某姿態(tài)試車(chē)臺(tái)主支點(diǎn)斷軸故障分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張歡 張婷婷 肖玄 李霖

摘 要：某發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)，通過(guò)俯仰臺(tái)架實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，通過(guò)主支點(diǎn)及側(cè)滾臺(tái)架實(shí)現(xiàn)側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。主支點(diǎn)既充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸的一部分，也充當(dāng)側(cè)滾臺(tái)架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的主支點(diǎn)斷軸現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)主支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，消除了主支點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸相互作用，對(duì)后續(xù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)的開(kāi)展具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：姿態(tài)試車(chē)臺(tái)；斷軸故障；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0065-03

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代軍事裝備的一個(gè)重要組成部分，使用范圍廣泛，使用條件惡劣，不僅會(huì)受到自然環(huán)境條件的影響，而且會(huì)受到隨機(jī)飛行姿態(tài)的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行包線(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子受力、滑油壓力等各項(xiàng)參數(shù)變化幅度較大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的性能及工作穩(wěn)定性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、軸承的潤(rùn)滑等均有重大影響[1]。被列入“飛行前規(guī)定試驗(yàn)”結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一。因此發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行范圍內(nèi)的工作穩(wěn)定性和可靠性需要通過(guò)姿態(tài)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

某姿態(tài)試車(chē)臺(tái)是中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所自主研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)，其最大上仰角度105°，最大下俯角度90°，左右側(cè)滾角度50°，滿(mǎn)足2000kW以下渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

某姿態(tài)試車(chē)臺(tái)通過(guò)姿態(tài)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角度的變化，且側(cè)滾運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)能同時(shí)各自獨(dú)立進(jìn)行，彼此間互不干涉。姿態(tài)平臺(tái)包括俯仰臺(tái)架及側(cè)滾臺(tái)架。俯仰臺(tái)架為整體旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，側(cè)滾臺(tái)架安裝在俯仰臺(tái)架上，隨俯仰臺(tái)架而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。側(cè)滾臺(tái)架安裝示意圖如圖1所示，側(cè)滾臺(tái)架采用主支點(diǎn)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。

主支點(diǎn)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(guò)連接板與側(cè)滾臺(tái)架相連，當(dāng)齒輪外殼在齒條驅(qū)動(dòng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)由連接板帶動(dòng)側(cè)滾臺(tái)架轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在側(cè)滾臺(tái)架上，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。

左軸頭、高速傳扭軸、右軸頭、高速陶瓷軸承等組合實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高速傳扭。

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

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)從地慢轉(zhuǎn)入空慢狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)主支點(diǎn)振動(dòng)急劇上升，主支點(diǎn)有火星冒出現(xiàn)象。緊急停車(chē)后發(fā)現(xiàn)主支點(diǎn)高速傳扭軸兩端軸頭斷裂。對(duì)斷口進(jìn)行理化分析，確定斷口為過(guò)載瞬斷斷口，碎屑材料為高速陶瓷軸承材料，原主支點(diǎn)斷軸示意圖如圖2所示。

3 故障分析

為了確定主支點(diǎn)斷軸故障原因，建立故障樹(shù)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(guò)設(shè)計(jì)極限而破裂。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，斷軸前軸承溫度沒(méi)有明顯上升，且發(fā)動(dòng)機(jī)完成了最大狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此軸承是正常的。

（2）低周疲勞斷裂。從斷口分析為過(guò)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)看，兩端軸頭懸臂較長(zhǎng)，重量較大，因此有可能造成高速傳扭軸在工作過(guò)程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，引起高周疲勞而斷軸。

（4）靜強(qiáng)度不足。斷軸前發(fā)動(dòng)機(jī)完成了最大狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，斷軸發(fā)生時(shí)在慢車(chē)狀態(tài)，因此靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（5）鎖緊螺釘松動(dòng)。通過(guò)對(duì)主支點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，高速傳扭軸與軸頭通過(guò)止口定位，再由螺栓進(jìn)行緊固，確保軸頭在軸向位置不會(huì)發(fā)生串動(dòng)。但高速傳扭軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)造成螺釘松動(dòng)，導(dǎo)致軸頭脫離定位面后偏轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而造成斷軸。

（6）轉(zhuǎn)子不平衡量過(guò)大。主支點(diǎn)和軸頭在制造過(guò)程中均進(jìn)行了單獨(dú)的動(dòng)平衡，但沒(méi)有進(jìn)行轉(zhuǎn)軸和軸頭的組合動(dòng)平衡、裝配后引起轉(zhuǎn)子的不平衡量可能超過(guò)設(shè)計(jì)極限值，使傳動(dòng)軸承受過(guò)大的振動(dòng)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(méi)有到位，可能加速鎖緊螺釘?shù)乃蓜?dòng)，導(dǎo)致軸頭脫離定位止口。

（8）支撐主軸的圓錐滾子軸承松動(dòng)。高速傳扭軸由一對(duì)圓錐滾子軸承支撐在支座上，圓錐滾子軸承的松動(dòng)使主軸不能可靠固定，有可能使主軸的振動(dòng)增大，使傳動(dòng)軸承受過(guò)大的振動(dòng)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(dòng)機(jī)從地慢至空慢的過(guò)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(méi)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(guò)大，造成了轉(zhuǎn)子的振動(dòng)偏大，同時(shí)也造成傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)的徑向位移增大。在鎖緊螺釘松開(kāi)后，傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)的徑向位移進(jìn)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(dòng)機(jī)與測(cè)功器之間傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，安裝時(shí)對(duì)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(dòng)軸長(zhǎng)度，排除主支點(diǎn)對(duì)傳動(dòng)軸的影響，對(duì)主支點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，通過(guò)縮減主支點(diǎn)的軸向尺寸，去除主支點(diǎn)高速傳扭軸設(shè)計(jì)，僅保留主支點(diǎn)側(cè)滾驅(qū)動(dòng)功能。安裝時(shí)只需要將發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸與測(cè)功器直接相連即可。

優(yōu)化后的主支點(diǎn)在車(chē)臺(tái)的安裝示意圖見(jiàn)圖4所示。

目前發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)臺(tái)側(cè)滾系統(tǒng)包括支撐發(fā)動(dòng)機(jī)主支點(diǎn)和輔助支撐架及調(diào)整機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，側(cè)滾臺(tái)架主要用作發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架的支撐平臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在側(cè)滾臺(tái)架上，能隨側(cè)滾試驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。側(cè)滾臺(tái)架具有可拆卸更換性，對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)不同。

為了考核發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面在飛行姿態(tài)時(shí)的受力情況，側(cè)滾試驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝形式采用與飛機(jī)上安裝形式基本相同，支撐軸通過(guò)法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)的前安裝面連接，支撐軸通過(guò)軸承固定在軸承座上，發(fā)動(dòng)機(jī)輔助支點(diǎn)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(tái)上。通過(guò)調(diào)整3根輔助支撐桿的高度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安裝時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸心位于側(cè)滾臺(tái)架弧形滑道的旋轉(zhuǎn)中心。

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸穿過(guò)主支點(diǎn)中心與測(cè)功器飛輪通過(guò)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(dòng)機(jī)輸出軸功率傳遞給飛輪和測(cè)功器。

目前側(cè)滾系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)由直線(xiàn)液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸帶動(dòng)齒輪軸運(yùn)動(dòng)，齒輪軸與側(cè)滾支架通過(guò)止口連接，從而帶動(dòng)整個(gè)側(cè)滾臺(tái)架進(jìn)行側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，從圖中可以看出，這種設(shè)計(jì)與前面的中支點(diǎn)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就是發(fā)動(dòng)機(jī)到測(cè)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(yàn)中再次出現(xiàn)斷軸地風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化后的主支點(diǎn)示意圖如圖5所示。

新的中支點(diǎn)采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，液壓站為液壓缸提供動(dòng)力，液壓缸帶動(dòng)上下平行放置的兩根齒條，齒條帶動(dòng)中間的傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)齒輪由軸承支撐，與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架通過(guò)止口定位連接，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)齒輪中間的圓孔與測(cè)功器直接相連接。

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

當(dāng)側(cè)滾臺(tái)架在水平位置時(shí)，齒輪與齒條的中點(diǎn)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(diǎn)的嚙合位置。

液壓缸總行程為90mm，齒條總長(zhǎng)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(diǎn)滿(mǎn)足大多數(shù)型號(hào)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化后的主支點(diǎn)在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，保證水平位置的同軸度精度，在側(cè)滾臺(tái)架旋轉(zhuǎn)各姿態(tài)角度下進(jìn)行同軸度檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)同軸度發(fā)生變化，證明發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行側(cè)滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出軸與測(cè)功器之間一直保持同心關(guān)系。試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的主支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了側(cè)滾驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸傳扭功能正常。在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工作狀態(tài)下均能正常穩(wěn)定工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 龍合良，唐名揚(yáng).渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車(chē)臺(tái)姿態(tài)臺(tái)架方案設(shè)計(jì)探討[C].中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.