張歡 張婷婷 肖玄 李霖

摘 要：某發(fā)動機姿態(tài)試車臺，通過俯仰臺架實現(xiàn)俯仰運動，通過主支點及側(cè)滾臺架實現(xiàn)側(cè)滾運動。主支點既充當發(fā)動機傳動軸的一部分，也充當側(cè)滾臺架旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動機構(gòu)。本文根據(jù)某發(fā)動機姿態(tài)試驗時出現(xiàn)的主支點斷軸現(xiàn)象進行分析，對主支點的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，縮短了發(fā)動機傳動軸長度，消除了主支點與發(fā)動機傳動軸相互作用，對后續(xù)渦軸發(fā)動機姿態(tài)試驗的開展具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：姿態(tài)試車臺；斷軸故障；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0065-03

航空發(fā)動機是現(xiàn)代軍事裝備的一個重要組成部分，使用范圍廣泛，使用條件惡劣，不僅會受到自然環(huán)境條件的影響，而且會受到隨機飛行姿態(tài)的影響。發(fā)動機在整個飛行包線內(nèi)轉(zhuǎn)子受力、滑油壓力等各項參數(shù)變化幅度較大，對發(fā)動機各個部件的性能及工作穩(wěn)定性，對發(fā)動機的振動、結(jié)構(gòu)強度、軸承的潤滑等均有重大影響[1]。被列入“飛行前規(guī)定試驗”結(jié)構(gòu)試驗的重要項目之一。因此發(fā)動機在整個飛行范圍內(nèi)的工作穩(wěn)定性和可靠性需要通過姿態(tài)試驗來驗證。

某姿態(tài)試車臺是中國航發(fā)湖南動力機械研究所自主研制的航空發(fā)動機整機姿態(tài)試車臺，其最大上仰角度105°，最大下俯角度90°，左右側(cè)滾角度50°，滿足2000kW以下渦軸發(fā)動機的姿態(tài)試驗。

1 試驗設(shè)備

某姿態(tài)試車臺通過姿態(tài)平臺實現(xiàn)姿態(tài)角度的變化，且側(cè)滾運動和俯仰運動能同時各自獨立進行，彼此間互不干涉。姿態(tài)平臺包括俯仰臺架及側(cè)滾臺架。俯仰臺架為整體旋轉(zhuǎn)平臺，側(cè)滾臺架安裝在俯仰臺架上，隨俯仰臺架而進行旋轉(zhuǎn)運動。側(cè)滾臺架安裝示意圖如圖1所示，側(cè)滾臺架采用主支點作為驅(qū)動機構(gòu)及傳遞發(fā)動機輸出扭矩。

主支點由支座、齒輪外殼、圓錐滾子軸承、左軸頭、高速傳扭軸、右軸頭、高速陶瓷軸承等組成。其中齒輪外殼由圓錐滾子軸承固定在支座上，通過連接板與側(cè)滾臺架相連，當齒輪外殼在齒條驅(qū)動作用下轉(zhuǎn)動時，同時由連接板帶動側(cè)滾臺架轉(zhuǎn)動。發(fā)動機安裝在側(cè)滾臺架上，從而實現(xiàn)發(fā)動機的側(cè)滾運動。

左軸頭、高速傳扭軸、右軸頭、高速陶瓷軸承等組合實現(xiàn)發(fā)動機高速傳扭。

高速傳扭軸穿過齒輪外殼內(nèi)部空心處，兩者之間的轉(zhuǎn)動互不影響。

2 試驗現(xiàn)象

某渦軸發(fā)動機進行姿態(tài)試驗時，在發(fā)動機從地慢轉(zhuǎn)入空慢狀態(tài)時，出現(xiàn)主支點振動急劇上升，主支點有火星冒出現(xiàn)象。緊急停車后發(fā)現(xiàn)主支點高速傳扭軸兩端軸頭斷裂。對斷口進行理化分析，確定斷口為過載瞬斷斷口，碎屑材料為高速陶瓷軸承材料，原主支點斷軸示意圖如圖2所示。

3 故障分析

為了確定主支點斷軸故障原因，建立故障樹如圖3所示。

具體分析如下：

（1）軸承故障。軸承故障或燒蝕，導(dǎo)致高速傳扭軸載荷突然增大，超過設(shè)計極限而破裂。從試驗數(shù)據(jù)分析，斷軸前軸承溫度沒有明顯上升，且發(fā)動機完成了最大狀態(tài)運轉(zhuǎn)，因此軸承是正常的。

（2）低周疲勞斷裂。從斷口分析為過載瞬斷斷口，不屬于低周疲勞斷裂。

（3）高周疲勞斷裂。從主支點的結(jié)構(gòu)看，兩端軸頭懸臂較長，重量較大，因此有可能造成高速傳扭軸在工作過程中產(chǎn)生較大的振動，引起高周疲勞而斷軸。

（4）靜強度不足。斷軸前發(fā)動機完成了最大狀態(tài)運轉(zhuǎn)，斷軸發(fā)生時在慢車狀態(tài)，因此靜強度滿足要求。

（5）鎖緊螺釘松動。通過對主支點結(jié)構(gòu)進行分析，高速傳扭軸與軸頭通過止口定位，再由螺栓進行緊固，確保軸頭在軸向位置不會發(fā)生串動。但高速傳扭軸在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動造成螺釘松動，導(dǎo)致軸頭脫離定位面后偏轉(zhuǎn)振動，從而造成斷軸。

（6）轉(zhuǎn)子不平衡量過大。主支點和軸頭在制造過程中均進行了單獨的動平衡，但沒有進行轉(zhuǎn)軸和軸頭的組合動平衡、裝配后引起轉(zhuǎn)子的不平衡量可能超過設(shè)計極限值，使傳動軸承受過大的振動交變載荷而發(fā)生斷軸。

（7）軸頭裝配不到位。軸頭與高速傳扭軸之間有定位止口，在裝配到位且可靠鎖緊的情況下，軸系能正常工作，若軸頭裝配沒有到位，可能加速鎖緊螺釘?shù)乃蓜樱瑢?dǎo)致軸頭脫離定位止口。

（8）支撐主軸的圓錐滾子軸承松動。高速傳扭軸由一對圓錐滾子軸承支撐在支座上，圓錐滾子軸承的松動使主軸不能可靠固定，有可能使主軸的振動增大，使傳動軸承受過大的振動交變載荷而發(fā)生斷軸。

從以上分析結(jié)果可以看出，傳扭軸斷軸狀態(tài)在發(fā)動機從地慢至空慢的過渡階段，傳扭軸傳遞的扭矩非常小，從分解后的情況看，軸頭裝配不到位且沒有可靠鎖緊的情況下，由于軸頭偏重且有可能裝配后的轉(zhuǎn)子不平衡量過大，造成了轉(zhuǎn)子的振動偏大，同時也造成傳動軸運轉(zhuǎn)的徑向位移增大。在鎖緊螺釘松開后，傳動軸運轉(zhuǎn)的徑向位移進一步增大，從而使軸頭完全脫離定位止口，形成發(fā)散系統(tǒng)造成斷軸。

4 解決措施

由于發(fā)動機與測功器之間傳動軸較長，安裝時對各軸的同軸度要求較高，且軸頭與花鍵的配合要求較高。故為了縮短傳動軸長度，排除主支點對傳動軸的影響，對主支點結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保持發(fā)動機傳動軸結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，通過縮減主支點的軸向尺寸，去除主支點高速傳扭軸設(shè)計，僅保留主支點側(cè)滾驅(qū)動功能。安裝時只需要將發(fā)動機傳動軸與測功器直接相連即可。

優(yōu)化后的主支點在車臺的安裝示意圖見圖4所示。

目前發(fā)動機姿態(tài)臺側(cè)滾系統(tǒng)包括支撐發(fā)動機主支點和輔助支撐架及調(diào)整機構(gòu)以及傳動機構(gòu)，側(cè)滾臺架主要用作發(fā)動機安裝架的支撐平臺。發(fā)動機安裝在側(cè)滾臺架上，能隨側(cè)滾試驗平臺產(chǎn)生側(cè)滾運動。側(cè)滾臺架具有可拆卸更換性，對于不同的發(fā)動機其結(jié)構(gòu)不同。

為了考核發(fā)動機安裝面在飛行姿態(tài)時的受力情況，側(cè)滾試驗平臺的發(fā)動機安裝形式采用與飛機上安裝形式基本相同，支撐軸通過法蘭與發(fā)動機的前安裝面連接，支撐軸通過軸承固定在軸承座上，發(fā)動機輔助支點安裝在一弧形滑道上，弧形滑道安裝在圓形支架上，圓形支架固定在俯仰平臺上。通過調(diào)整3根輔助支撐桿的高度，保證發(fā)動機安裝時發(fā)動機的軸心位于側(cè)滾臺架弧形滑道的旋轉(zhuǎn)中心。

發(fā)動機的輸出軸穿過主支點中心與測功器飛輪通過軸頭相連，軸頭兩端為內(nèi)花鍵，軸頭的主要功能是將發(fā)動機輸出軸功率傳遞給飛輪和測功器。

目前側(cè)滾系統(tǒng)的驅(qū)動由直線液壓缸驅(qū)動，液壓缸帶動齒輪軸運動，齒輪軸與側(cè)滾支架通過止口連接，從而帶動整個側(cè)滾臺架進行側(cè)滾運動，從圖中可以看出，這種設(shè)計與前面的中支點相比，最大的優(yōu)點就是發(fā)動機到測功系統(tǒng)的軸向距離得到了很大的縮短，這就大幅降低了試驗中再次出現(xiàn)斷軸地風險，優(yōu)化后的主支點示意圖如圖5所示。

新的中支點采用齒輪齒條傳動方式，液壓站為液壓缸提供動力，液壓缸帶動上下平行放置的兩根齒條，齒條帶動中間的傳動齒輪，傳動齒輪由軸承支撐，與發(fā)動機安裝架通過止口定位連接，發(fā)動機的輸出軸通過齒輪中間的圓孔與測功器直接相連接。

改造后的中支點可以提供約5600Nm的側(cè)滾扭矩，受限于液壓缸行程和齒條長度，新中支點存在一個側(cè)滾角度極限。

當側(cè)滾臺架在水平位置時，齒輪與齒條的中點位置捏合，如圖5所示位置，則側(cè)滾的極限位置為齒輪與齒條端點的嚙合位置。

液壓缸總行程為90mm，齒條總長380mm，齒輪模數(shù)m=10，齒數(shù)z=30，則齒輪分度圓直徑為：

d=m×z=10×30=300

則側(cè)滾的極限角度為：

θ=[（90/2）/300]×360°=54°

則側(cè)滾的最大角度≈±50°。

新的側(cè)滾中支點滿足大多數(shù)型號渦軸發(fā)動機姿態(tài)試驗的要求。

5 結(jié)語

優(yōu)化后的主支點在試驗現(xiàn)場安裝完成后，保證水平位置的同軸度精度，在側(cè)滾臺架旋轉(zhuǎn)各姿態(tài)角度下進行同軸度檢測，未發(fā)現(xiàn)發(fā)動機同軸度發(fā)生變化，證明發(fā)動機在進行側(cè)滾運動時，輸出軸與測功器之間一直保持同心關(guān)系。試驗證明，優(yōu)化后的主支點實現(xiàn)了側(cè)滾驅(qū)動功能，同時，保證了發(fā)動機輸出軸傳扭功能正常。在發(fā)動機各個工作狀態(tài)下均能正常穩(wěn)定工作。

參考文獻

[1] 龍合良，唐名揚.渦軸發(fā)動機姿態(tài)試車臺姿態(tài)臺架方案設(shè)計探討[C].中國航空學會，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.