李梁軼

(中航工程集成設(shè)備有限公司，北京 102206)

1 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)是用于驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣的重要試驗(yàn)設(shè)施，試車(chē)臺(tái)應(yīng)能精確測(cè)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、扭矩等重要參數(shù)，可測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，或進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)持久試車(chē)等。由于試車(chē)間與外界環(huán)境相通，試車(chē)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受到溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、電磁場(chǎng)等因素的影響。如濕度過(guò)高會(huì)影響電纜的絕緣性；振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致試車(chē)臺(tái)結(jié)構(gòu)變化，造成傳感器數(shù)值突變；電磁場(chǎng)干擾易導(dǎo)致電路串流，降低數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性[1]。實(shí)踐證明，溫度是影響試車(chē)臺(tái)推力校準(zhǔn)的重要因素。溫度會(huì)改變測(cè)力傳感器的技術(shù)特性，造成傳感器的零點(diǎn)漂移，線性度和靈敏度均會(huì)發(fā)生改變[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口附近的高溫燃?xì)鈺?huì)導(dǎo)致范圍內(nèi)的試車(chē)臺(tái)架溫度升高并發(fā)生熱量傳遞，造成結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生側(cè)向載荷和偏心載荷，測(cè)力傳感器會(huì)發(fā)生重心偏移，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不精確[4]。當(dāng)前，大多數(shù)的測(cè)力傳感器都會(huì)在校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)[2，3]，或采用一系列的溫度壓力控制方法[5，6]，降低傳感器的溫度敏感性并提升傳感器的抗側(cè)向力和抗彎性能，有效提高傳感器的精度和穩(wěn)定性。

本文針對(duì)溫度因素對(duì)試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量精度的影響，在不同室溫情況下進(jìn)行推力測(cè)量試驗(yàn)，并在傳感器保溫和試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱條件下進(jìn)行推力測(cè)量試驗(yàn)，分析溫度因素對(duì)試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量精度的影響，為試車(chē)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出合理意見(jiàn)。

2 試驗(yàn)方案

在安裝模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行全部試驗(yàn)，使用美國(guó)Interface公司測(cè)量范圍為0kN到125kN的測(cè)力傳感器。高精測(cè)量組件傳感器雙向預(yù)緊安裝在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口上方的試車(chē)臺(tái)動(dòng)架頂部，左右兩側(cè)各一組。在推力測(cè)量前，對(duì)雙向預(yù)緊的測(cè)力傳感器施加大于額定載荷的預(yù)緊力。由于傳感器通常在10%～100%的量程內(nèi)保持最好的線性，因此，預(yù)緊力可以有效提高測(cè)量組件的精度。傳統(tǒng)測(cè)量組件傳感器安裝在試車(chē)臺(tái)動(dòng)架前方，遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口的航向位置，左右兩側(cè)各一個(gè)。試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱示意圖

在動(dòng)架后部與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口平行位置安裝標(biāo)準(zhǔn)力源傳感器，逐級(jí)施加20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%的額定載荷，記錄標(biāo)準(zhǔn)力去回程的測(cè)力傳感器數(shù)值和彈簧片變形量，同時(shí)記錄試驗(yàn)時(shí)的溫度和壓力數(shù)值。每種工況下的推力加載試驗(yàn)共進(jìn)行5組，分別計(jì)算測(cè)力傳感器的重復(fù)性R、線性誤差L、滯后誤差H。已知校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度As，計(jì)算推力測(cè)量系統(tǒng)不確定度U。

試驗(yàn)前，在傳感器外安裝加熱毯和保溫罩，在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口附近2/3的范圍內(nèi)對(duì)試車(chē)臺(tái)動(dòng)架安裝加熱毯，可以設(shè)定傳感器和試車(chē)臺(tái)動(dòng)架保溫溫度。傳感器保溫示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器保溫示意圖

將模擬發(fā)動(dòng)機(jī)和試車(chē)臺(tái)定架頂部中間位置用直徑100mm的硬管連接并打壓，模擬試車(chē)過(guò)程中的管路影響。進(jìn)行3類(lèi)試驗(yàn)：

(1)不同室溫試驗(yàn)：在不同室溫條件下，在測(cè)力傳感器不保溫、試車(chē)臺(tái)動(dòng)架不加熱工況下，進(jìn)行推力測(cè)量試驗(yàn)。

(2)傳感器保溫試驗(yàn)：在相同室溫條件下，分別進(jìn)行無(wú)保溫試驗(yàn)和傳感器保溫推力測(cè)量試驗(yàn)。

(3)試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱試驗(yàn)：在相同的室溫條件下，設(shè)定試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱溫度為40℃，分別進(jìn)行傳感器保溫和無(wú)傳感器保溫的推力測(cè)量試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同室溫試驗(yàn)

選擇環(huán)境溫度不同的3個(gè)時(shí)段進(jìn)行推力測(cè)量試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如表1所示的結(jié)果?？梢钥闯?，環(huán)境溫度對(duì)試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性。通常情況下，高精度傳感器在工作中會(huì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度的緩慢變化不足以對(duì)精度造成影響。相較于其他環(huán)境因素，基本恒定的室溫對(duì)傳感器的影響可以忽略。

表1 不同室溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2 傳感器保溫試驗(yàn)

傳感器保溫試驗(yàn)共進(jìn)行16組，每組進(jìn)行5次加載試驗(yàn)。傳感器的工作溫度在-55℃～90℃之間，將傳感器保溫到42℃，可使傳感器保持良好的工作狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表2、表3所示的結(jié)果。對(duì)比高精測(cè)量組件試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，傳感器保溫對(duì)高精測(cè)量組件的測(cè)量精度提升不明顯。對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)量組件試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，傳感器保溫對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量組件的測(cè)量精度有明顯的提升。

表2 傳感器保溫試驗(yàn)臺(tái)架加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表3 傳感器保溫試驗(yàn)中心加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

高精測(cè)量組件是兩個(gè)傳感器雙向預(yù)緊的結(jié)構(gòu)形式，預(yù)緊力可以有效消除傳感器初始量程段的線性誤差，降低溫度敏感性。當(dāng)傳感器加熱毯接通時(shí)，強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)傳感器的數(shù)值穩(wěn)定性造成干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。傳統(tǒng)測(cè)量組件的結(jié)構(gòu)形式無(wú)法避免傳感器零漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，每組試驗(yàn)會(huì)進(jìn)行5次加載，在推力測(cè)量過(guò)程中，傳感器的溫度變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精確程度。結(jié)果表明，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量組件進(jìn)行傳感器保溫可以有效提高測(cè)量精度。

3.3 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱試驗(yàn)

試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱試驗(yàn)共進(jìn)行16組，每組進(jìn)行5次加載試驗(yàn)。試驗(yàn)中，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架的加熱溫度為40℃。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表4、表5所示的結(jié)果。

表4 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱試驗(yàn)臺(tái)架加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表5 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱試驗(yàn)中心加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱會(huì)降低推力測(cè)量的精度，考慮到保溫難度與試驗(yàn)安全性，將試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱溫度設(shè)為40℃。對(duì)比高精測(cè)量組件試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱會(huì)明顯降低高精測(cè)量組件精度，重復(fù)性誤差、線性誤差、滯后性誤差都有不同程度的增大。對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)量組件試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量組件的測(cè)量精度影響不明顯。

高精測(cè)量組件的安裝位置在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口上方的動(dòng)架上，當(dāng)對(duì)試車(chē)臺(tái)動(dòng)架進(jìn)行加熱時(shí)，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致傳感器特性的變化，傳感器無(wú)法在穩(wěn)定溫度下工作。試車(chē)臺(tái)動(dòng)架的升溫還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)架產(chǎn)生微小形變，造成測(cè)量精確度下降。傳統(tǒng)測(cè)量組件的安裝位置在遠(yuǎn)離模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口的動(dòng)架前方，基本不會(huì)受到動(dòng)架溫度變化的影響。

3.4 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱、傳感器保溫試驗(yàn)

試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱、傳感器保溫試驗(yàn)共進(jìn)行16組，每組進(jìn)行5次加載試驗(yàn)。傳感器保溫溫度為42℃，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱溫度為40℃。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表6、表7所示的結(jié)果。對(duì)比高精測(cè)量組件試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加溫試驗(yàn)中，高精測(cè)量組件保溫后，試車(chē)臺(tái)推力不確定度明顯好于保溫前不確定度；傳統(tǒng)組件保溫后，試車(chē)臺(tái)推力不確定度無(wú)明顯提高。結(jié)果表明，在試車(chē)臺(tái)試車(chē)時(shí)，動(dòng)架受溫度影響明顯，會(huì)對(duì)安裝在動(dòng)架上方的高精測(cè)量組件產(chǎn)生影響；對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行保溫，可以有效提高高精測(cè)量組件精度。

表6 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱、傳感器保溫試驗(yàn)臺(tái)架加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表7 試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱、傳感器保溫試驗(yàn)中心加載數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié) 論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)進(jìn)行推力校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量精度會(huì)受到多種因素的影響。本文針對(duì)溫度因素對(duì)試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量的影響進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，分析溫度影響，得出以下結(jié)論：

(1)高精組件所采用的雙向預(yù)緊結(jié)構(gòu)形式可以有效提高推力測(cè)量精度，可以基本消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量組件的影響。

(2)傳統(tǒng)測(cè)量組件傳感器的溫度變化會(huì)影響測(cè)量結(jié)果精度，傳感器保溫可以有效提高傳統(tǒng)測(cè)量組件的測(cè)量精度。

(3)試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱會(huì)明顯降低高精測(cè)量組件精度，有必要對(duì)傳感器進(jìn)行保溫。由于傳統(tǒng)測(cè)量組件的安裝位置遠(yuǎn)離動(dòng)架加熱區(qū)域，試車(chē)臺(tái)動(dòng)架加熱對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量組件的測(cè)量精度影響不明顯。