高速水力測功機修理研究

鄭永清 彭浩旅 朱 輝

（中國航發南方工業有限公司，株洲 412002）

為了測試航空發動機的各項功能、性能指標，必須對航空發動機進行整機試車運行，其中測功機是實現發動機整機測試的關鍵設備。測功機不僅可以吸收被測發動機輸出的功，而且可以通過改變發動機的負荷及轉速，形成所需的測試工況，以測定發動機實際使用過程中各種運行狀態下的性能指標。高速水力測功機為高轉速、大功率渦軸發動機配套的吸功裝置，相比于低速水力測功機，其故障率大大提高，修理難度較大。因此，研究高速水力測功機的修理十分必要。

航空發動機地面性能試驗時需要模擬直升機旋轉槳的轉動慣量，同時配套相應轉動慣量的飛輪作為旋轉槳的替代設備，因此高速水力測功機包括測功機本體、飛輪、扭矩傳感器、控制器、潤滑系統以及液壓系統等部分。使用中，故障主要集中在測功機本體和飛輪兩大部件，其余系統或部件故障相對較少，排除難度低。

1 高速水力測功機修理技術指標

高速水力測功機修復后驗收的主要技術指標：水力測功機余轉時間大于27 s；扭矩模式下，扭矩精度控制在3.5 Nm 以內；轉速模式下，轉速控制精度不超過50 r·min-1；修復后測功機穩定工作時間大于2 000 h[1]。

2 高速水力測功機主要故障

高速水力測功機使用中，常見主要故障有扭矩、轉速波動超過規定值，測功機、飛輪本體振動大，自給電源不合格，測功機前、后端滲漏油現象等。一是測功機循環水質較硬，容易結垢，導致扭矩、轉速波動大，測功機、飛輪殼體振動大；二是軸承磨損，特別是軸承外圈磨損，導致振動大；三是測功機軸系磨損，存在不平衡的離心力，導致振動大；四是進水閥、回水閥、控制器故障，導致扭矩波動大；五是測功機前、后密封襯套涂層磨損或測功機轉子軸篦齒磨損嚴重，造成軸承潤滑油滲漏。

3 修理研究

3.1 測功機軸承與軸承座配合研究

高速水力測功機軸承的型號有GR208SD602 M2A7PC1、C208GX61、C208GX61、C126208N4Q3[2]。

查機械設計手冊，對C 級（超精密級）軸承，測功機固定端軸承與軸承座配合情況見表1。

表1 C 級公差軸承與軸承座配合

考慮軸承工作時發熱，溫度升高熱膨脹的影響，軸承工作溫度49 ～93 ℃，計算熱膨脹，測功機固定端軸承座公差選用H5，軸承座內孔直徑為mm。

根據測功機自由端軸承工作原理，測功機轉子自由端軸承受熱膨脹作用，沿軸向竄動，軸承座內孔公差選用H7，自由端軸承座內孔直徑為mm[3]。

查設計手冊，滾動軸承外環與軸承座配合為基軸制，對超精密軸承與軸承座配合類型有H5、Js5、K5、K6 以及M5 等配合，配合表面的粗糙度為0.8 μm[4]。

水力測功機本體和飛輪均由2 組軸承支撐，一端軸承為固定端軸承，另外一端軸承為自由端軸承；固定端軸承約束了6 個自由度，自由端軸承在軸向方向因熱膨脹可移動。

超精密級軸承與軸承座的配合，取基軸制（h5），軸承外徑上偏差為0，考慮自由端軸承的軸向位移，軸承外圈與軸承座孔的配合為間隙配合。配合情況可以參照表2。

表2 超精密級軸承與軸承座配合

查設計手冊，C 級（超精密級）軸承與軸的配合見表3。

表3 C 級公差軸承與軸的配合

軸承與實心軸采用過盈配合時，所需的配合過盈量與軸承負荷的大小、工作溫度以及軸的加工精度有關，為防止軸承內圈與軸之間產生“打滑”現象，對實心軸，內圈承受旋轉負荷時，選用的名義過盈量可近似計算為

式中：Δd為名義過盈量，μm；d為名義軸承內徑，mm；A為常數，磨削軸時A為3、精研軸時A為2，實心軸為磨削加工，A取3；Fr為徑向負荷，N；B為軸承內圈寬度，mm；ΔT為軸承內部與軸承座周圍的溫度差，℃。根據已知條件，A為3，Fr為2 200 N，B為18 mm，ΔT為5 ℃，計算得出Δd≥6.33 μm。軸選用的公差與計算過盈量相比，軸的最終設計尺寸為mm。

3.2 密封襯套修理

密封襯套為測功機水腔密封裝置，水腔的水壓為正壓，如果水腔為真空，殼體上設置了6 組通大氣的真空斷路器。為保證測試發動機扭矩波動小于3.5 Nm 且溢水量穩定，即最大量和最小量相差較少，要求密封襯套與測功機軸的篦齒間隙較小。

測功機轉子軸靜態徑向跳動小于0.020 mm，篦齒徑向跳動檢查為不大于0.030 mm，密封襯套內孔圓度誤差不大于0.008 mm，為保證測功機軸的篦齒與密封襯套涂層之間有間隙，最小間隙不小于0.060 mm，公差按IT6 設計，最大間隙不大于0.082 mm。

為測量密封襯套涂層材料及涂層厚度等，檢測原裝密封襯套涂層。涂層有2 層，對涂層進行能譜分析。結果顯示，涂層面層類似于鎳石墨涂層，底層類似于NiA15%涂層；計量涂層厚度為0.75 mm。對涂層表面硬度進行檢測，確定噴涂層硬度為HR15Y40-60。

3.3 前、后密封襯套修理

測功機前、后軸承潤滑處采用篦齒石墨密封結構。故障原因是前、后密封襯套石墨涂層磨損或測功機轉子軸篦齒磨損，間隙過大造成測功機前、后端滲漏油。

3.4 高速水力測功機裝配技術研究

3.4.1 測功機轉子軸動平衡研究

由于材料組織不均勻，零件加工、裝配誤差及結構形狀局部不對稱等原因，高速轉子即使存在很小的偏心距，也會產生巨大的不平衡離心力，成為軸斷裂、軸承磨損、軸系振動的主要原因之一。測功機轉子修理時由于轉旋件零件有磨損、零件修復等因素，轉子必須平衡。

對于高速測功機，需進行雙面動平衡才能滿足使用要求。平衡品質等級選擇，選用平衡品質等級為G0.4，轉子許用不平衡量計算公式為

式中：Uper為轉子許用不平衡量，gmm；eper為轉子單位質量的許用不平衡度，gmm·kg-1；m為轉子質量，kg。已知eper為0.2 gmm·kg-1，m為26.308 8 kg，計算得到Uper為5.26 gmm。

每面許用不平衡量小于5.26 gmm 為合格，動平衡轉速為1 000 ～3 000 r·min-1。

3.4.2 高速水力測功機裝配研究

高速水力測功機損壞零件修復后進行裝配，為確保各零件安裝到正確位置以及裝配精度滿足要求，現檢查各組成部分。

轉子軸系的裝配要求：確定零件安裝方向、順序和位置；兩端鎖緊螺母用力矩扳手擰緊，力矩大小符合要求；用塞尺檢查零件間隙應小于0.02 mm。轉子軸系零件中甩油環容易變形，影響軸承安裝不到位。

測功機總裝要求：測功機總裝前試裝軸承座與端蓋是否存在間隙，用塞尺檢查無間隙為合格；控制轉子軸與軸承座相對位置，計量固定端軸承端面高出軸承座端面1.60 mm 為合格；自由端后密封襯套端面低于軸承端蓋0.128 ～0.178 mm 為合格；裝配完成后靜態檢查測功機前、后兩端轉子軸徑向跳動和端面跳動均小于0.02 mm 為合格；如果超差，需調整自由端預緊彈簧力大小或彈簧安裝位置。

3.5 高速水力測功機故障在線預警診斷裝置研究

測功機本體、飛輪旋轉件磨損后破壞性巨大，發生質變前無法從常規測量數據判斷是否存在風險隱患。高速水力測功機本體和飛輪軸承潤滑為油霧潤滑，如果軸系旋轉過程中存在磨損，潤滑系統回油中會有磨損物出現，因此在高速水力測功機本體和飛輪潤滑回油管道中串裝磁性屑末檢測裝置，監視回油管道是否存在多余物。使用驗證，這種預警診斷裝置能及時發現軸承磨損、軸承座膠合磨損、花鍵磨損等，實施后有多次重要磁堵報警，及時發現了測功機（飛輪）軸承滾道磨損掉塊，成功防止多起重大事故的發生。

4 結語

在修理過程中對軸承座、密封襯套等易損件進行計量，判斷是否存在磨損；軸承安裝前計量，根據軸承座尺寸進行選配，或根據軸承尺寸修理軸承座；對測功器軸系統零件安裝后間隙檢查，防止零件在分解過程中出現變形，確保各零件裝配到位。

修理研究發現高速水力測功機水平振動不僅與轉子裝配不平衡離心力有關，還與零件配合間隙是否合理有關。為保證各零件間隙在要求范圍內，防止零件變形，設計了軸承拔出工裝，零件存放車等輔助修理工具，配備了檢測量器具，對裝配間隙進行有效控制。