渦軸發動機試車臺大偏轉角試驗研究

劉明春 付征宇 張浙波

【摘 要】 本文對某型渦軸發動機在試車臺進行大偏轉角（功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸的角度偏差不小于0.5°）試驗時可能出現的振動及花鍵磨損等情況進行分析研究，分別從輸出軸選擇、臺架設計和偏移方案等方面對車臺進行改進，降低風險，并進行了試驗驗證，該試驗的成功為今后的科研積累了數據，奠定了基礎。

【關鍵詞】 渦軸發動機 大偏轉角 試驗

在某型發動機型號規范中，對于持久試車有一項要求為：“功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸的角度偏差不小于0.5°”，該項要求主要是為了考核發動機在極端情況下的工作情況，以降低發動機在飛機上的裝機條件。通常，發動機在試車臺進行常規試驗前，需要通過激光調心儀調整同軸度，使功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸盡量處在一條直線上，兩者之間的偏轉角度越小越好（在0.03°以內）。當發動機在高轉速工作時，功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸之間的角度偏差（偏轉角）過大，容易造成發動機與功率吸收裝置的振動變大，從而損壞發動機及測功器。故該試驗具有一定的風險。

在常規試車臺進行的某次大偏轉角試驗，試驗過程中，發現振動突然變大。停車后檢查，發現發動機鼠籠彈支出現裂紋，車臺連接軸花鍵出現凹坑。后經討論，認為該現象的發生是由于連接軸的設計缺陷以及臺架的剛性不足造成的，為保證試驗能在試車臺成功進行，需要對偏移方案進行合理的分析，并設計專用的車臺傳動軸和臺架來實現0.5°的角度偏差。本文將分別從輸出軸選擇、臺架設計和偏移方案等方面進行理論計算，降低試車臺進行該項試驗時的風險，并最終通過試驗對比發動機的振動來研究在試車臺進行0.5°偏轉角試驗的可行性。

1 大偏轉角試驗的分析研究

1.1 輸出軸的選擇及影響分析

1.1.1 輸出軸的選擇

通常，發動機與車臺的連接軸為剛性軸，該類型的連接軸，結構簡單，加工成本較低，試驗前會通過調心將偏轉角和軸端徑向偏移量盡可能減小，但如果進行0.25°偏轉角試驗，剛性軸為直齒連接時，由于缺乏角向補償量，花鍵周向受載不均勻，高速運轉時，花鍵嚙合處極易產生磨損而發生損壞，喪失傳扭能力。為適應大偏轉角試驗需求，對發動機輸出軸與車臺的連接方式進行改進，發動機與測功器之間采用疊片連接軸組件柔性連接，疊片軸與發動機端使用鼓形齒花鍵配合，疊片軸與測功器端為法蘭配合，疊片靠近測功器端，如圖1所示。其設計參數為：轉速15000r/min，扭矩1500N？m，軸向補償±2mm，角向補償1.0°。鼓形花鍵材料為38CrMoAlA鍛件（GJB1951-1994），齒面氮化深度≥0.3mm。

參考發動機真實連接方式，車臺連接軸采用的疊片軸形式與主減傳動軸一致。與主減傳動軸花鍵相比，車臺傳動軸花鍵的齒厚略小，齒形公差偏大，齒側鼓形度基本一致，齒頂鼓形度偏大，車臺傳動軸的齒側間隙、角度補償更大，可滿足發動機機偏0.5°的安裝要求。

1.1.2 車臺連接軸偏擺對花鍵配合影響分析

車臺連接軸偏擺時，車臺連接軸花鍵與輸出軸花鍵槽齒側和齒頂間隙將發生變化。為滿足間隙補償要求，防止對輸出軸帶來附加應力，車臺連接軸花鍵采用齒頂鼓形、齒向（側）修形設計。連接軸的安裝及花鍵鼓形設計見圖2。

1.2 臺架的設計

試車臺進行常規試驗時，在連接軸的安裝前，會通過調心儀對功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸的同軸度進行調整，相對而言，發動機高轉速工作時，并不會引起連接軸兩端太大的偏移量，所以在臺架設計時，前安裝座常采用一端固定，一端自由的方式，其模型見圖3。

該類型結構形式，因自由度較多，能夠極大簡化發動機上臺所需操作。但當使用該型臺架進行試驗時，試驗前后發動機和測功器之間的偏角會有較大的變化。因此運用于大偏轉角試驗時，因其自由端偏移量的不確定性，發動機運行過程中偏轉角不能確保在0.25°以內，有較大可能會加大偏轉角，長時間工作會引起軸頭花鍵結合面損壞，極大的減少連接軸的使用壽命，嚴重時，可能會發生軸頭齒輪破損、發動機損壞等情況。在齒面處有明顯的凹坑，而且整圈分布并不均勻，出現一側深，一側淺的情況。該情況是由于發動機運行時，連接軸花鍵受力不均勻導致。

因此相比常規車臺臺架的設計，大偏轉角試驗需要更加穩定的前支撐，減少自由結構，以防發動機在試驗過程中發生較大的偏轉角突變。

在當前車臺基礎上進行改進設計，將發動機臺架前支撐點的安裝方式改用插銷式定位，通過兩個特制定位銷固定安裝座，使發動機在試驗過程中僅能通過自由安裝節在軸承上的滑動進行少量水平方向移動，并有效地防止發動機在徑向及垂直方向的竄動。其結構形式如圖4所示。發動機后支撐方式為夾角式，當發動機受熱膨脹時，夾角變大，與發動機固定端下移，有效地減小了發動機尾端中心位置在垂直方向上的位移，夾角下方安裝有滑動軸承，使發動機受熱膨脹時能在軸向自由伸縮。

1.3 偏移方案

發動機輸出軸與測功器的中心偏移角度通過調心儀（FIXTURLASER XA）來調節，調心儀的調心原理見圖5。角向偏移Y是指換算到直徑100mm的圓時，由夾角α產生的徑長，即Y=100*tgα，徑向偏移X是指由夾角α以及鼓形齒中點到調心儀位置距離L所形成的徑長，因每次調心儀安裝位置不同，L值不同。該次試驗0.5°偏角控制在水平方向，垂直方向盡可能保證在同一直線上。因此當α=0.5°時，角向偏移Y=100*tg（0.5°）=0.44mm，徑向偏移X=L*tg（0.5°）。調節好偏移量后，重新調心。

兩次調心數據見表1、表2。數據偏差較小，確保功率吸收裝置傳動軸與發動機輸出軸的角度偏差角度滿足0.5°。下表中的表示偏角的方向，為減小發動機運行過程中的風險，連接軸選擇在固定安裝節方向進行偏轉。這種方式下安裝，試驗過程中，若發動機前端出現膨脹，使發動機前端兩側安裝節距離加大時，偏角會往自由安裝節方向縮小，降低試驗風險。

2 試驗驗證

該試驗分為兩次，分別在在小偏轉角（0.03°）、大偏轉角（0.58°）的情況下進行以下試驗：

起動發動機后，分別地慢、空慢、50%最大連續，75%最大連續、最大連續、最大起飛等狀態點各停留3分鐘，采集并記錄發動機各位置及測功器振動情況。

試驗過程中，密切關注發動機運行狀態，記錄各狀態下，發動機不同位置的振動值。每隔一段時間，停車，目視查看連接軸花鍵磨損情況。

3試驗結果及分析

使用同一臺發動機在同一車臺分別進行無偏轉角試驗及大偏轉角試驗，對發動機各點的振動進行采集，相同狀態（同轉速、同溫度、同功率）的振動情況無明顯異常，整個試驗過程中未出現振動明顯加大等情況。

在確定發動機能夠穩定運行的同時，定期觀察連接軸的磨損情況，齒面有光滑痕跡，該痕跡為齒輪嚙合運轉后的正常現象，無凹凸跡象，對連接軸花鍵使用并無較大影響。對輸出軸進行無損檢查，檢查結果為合格，無裂紋。因此可認為該試驗成功完成。

4 小結

通過大偏轉角試驗的研究分析，對車臺軸和臺架進行改進設計，確保試車臺能夠實現0.5°偏轉角，并通過試驗驗證，發動機的穩定運行以及連接軸的磨損檢測合格，考核了發動機在0.5°偏轉角下運行的穩定性，同時驗證了該次試車臺改進方案的可行性。這不僅滿足了該型發動機的研制需求，也為同類型渦軸發動機試驗積累了重要數據。

【參考文獻】

[1] 王勛.某型發動機輸出軸鼠籠斷裂故障歸零報告[R]，2016.

[2] 某型發動機型號規范.XX-GF-0001.

[3] 付征宇.某型發動機性能試車臺工程設計說明書[R].XX-W-17，2015.