劉知理，許明文，趙 平，朱明明

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺是一個(gè)綜合的多參數(shù)測試系統(tǒng)，其測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性必須依靠校準(zhǔn)來保障[1]。目前，地面試車臺校準(zhǔn)的通用做法是進(jìn)行交叉校準(zhǔn)，即用同一臺性能穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)在基準(zhǔn)試車臺及待校準(zhǔn)試車臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，達(dá)到在規(guī)定精度范圍內(nèi)校準(zhǔn)試車臺的目的[2-3]。

軸功率是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，常通過分別測量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸扭矩與轉(zhuǎn)速然后計(jì)算得出，其測量精度是否滿足相關(guān)質(zhì)量要求是試車臺資質(zhì)認(rèn)證的重要判據(jù)之一。水力測功器是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺上用來吸收并測量發(fā)動(dòng)機(jī)功率的常用設(shè)備，也是試車臺功率測量系統(tǒng)的重要組成部分。上世紀(jì)80年代末，我國引進(jìn)美國高速水力測功器應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)時(shí)，就將其作為功率吸收裝置并承擔(dān)功率測量任務(wù)。為在地面試驗(yàn)?zāi)M發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)狀態(tài)，還經(jīng)常配備與直升機(jī)旋翼慣量矩相當(dāng)?shù)娘w輪作為其模擬裝置。一般情況下，水力測功器的測量精度已足夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的要求，但當(dāng)使用時(shí)間過長而使其拉壓傳感器特性發(fā)生變化時(shí)，或當(dāng)加裝飛輪時(shí)由于無法預(yù)知飛輪的功耗，其測量軸功率的精度會(huì)有所下降。為此，國外許多發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)常常采用額外加裝測扭器的方式來精確測量渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩，從而提高軸功率測量的準(zhǔn)確性。測扭器的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，缺點(diǎn)是無法吸收功率而單獨(dú)使用，同時(shí)引入了使傳動(dòng)鏈復(fù)雜化導(dǎo)致軸系振動(dòng)特性變差的風(fēng)險(xiǎn)，加上高昂的購置成本，阻礙了將其作為廣泛使用的試車臺常規(guī)設(shè)備。以往，水力測功器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)只是通過加裝測扭器對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，并未對測扭器進(jìn)行零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，本世紀(jì)初該方法就在某型號的試驗(yàn)中應(yīng)用過。該方法建立在假定零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)出廠精度長期有效的基礎(chǔ)上[3]，然而受使用時(shí)效等因素的影響，測扭器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的零值會(huì)產(chǎn)生漂移甚至超出出廠精度。此時(shí)，對水力測功器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)就會(huì)因忽略了該漂移量而產(chǎn)生一定的誤差。因此，有必要引入測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中所有無功率輸出的狀態(tài)下，消除測扭器扭矩測量結(jié)果非零的差異。

我國適航相關(guān)條例明確規(guī)定，承擔(dān)適航試驗(yàn)的試車臺必須滿足中國民用航空局(CAAC)質(zhì)量管控審定要求[4]。在與法國透博梅卡公司進(jìn)行的某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制合作項(xiàng)目中，中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所承擔(dān)了加速任務(wù)試驗(yàn)等適航取證項(xiàng)目。因此，承擔(dān)適航取證試驗(yàn)的試車臺的首要任務(wù)就是進(jìn)行交叉校準(zhǔn)，以取得滿足CAAC認(rèn)可的資質(zhì)。在試車臺資質(zhì)認(rèn)證初期，軸功率測量數(shù)據(jù)較之法方基準(zhǔn)試車臺測量數(shù)據(jù)差異超過了允許的范圍，如何提高試車臺功率測量系統(tǒng)校準(zhǔn)精度，從而保證功率測量的準(zhǔn)確性，成為一項(xiàng)亟待解決的問題。

針對渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺功率測量系統(tǒng)，本文提出了一種新的校準(zhǔn)方案。該方案通過引入測扭器扭矩零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)對水力測功器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，然后采用曲線擬合方法建立水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式并嵌入到其功率計(jì)算程序中，最后通過試驗(yàn)檢驗(yàn)水力測功器的功率測量精度，驗(yàn)證校準(zhǔn)方案的有效性。

2 校準(zhǔn)方案

本文所研究的功率測量系統(tǒng)主要包括水力測功器、測扭器及其輔助設(shè)備。水力測功器選用英國Froude公司的HS125型水力測功器，測扭器選用英國Torquemeter公司的E2測扭器，其主要性能參數(shù)分別見表1和表2。

表1 HS125水力測功器的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of HS125 hydraulic dynamometer

表2 E2測扭器的主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of E2 torque converter

為確保試驗(yàn)有效性，選取某型性能穩(wěn)定的一臺渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)件。試驗(yàn)時(shí)，功率傳遞首先由發(fā)動(dòng)機(jī)傳至測扭器，再至飛輪，最后傳遞至水力測功器并將功率吸收，整體布局如圖1所示。

校準(zhǔn)中，首先分別進(jìn)行水力測功器及測扭器的靜態(tài)校準(zhǔn)。即發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用添加標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式，將添加載荷的扭矩測量結(jié)果與相應(yīng)載荷下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對比[5]。水力測功器靜態(tài)校準(zhǔn)安裝如圖2所示，測扭器的靜態(tài)校準(zhǔn)原理與水力測功器的靜態(tài)校準(zhǔn)原理相同，兩者靜態(tài)校準(zhǔn)連接圖分別如圖3、圖4所示。

對于水力測功器，由于標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)載加載方式之間的固有差異以及飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功耗，需在靜態(tài)校準(zhǔn)之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中利用測扭器的扭矩測量結(jié)果對測功器的扭矩測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，消除飛輪及其他因素產(chǎn)生損耗所造成的兩者扭矩測量值之間的差異。水力測功器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過程中，首先獲取其扭矩測量值與測扭器的扭矩測量值，然后對測量結(jié)果進(jìn)行分析處理，并通過曲線擬合得出扭矩校準(zhǔn)公式，最后將扭矩校準(zhǔn)公式嵌入到其功率計(jì)算程序中并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

而對于作為水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)基準(zhǔn)的測扭器，由于缺乏某種更高精度的扭矩測量方式作為衡量，因此無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。其在出廠時(shí)進(jìn)行了靜態(tài)校準(zhǔn)及零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，但由于試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的欠缺，以及受進(jìn)口設(shè)備返廠校檢費(fèi)用高昂和周期漫長等因素制約，未能進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。以往測扭器校準(zhǔn)時(shí)只進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，但實(shí)際應(yīng)用中其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的零值會(huì)產(chǎn)生漂移甚至超過出廠精度，可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)中的扭矩測量精度下降甚至失真，因此有必要引入測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的具體方法為：脫開發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載(水力測功器)，用發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶轉(zhuǎn)測扭器，測得輸出軸轉(zhuǎn)速在地面慢車狀態(tài)(74%動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速)和空中慢車狀態(tài)(100%動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速)時(shí)的測扭器扭矩相位零值(ZTD)，將相應(yīng)的ZTD值分別初始化設(shè)定到測扭器控制盒的相應(yīng)轉(zhuǎn)速下，即可保證測扭器在無負(fù)載情況各轉(zhuǎn)速下所測扭矩為零值。

綜上所述，本文功率測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方案首先分別進(jìn)行水力測功器、測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)；然后進(jìn)行測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)；再采用零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)之后的測扭器對水力測功器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，獲取水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式并嵌入其功率計(jì)算程序中；最后，對水力測功器的功率測量精度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而驗(yàn)證本文校準(zhǔn)方案的可靠性。

3 校準(zhǔn)結(jié)果

3.1 水力測功器和測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果

按照上述校準(zhǔn)步驟，得到水力測功器和測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果，分別如表3、表4所示。

表3 水力測功器靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果Table 3 Static calibration results for hydraulic dynamometer

對比水力測功器和測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)的滿量程誤差與表1、表2中的靜態(tài)校準(zhǔn)精度性能參數(shù)可見，本文水力測功器和測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果均滿足要求。

3.2 測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

脫開水力測功器，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)空中慢車狀態(tài)的測扭器零值檢查試驗(yàn)。為檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，共進(jìn)行了4次試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得的輸出軸轉(zhuǎn)速在地面慢車狀態(tài)(74.0%動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速)和空中慢車(100.0%動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速)時(shí)的測扭器扭矩相位零值如表5所示。從表中可看出，試驗(yàn)可重復(fù)性較高，且發(fā)動(dòng)機(jī)在地面慢車和空中慢車的ZTD值偏差較小。測得的測扭器扭矩在地面慢車和空中慢車狀態(tài)的結(jié)果均約為2.5 N·m，對應(yīng)于滿量程相對值為0.18%，超出了表2中的測扭器零點(diǎn)漂移允許值。

表4 測扭器靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果Table 4 Static calibration results for torquemeter

表5 測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)扭矩相位零值Table 5 ZTD value of zero dynamic calibration for torquemeter

取第4次試驗(yàn)所得ZTD值分別初始化設(shè)定到測扭器控制盒的相應(yīng)轉(zhuǎn)速下，即可保證測扭器在發(fā)動(dòng)機(jī)無功率輸出時(shí)輸出軸各轉(zhuǎn)速下的測扭器測量扭矩值為零。至此，完成了測扭器的零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

3.3 水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

在測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)基礎(chǔ)上，利用測扭器進(jìn)行水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，以獲取水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式。水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)中，扭矩和功率測量結(jié)果分別見表6、表7。表中，N1r為發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器相對轉(zhuǎn)速，N2r為動(dòng)力渦輪相對轉(zhuǎn)速，Tdn為水力測功器測量扭矩，T為測扭器測量扭矩，ΔT為水力測功器測量扭矩較測扭器測量扭矩的差值，Pst為基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值，Pdn為水力測功器功率相對計(jì)算值，P為測扭器功率相對計(jì)算值，ΔPdn為水力測功器功率相對計(jì)算值較基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值差值，ΔP為測扭器功率相對計(jì)算值較基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值之差。由表6可見，發(fā)動(dòng)機(jī)同一狀態(tài)下水力測功器測量扭矩值相比測扭器測量值小，這主要是由于功率傳遞中飛輪產(chǎn)生損耗所致。由表7可見，測扭器的功率相對計(jì)算值與基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值的最大絕對差值為0.007，符合型號規(guī)定的交叉校準(zhǔn)允許范圍(±0.008)；而水力測功器功率相對計(jì)算值較基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值絕對差值較大(最小絕對差值為0.017)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了型號規(guī)定的交叉校準(zhǔn)允許范圍。

表6 水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)扭矩測量值Table 6 Torque measurements results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

表7 水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)功率相對計(jì)算值Table 7 Relative calculation results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

3.4 水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式

根據(jù)表6中扭矩測量結(jié)果，建立以水力測功器扭矩測量值為自變量、測扭器扭矩測量值為因變量的二次曲線擬合關(guān)系式，即為測功器扭矩校準(zhǔn)公式。擬合曲線如圖5所示，扭矩校準(zhǔn)公式為：

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式嵌入其功率計(jì)算程序，并重復(fù)一次與水力測功器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過程相同的試驗(yàn)。表8為驗(yàn)證試驗(yàn)扭矩測量值，可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)相同狀態(tài)下，測扭器扭矩測量值與表6中扭矩測量值基本一致，表現(xiàn)出較好的重復(fù)性；測扭器扭矩零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)之后，水力測功器扭矩測量值與測扭器扭矩測量值基本一致(最大絕對差值僅1.46 N·m)，表明了本文水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式的可靠性。

表9為驗(yàn)證試驗(yàn)功率相對計(jì)算值。從表中可看出，水力測功器功率相對計(jì)算值較基準(zhǔn)試車臺功率相對計(jì)算值差值明顯減小(最大絕對差值為0.007)，驗(yàn)證了本文校準(zhǔn)方案的可行性與準(zhǔn)確性。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)扭矩測量值Table 8 Torque measurement results of verification test

表9 驗(yàn)證試驗(yàn)功率相對計(jì)算值Table 9 Relative calculation results of verification test

4 結(jié)束語

針對渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺功率測量系統(tǒng)，本文提出了一種新的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方案。該方案首次開展了測扭器零值動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)工作，突破了以往測扭器校準(zhǔn)停留在靜態(tài)校準(zhǔn)的做法。在此基礎(chǔ)上對水力測功器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，采用曲線擬合方法建立水力測功器扭矩校準(zhǔn)公式并嵌入到其功率計(jì)算程序中，并對水力測功器測量精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。水力測功器在發(fā)動(dòng)機(jī)相同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下與基準(zhǔn)試車臺的功率測量絕對差值由最小0.017降至0.008以內(nèi)，表明本文校準(zhǔn)方案切實(shí)有效，能有效提高軸功率測量精度。