质心偏移，在推力室与机 架连接压杆上反映出的力传递情况是朝二、三象 限产生了质心偏移。同时，位移测量结果显示， 发动机朝二象限产生质心偏移。结合位移和应变 测量结果，得到的结论是；发动机在试车过程中 产生了质心偏移，偏移方向是二象限，三象限的 质心偏移情况有待进一步验证。 将应变测量方法应用于发动机质心偏移的研 究中并得到了与位移测量方式基本一致的结果。 今后的研究将着眼于更加精确地测量发动机结构 数据和缓应变数据，计算出在试车中每个时段质 心偏移量的具体数值。 参考文献： 1】郑秀嫒，谢大吉应力应变电测技术【M北京：水利电力 出版社，1983 2】张
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