渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)研究

劉明春 付征宇 張浙波

【摘 要】 本文對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在試車臺(tái)進(jìn)行大偏轉(zhuǎn)角（功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的角度偏差不小于0.5°）試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)的振動(dòng)及花鍵磨損等情況進(jìn)行分析研究，分別從輸出軸選擇、臺(tái)架設(shè)計(jì)和偏移方案等方面對(duì)車臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，降低風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)的成功為今后的科研積累了數(shù)據(jù)，奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) 大偏轉(zhuǎn)角 試驗(yàn)

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范中，對(duì)于持久試車有一項(xiàng)要求為：“功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的角度偏差不小于0.5°”，該項(xiàng)要求主要是為了考核發(fā)動(dòng)機(jī)在極端情況下的工作情況，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的裝機(jī)條件。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)在試車臺(tái)進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)前，需要通過激光調(diào)心儀調(diào)整同軸度，使功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸盡量處在一條直線上，兩者之間的偏轉(zhuǎn)角度越小越好（在0.03°以內(nèi)）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸之間的角度偏差（偏轉(zhuǎn)角）過大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)與功率吸收裝置的振動(dòng)變大，從而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)功器。故該試驗(yàn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

在常規(guī)試車臺(tái)進(jìn)行的某次大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)突然變大。停車后檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)鼠籠彈支出現(xiàn)裂紋，車臺(tái)連接軸花鍵出現(xiàn)凹坑。后經(jīng)討論，認(rèn)為該現(xiàn)象的發(fā)生是由于連接軸的設(shè)計(jì)缺陷以及臺(tái)架的剛性不足造成的，為保證試驗(yàn)?zāi)茉谠囓嚺_(tái)成功進(jìn)行，需要對(duì)偏移方案進(jìn)行合理的分析，并設(shè)計(jì)專用的車臺(tái)傳動(dòng)軸和臺(tái)架來實(shí)現(xiàn)0.5°的角度偏差。本文將分別從輸出軸選擇、臺(tái)架設(shè)計(jì)和偏移方案等方面進(jìn)行理論計(jì)算，降低試車臺(tái)進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，并最終通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)來研究在試車臺(tái)進(jìn)行0.5°偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的可行性。

1 大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)與車臺(tái)的連接軸為剛性軸，該類型的連接軸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本較低，試驗(yàn)前會(huì)通過調(diào)心將偏轉(zhuǎn)角和軸端徑向偏移量盡可能減小，但如果進(jìn)行0.25°偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)，剛性軸為直齒連接時(shí)，由于缺乏角向補(bǔ)償量，花鍵周向受載不均勻，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，花鍵嚙合處極易產(chǎn)生磨損而發(fā)生損壞，喪失傳扭能力。為適應(yīng)大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)需求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與車臺(tái)的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功器之間采用疊片連接軸組件柔性連接，疊片軸與發(fā)動(dòng)機(jī)端使用鼓形齒花鍵配合，疊片軸與測(cè)功器端為法蘭配合，疊片靠近測(cè)功器端，如圖1所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速15000r/min，扭矩1500N？m，軸向補(bǔ)償±2mm，角向補(bǔ)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(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)連接方式，車臺(tái)連接軸采用的疊片軸形式與主減傳動(dòng)軸一致。與主減傳動(dòng)軸花鍵相比，車臺(tái)傳動(dòng)軸花鍵的齒厚略小，齒形公差偏大，齒側(cè)鼓形度基本一致，齒頂鼓形度偏大，車臺(tái)傳動(dòng)軸的齒側(cè)間隙、角度補(bǔ)償更大，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)偏0.5°的安裝要求。

1.1.2 車臺(tái)連接軸偏擺對(duì)花鍵配合影響分析

車臺(tái)連接軸偏擺時(shí)，車臺(tái)連接軸花鍵與輸出軸花鍵槽齒側(cè)和齒頂間隙將發(fā)生變化。為滿足間隙補(bǔ)償要求，防止對(duì)輸出軸帶來附加應(yīng)力，車臺(tái)連接軸花鍵采用齒頂鼓形、齒向（側(cè)）修形設(shè)計(jì)。連接軸的安裝及花鍵鼓形設(shè)計(jì)見圖2。

1.2 臺(tái)架的設(shè)計(jì)

試車臺(tái)進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)時(shí)，在連接軸的安裝前，會(huì)通過調(diào)心儀對(duì)功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的同軸度進(jìn)行調(diào)整，相對(duì)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，并不會(huì)引起連接軸兩端太大的偏移量，所以在臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)形式，因自由度較多，能夠極大簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)上臺(tái)所需操作。但當(dāng)使用該型臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功器之間的偏角會(huì)有較大的變化。因此運(yùn)用于大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)時(shí)，因其自由端偏移量的不確定性，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中偏轉(zhuǎn)角不能確保在0.25°以內(nèi)，有較大可能會(huì)加大偏轉(zhuǎn)角，長時(shí)間工作會(huì)引起軸頭花鍵結(jié)合面損壞，極大的減少連接軸的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)發(fā)生軸頭齒輪破損、發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)一側(cè)深，一側(cè)淺的情況。該情況是由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，連接軸花鍵受力不均勻?qū)е隆?/p>

因此相比常規(guī)車臺(tái)臺(tái)架的設(shè)計(jì)，大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)需要更加穩(wěn)定的前支撐，減少自由結(jié)構(gòu)，以防發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)角突變。

在當(dāng)前車臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架前支撐點(diǎn)的安裝方式改用插銷式定位，通過兩個(gè)特制定位銷固定安裝座，使發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中僅能通過自由安裝節(jié)在軸承上的滑動(dòng)進(jìn)行少量水平方向移動(dòng)，并有效地防止發(fā)動(dòng)機(jī)在徑向及垂直方向的竄動(dòng)。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)后支撐方式為夾角式，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)受熱膨脹時(shí)，夾角變大，與發(fā)動(dòng)機(jī)固定端下移，有效地減小了發(fā)動(dòng)機(jī)尾端中心位置在垂直方向上的位移，夾角下方安裝有滑動(dòng)軸承，使發(fā)動(dòng)機(jī)受熱膨脹時(shí)能在軸向自由伸縮。

1.3 偏移方案

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與測(cè)功器的中心偏移角度通過調(diào)心儀（FIXTURLASER XA）來調(diào)節(jié)，調(diào)心儀的調(diào)心原理見圖5。角向偏移Y是指換算到直徑100mm的圓時(shí)，由夾角α產(chǎn)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(diǎn)到調(diào)心儀位置距離L所形成的徑長，因每次調(diào)心儀安裝位置不同，L值不同。該次試驗(yàn)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(dāng)α=0.5°時(shí)，角向偏移Y=100*tg（0.5°）=0.44mm，徑向偏移X=L*tg（0.5°）。調(diào)節(jié)好偏移量后，重新調(diào)心。

兩次調(diào)心數(shù)據(jù)見表1、表2。數(shù)據(jù)偏差較小，確保功率吸收裝置傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)，連接軸選擇在固定安裝節(jié)方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。這種方式下安裝，試驗(yàn)過程中，若發(fā)動(dòng)機(jī)前端出現(xiàn)膨脹，使發(fā)動(dòng)機(jī)前端兩側(cè)安裝節(jié)距離加大時(shí)，偏角會(huì)往自由安裝節(jié)方向縮小，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

該試驗(yàn)分為兩次，分別在在小偏轉(zhuǎn)角（0.03°）、大偏轉(zhuǎn)角（0.58°）的情況下進(jìn)行以下試驗(yàn)：

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，分別地慢、空慢、50%最大連續(xù)，75%最大連續(xù)、最大連續(xù)、最大起飛等狀態(tài)點(diǎn)各停留3分鐘，采集并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)各位置及測(cè)功器振動(dòng)情況。

試驗(yàn)過程中，密切關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，記錄各狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置的振動(dòng)值。每隔一段時(shí)間，停車，目視查看連接軸花鍵磨損情況。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在同一車臺(tái)分別進(jìn)行無偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)及大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行采集，相同狀態(tài)（同轉(zhuǎn)速、同溫度、同功率）的振動(dòng)情況無明顯異常，整個(gè)試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)振動(dòng)明顯加大等情況。

在確定發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)后的正常現(xiàn)象，無凹凸跡象，對(duì)連接軸花鍵使用并無較大影響。對(duì)輸出軸進(jìn)行無損檢查，檢查結(jié)果為合格，無裂紋。因此可認(rèn)為該試驗(yàn)成功完成。

4 小結(jié)

通過大偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的研究分析，對(duì)車臺(tái)軸和臺(tái)架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保試車臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)0.5°偏轉(zhuǎn)角，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行以及連接軸的磨損檢測(cè)合格，考核了發(fā)動(dòng)機(jī)在0.5°偏轉(zhuǎn)角下運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證了該次試車臺(tái)改進(jìn)方案的可行性。這不僅滿足了該型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，也為同類型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)積累了重要數(shù)據(jù)。

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