航空发动机燃油齿轮泵寿命估算方法研究_王淑红
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138文章编号：1001-3997（2012）08-0138-02机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture第8期2012年8月航空发动机燃油齿轮泵寿命估算方法研究王淑红1李华聪2张建伟2（1中航工业西安航空动力控制科技有限公司，西安700077）（2西北工业大学动力与能源学院，西安710072）ResearchonLifeEstimationofAero-EngineFuelGearPumpWANGShu-hong1，LIHua-cong2，ZHANGJian-wei2（1ChinaAvicXi’anAero-EngineControlsTechnologyCo.，Ltd，Xi’an700077，China）（2SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China）【摘要】针对航空发动机燃油齿轮泵在设计阶段缺少寿命估算校验的问题，给出了一种使用修正部件法估算航空燃油齿轮泵寿命的方法。该方法首先以航空燃油齿轮泵的轴承作为寿命敏感部件，运用相对成熟的方法对轴承进行了寿命估算；其次通过分析研究选取了合理的寿命影响因子，运用修正系数对轴承的寿命进行了修正；最后通过相关分析推导得出了航空燃油齿轮泵寿命的估算公式。结果表明，该方法可在设计阶段对航空燃油齿轮泵的寿命进行估算和校验，完善了航空燃油齿轮泵寿命研制的过程。关键词：航空发动机；齿轮泵；寿命估算；修正部件法【Abstract】Aimedathavingnomethodoflifecalculationonaero-enginefuelgearpumpindesignstage,revisedcomeofbearingassensitivepartsofaviationgearpumpwasestimated，usingarelativelymaturemethod;andthenthelifeofbearingwasrevisedbythecorrectionfactorthatdeterminedbytheimpactfactoronsensitiveslife；finallythelifeformulaofaviationgearpump’sestimationwasobtainedbycorrelativelycomponent’ultsshowedthatthismethodcanestimateandcheckthelifeofaviationgearpumpindesignstage，ds：Aero-Engine；GearPump；LifeEstimation；RevisedComponentMethod文献标识码：A中图分类号：TH16；V233.21引言航空燃油齿轮泵泵是航空发动机燃油系统的重要组成部分[1]，航空燃油齿轮泵的寿命是关系到航空发动机性能的一个重要方面。航空燃油齿轮泵的寿命研制过程应包括原理设计、校验设计和试验验证三个阶段[2]。由于缺乏有效的寿命估算手段，目前航空齿轮泵的寿命研制过程只包括原理设计和试验验证两个阶段[3-4]，设计阶段在借鉴现有产品设计经验的基础上，通过优化结构尺寸、选择高性能材料的方式来实现试验验证时寿命满足要求。在设计阶段缺乏校验寿命的有效措施，寿命研制的风险高，存在不必要的试验验证和重复设计的缺点，增加研制成本。因此需要在设计阶段对航空燃油齿轮泵的寿命进行有效估算，为航空燃油齿轮泵寿命提供校验依据。目前对于设计阶段航空燃油齿轮泵寿命的估算方法缺乏相关研究。针对上述情况，给出一种运用修正部件法进行寿命估算的方法。该方法以轴承作为航空燃油齿轮泵的敏感部件并对其进行了寿命估算，其次通过选取寿命影响因子对轴承的寿命进行了修正，最后得出了航空燃油齿轮泵寿命估算公式。＊来稿日期：2011-10-032修正部件法修正部件法是以研究对象寿命敏感零部件的“修正寿命”来表示研究对象寿命的一种方法。该方法将复杂整体的研究转化为机械液压产品的寿命主要关键部件的研究使复杂的问题简单化。取决于其寿命敏感部件的寿命。但敏感部件的寿命并不代表对象的寿命。对象的寿命受到各种内外部因素的制约，其实际寿命比敏感部件的寿命经过合适的修正才能等同于敏感部件的寿命小。对象的寿命。运用修正部件法进行寿命估算的流程是：（1）分析对象；（2）确定敏感部件并进行敏感部件的寿命估）确定寿命修正因子和修正系数；（4）得出研究对象的寿命算；（3估算公式。其流程，如图1所示。分析对象确定敏感部件并估算寿命确定修正因子和修正系数得出对角的寿命估算公式图1修正部件法寿命估算过程第8期王淑红等：航空发动机燃油齿轮泵寿命估算方法研究1393航空齿轮泵的寿命估算运用修正部件法对航空齿轮泵进行寿命估算时首先要确定敏感部件并计算敏感部件的寿命L（）；然后确定寿h以小时为单位命的修正因子和修正系数Kb；最终得出航空齿轮泵寿命的计算公式Lb=KbLh。由前文可知，航空齿轮泵从动轴承受到的轴向力为0。根据轴向载载荷系数的取值原则可得从动轴承的径向载荷系数X=1，荷系数Y=0，联立式（3）和式（5）可得从动轴承的当量动载荷：P=F2zc=0.51△pBDe式为：Lh=1060n6′（6））和式（6）可得航空齿轮泵滚动轴承寿命的估算公联立式（41033.1敏感部件及其寿命估算3.1.1敏感部件的确定大量航空齿轮泵统计分析发现，在设计、加工制造以及转速、压力等条件满足要求的条件下，齿轮泵的轴承是对航空齿轮泵寿命影响最大的部件[5]，以轴承作为航空燃油齿轮泵的敏感部件。结合航空燃油齿轮泵具体的负载情况进行轴承的寿命估计。滚动轴承具有起动摩擦力矩小、承载能力强、适用的转速范温度范围宽、抗污染能力强的优点，在航空齿轮泵具有广泛围大、应用[5]，因此针对滚子式滚动轴承进行寿命估算。!C0.51△pBDe"=λn（△p）-16103-103B-103（De）-103（7）式中：Lh—轴承的寿命；λ=1060C。!0.51"103则其额定转速和压力下的寿命：Lhe=1060n6!C0.51△pBDe"=λn（△p）-1ee-103B-103（De）（8）-1033.1.2轴承的受载分析航空燃油齿轮泵受到的轴向力很小，假定它受的力全部为那么航空燃油齿轮泵的齿轮、轴、轴承等部件也只受到径向力。，径向力的作用。通过对齿轮泵结构和工作原理的研究可知轴承受5]，而从动轮受到的径向力到的径向力为齿轮受到径向力的一半[2，式中：Lhe—轴承额定转速、压力下的寿命；ne—齿轮泵的额定转速；△pe—齿轮泵的额定进出口压差。从公式（7）、（8）中可以看出航空齿轮泵的寿命与齿宽、齿顶圆直径、转速和压差成逆幂关系，且与转速成反比，与齿宽、齿顶圆直径、压差的次方成反比。要大于主动轮受到的径向力，则从动轴承受到的力也大于主动轴承受到的径向力。进行载荷分析及寿命估算时依据从动轴承受力情况。由于航空齿轮泵径向力的精确计算公式非常复杂，为了简化计算，采用工程上常用的径向力计算公式：F2=0.85△pBDe式中：F2—从动轮受到的总径向力；△p—齿轮泵的进出口压差；B—齿轮的齿宽；De—齿轮的齿顶圆直径。考虑齿轮运泵转时载荷的不平稳性以及冲击对齿轮的影响，实际计算时，径向力要进行必要的修正，航空齿轮泵从动齿轮的计算载荷：F2=1.2F2=1.02△pBDe则从动轴承的计算载荷：F2zc=′′3.2修正因子及修正系数的确定齿轮泵寿命的影响因素可分为内因和外因两大类。内部因素主要包括设计方法、制造精度、加工装配的工艺等；外部因素主要包括齿轮的结构尺寸、油液温度、转速、出口压力、燃油污染情况、安装使用情况等。对于航空齿轮泵来说，其技术要求（包括使用环境条件、加工精度等）、设计方法、装配工艺等具有相似性，因此内因对寿命的影响是恒定不变的，因此内因不适合作为修正因子；工程上可以通过成熟的技术手段使燃油污染、安装使用等因素对寿命的影响忽略不计，这些因素也不适宜作为修正因子。初步选定齿轮的结构尺寸、油液温度、转速、出口压力作为航空齿轮泵寿命的修正因子。但式（7）和式（8）表明轴承的估算中已经内在的包含有齿轮转速和出口压力（进口压力相对于出口压力来说可的结构尺寸、以忽略不计，假设压差和出口压力相等），因此最终确定温度作为航空齿轮泵修正因子。这也就意味着，修正系数只是油液温度的函数，即Kb=f（T）。研究表明，温度主要通过改变燃油的粘度来影响航空齿轮燃油泵的寿命。结合文献[7]中温度对寿命的影响研究可得修正系数的表达式：-BT（1）（2）F2=0.51△pBDe2[5-6]′（3）3.1.3轴承的寿命估算齿轮泵滚动轴承寿命的计算公式为：Lh=1060n6Kb=Ae（4）（9）C!P"ε依据航空齿轮泵的技术要求、制造精度、加工工艺以及航空燃油的粘度特性，可以确定修正系数的参数A=0.6、B=32。则：Kb=0.6e-32T式中：n—齿轮泵的转速；ε—寿命指数，对于滚子轴承来说ε=10/3；C—基本额定动载荷，可由机械设计手册查取；P—当量动载荷，其计算公式为：P=XFr+YFa（5）（10）3.3航空齿轮泵的寿命计算公式将式（7）、（8）分别和式（10）联立最终可得出航空齿轮泵通用寿命计算公式和额定状态下的寿命计算公式为：Lb=KbLh=0.6λe-32T-103-103-103式中：Fr—轴承受到的径向载荷；Fa—轴承受到的轴向载荷；X—轴承的径向载荷系数；Y—轴承的轴向载荷系数。n（△p）-1B（De）（11）140文章编号：1001-3997（2012）08-0140-03机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture第8期2012年8月面向绿制造的切削用量优化研究*齐晓宁1汪永超1刘毅2张魁伟1（1四川大学制造科学与工程学院，成都610065）（2重庆出入境检验检疫局，重庆400044）TheOptimizationResearchofCuttingParametersforGreenManufacturingQIXiao-ning1，WANGYong-chao1，LIUYi2，ZHANGKui-wei1（1CollegeofManufacturingScienceandEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065，China）（2ChongqingMunicipalBureauforEntryExitInspectionandQuarantine，Chongqing400044，China）ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss【摘要】传统的切削用量通常是通过查阅手册，依靠工人经验和切削试验来确定，不能满足日益高ssssssssssssssssssssss速化、精密化和清洁化的现代加工要求。为了更合理的确定切削用量，基于绿制造的思想，建立了以生产率、成本和能源消耗为目标的切削用量优化数学模型。采用改进的粒子算法首先求得问题的非劣解集，然后用层次分析法得到不同要求下的最优方案。采用这种优化方法较传统选择方法可以更快速有效地确定合理的切削用量。关键词：切削用量优化；绿制造；粒子算法；层次分析法【Abstract】Thetraditionalchooseofcuttingparametersisoftenthroughconsulttingthemr,itcannotmeetthemodernprocessingters，acuttingparametersoptimizationmathematicalmodelwhosegoalisreducingthetime,costand，wecangetthenoninferiorsolu－whichrequireshigh-speed，rtodeterminethemorereasonablecuttingparame－ly，hisssssssssicHierarchyProcess中图分类号：TH16；TG51.2KeyWords：CuttingParametersOptimization；GreenManufacturing；ParticleSwarmAlgorithm；文献标识码：A1引言切削用量选择是机械加工过程的重要环节。采用合理的切削用量对提高生产率，保证加工质量和降低生产成本有着重要意进行大量切削试义。在过去的加工中主要是参考切削用量手册、验或根据工人经验来确定切削用量，而且过多的关注于实现高效＊来稿日期：2011-10-10＊基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAC02A02）sssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss32101010-C式中：λ=10；600.51Lb—航空齿轮泵全工作范围任意工况的寿命；Lbe—航空齿轮泵额定工况下的寿命。4结论针对航空燃油齿轮泵设计阶段缺乏寿命计算和校验问题，给出了一种采用修正部件法来进行寿命估算的方法。针对航空燃油齿轮泵，确定了轴承作为敏感部件，并结合从动轴承的受力情况完成了从动轴承寿命的估算；选定了影响齿轮泵寿命的主要因素温度作为修正因子，给出了修正系数的计算方法；最后得出了航空齿轮泵通用寿命计算公式和额定状态下的寿命计算公式。ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssLbe=KbLhe=0.6λe6Te低成本和高质量而忽略了资源消耗和环境污染方面，这已不率、精密化、清洁化的现代加工要求。基于绿制能满足日益高速化、造思想，运用金属切削理论，数学建模和模型优化寻求切削用量传统的求解方法大多是单一的最优值是解决该问题的有效方法。的采用智能算法（如遗传算法、粒子算法）或模糊综合评价法。虽ne（△p）e-1-3B-3（De）-3（12）该方法完善了齿轮泵寿命研制的“原理设计—校验设计—试验验证”过程，降低了寿命不满足设计要求的风险，减少了不必要的试验验证和重复设计。103参考文献［1］樊思齐.航空发动机控制（上册）［M］.西安:西北工业大学出版社，2008.［2］GJB241-87，航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范［S］.［3］HB/Z134-88，发动机燃油控制系统齿轮式燃油泵设计指南［S］.［4］航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册（第十五册）.控制及燃油系统［M］.北京：航空工业出版社，2002.［5］莫海军，蓝民华，杨林丰.机械零件设计有关寿命问题的研究［J］.机电工程技术，2009，38（8）：93-96.［6］李育锡.机械设计基础［M］.北京:高等教育出版社，2007.［7］王少萍，李沛琼.液压泵综合应力寿命试验方法研究［J］.北京航空航天大学学报，2000，26（1）：38-40.