航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)校準(zhǔn)技術(shù)分析

王超宇

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

航空發(fā)動(dòng)機(jī)功率是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)前，功率輸出測(cè)試的主要方法是使用航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)試。僅當(dāng)使用功率計(jì)作為輸出方法并測(cè)量功率以高精度和全面的速度參數(shù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)扭矩時(shí)，才能獲得準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)校準(zhǔn)中的問題

目前，中國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要使用兩個(gè)測(cè)功機(jī)，一個(gè)液壓測(cè)功機(jī)和一個(gè)渦流測(cè)功機(jī)。通常，扭矩平衡原理用于測(cè)量扭矩，而頻率計(jì)數(shù)方法用于測(cè)量速度值。在校準(zhǔn)過程中，所有當(dāng)前設(shè)備都使用具有簡(jiǎn)單機(jī)械臂機(jī)制的重量減輕法來比較值，但是這種方法存在明顯的缺陷。首先，根據(jù)測(cè)功機(jī)制造商頒發(fā)的工廠證書，有一個(gè)用于確定測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度指示器，即測(cè)功機(jī)外殼的半徑。在實(shí)際使用中，不考慮磁場(chǎng)變形，去除和物體變化。由諸如環(huán)境溫度等因素引起的半徑大小調(diào)整以及無法有效檢測(cè)該尺寸，不可避免地會(huì)增加臂長(zhǎng)誤差。

此外，杠桿臂的長(zhǎng)度也會(huì)因?qū)嶋H測(cè)量過程中的異常而改變，并且在校準(zhǔn)過程中杠桿的受力點(diǎn)與測(cè)力計(jì)扭矩的實(shí)際輸入點(diǎn)不同，這也增加了測(cè)量誤差的不確定性和誤差。其次，僅在忽略發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)才對(duì)測(cè)功機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)之間會(huì)有很大的差異。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的振動(dòng)、噪聲等干擾因素，這些因素拉低了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，當(dāng)前的測(cè)量方法僅僅是對(duì)測(cè)功機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性的初步分析，而不能精確地校準(zhǔn)測(cè)功機(jī)的實(shí)際狀態(tài)。這項(xiàng)研究旨在開發(fā)一套解決該問題的工具。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建立了許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)，并且已經(jīng)對(duì)推力測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。通過研究測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)方法，可以協(xié)助矢量測(cè)試臺(tái)的推力校準(zhǔn)。

推力測(cè)量的原理是將一個(gè)模擬的推力放在推力架上，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)功率傳感器來測(cè)量該模擬推力的大小，獲得并測(cè)量其在推力閥上運(yùn)行的傳感器的輸出值。通過結(jié)合了普通傳感器力和操作傳感器的力的值進(jìn)行校準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的位置不同，事業(yè)模擬推力加載方法也不同。推力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)試臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)有兩種校準(zhǔn)方法：即并行負(fù)載校準(zhǔn)方法和中央負(fù)載校準(zhǔn)方法。

平行加載校準(zhǔn)方法。平行負(fù)載校準(zhǔn)方法的實(shí)質(zhì)是在測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)過程中提供與發(fā)動(dòng)機(jī)軸相反方向的模擬推力，而發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸上并沒有負(fù)載。同樣有意義的是，在試驗(yàn)臺(tái)校準(zhǔn)期間模擬的推力不直接施加到機(jī)器的推力軸上，而是施加到與推力測(cè)量值相同的水平面上?，F(xiàn)有的用于軸向測(cè)試臺(tái)的平行負(fù)載系統(tǒng)包括提供穩(wěn)定模擬推力的液壓負(fù)載系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，該系統(tǒng)可以在測(cè)量過程中提供所需要的模擬推力。標(biāo)準(zhǔn)功率傳感器可以測(cè)量模擬推力的強(qiáng)度、收集運(yùn)行傳感器的輸出，并將兩者進(jìn)行比較，以完成對(duì)推力系統(tǒng)的校準(zhǔn)測(cè)量。

中心加載校準(zhǔn)方法。中央負(fù)載校準(zhǔn)方法是將模擬推力直接施加到發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸上。在校準(zhǔn)中心負(fù)載時(shí)，有必要斷開原始負(fù)載系統(tǒng)，以避免影響工作臺(tái)的推力傳遞。此外，需要設(shè)置專門的推力載荷裝置，因?yàn)檩d荷校準(zhǔn)的關(guān)鍵是在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸的方向上施加可測(cè)量的模擬推力[1]。

2.2 矢量試車臺(tái)推力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

根據(jù)長(zhǎng)期的床身校準(zhǔn)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，已及參考軸向測(cè)試車臺(tái)推力校準(zhǔn)方法研究了矢量測(cè)試床推力校準(zhǔn)技術(shù)。具體步驟包括理論預(yù)測(cè)、模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及編譯詳細(xì)信息等等。

其中，理論推導(dǎo)可以對(duì)矢量試驗(yàn)臺(tái)推力標(biāo)定進(jìn)行可行性分析，為后續(xù)的仿真計(jì)算提供理論依據(jù)。在模擬計(jì)算中，可以使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力來數(shù)值模擬測(cè)試臺(tái)的受力狀態(tài)以獲得測(cè)試臺(tái)，力學(xué)性能也為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)提供了有效的參考。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是矢量測(cè)試臺(tái)推力校準(zhǔn)中最重要的環(huán)節(jié)，也是檢索測(cè)試數(shù)據(jù)的重要步驟，這會(huì)降低測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。編制規(guī)范是矢量測(cè)試操作推力校準(zhǔn)技術(shù)研究的最終目的是制定合理的規(guī)范，這種操作可以確保后續(xù)矢量測(cè)試臺(tái)推力校準(zhǔn)的順利進(jìn)行。

3 我國試車臺(tái)校準(zhǔn)的機(jī)遇與可行性

3.1 試車臺(tái)校準(zhǔn)的機(jī)遇

為了滿足研發(fā)特殊“兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)”的實(shí)驗(yàn)需求，我們還需要建立和改進(jìn)大量的試車臺(tái)，它還使用相同的類型或機(jī)器在不同的單元或區(qū)域中測(cè)試銀行測(cè)試。這些臺(tái)架測(cè)試應(yīng)該是客觀評(píng)估被測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的性能并確保這些臺(tái)架狀況的良好度，并且真實(shí)地反映測(cè)試結(jié)果一致性的最有效、最簡(jiǎn)單的方法，這是根據(jù)GJB721校準(zhǔn)規(guī)格在測(cè)試臺(tái)之間進(jìn)行的比較測(cè)試。這種方法迫切需要前所未有的資源、材料和工作臺(tái)校準(zhǔn)[2]。

3.2 試車臺(tái)校準(zhǔn)的可行性

首先，與俄羅斯和英國合作完成了試車臺(tái)校準(zhǔn)，這使中國不僅可以有效地執(zhí)行GJB721測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而且可以了解和掌握了其他國家其校準(zhǔn)能力和技術(shù)方法，成功地獲得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從而大大降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

其次，在中國建立并擴(kuò)展了試車臺(tái)，并建設(shè)了四個(gè)高級(jí)實(shí)驗(yàn)室和露天試車臺(tái)，以滿足市場(chǎng)需求和足夠的軟硬件資源。如有必要，可以在序列號(hào)之間運(yùn)行比較測(cè)試。也就是說，這需要相關(guān)工作人員比較成本、周期、工作臺(tái)校準(zhǔn)以及生產(chǎn)開發(fā)測(cè)試的任務(wù)。但是，與其他非測(cè)試指標(biāo)的要求，收益和結(jié)果相比，這些調(diào)整并不困難。

最后，依據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和評(píng)估的要求，只有明確技術(shù)狀態(tài)，才能準(zhǔn)確定義戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)性能，操作效率以及發(fā)動(dòng)機(jī)支撐的有效性，并進(jìn)行技術(shù)評(píng)估。因此，試車臺(tái)校準(zhǔn)已成為中國航空公司和大多數(shù)用戶必要和嚴(yán)重關(guān)注的問題[3]。

4 結(jié)語

在本文中，我們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了有針對(duì)性的研究，并提出了一些有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)技術(shù)的想法。一旦實(shí)現(xiàn)，將有助于在模型開發(fā)，測(cè)試和制造過程中提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。功率測(cè)量精度為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了可靠的數(shù)據(jù)庫和質(zhì)量保證。