某姿態試車臺主支點斷軸故障分析及優化設計

張歡 張婷婷 肖玄 李霖

摘 要：某發動機姿態試車臺，通過俯仰臺架實現俯仰運動，通過主支點及側滾臺架實現側滾運動。主支點既充當發動機傳動軸的一部分，也充當側滾臺架旋轉運動的驅動機構。本文根據某發動機姿態試驗時出現的主支點斷軸現象進行分析，對主支點的結構進行優化設計，縮短了發動機傳動軸長度，消除了主支點與發動機傳動軸相互作用，對后續渦軸發動機姿態試驗的開展具有指導意義。

關鍵詞：姿態試車臺；斷軸故障；優化設計

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0065-03

航空發動機是現代軍事裝備的一個重要組成部分，使用范圍廣泛，使用條件惡劣，不僅會受到自然環境條件的影響，而且會受到隨機飛行姿態的影響。發動機在整個飛行包線內轉子受力、滑油壓力等各項參數變化幅度較大，對發動機各個部件的性能及工作穩定性，對發動機的振動、結構強度、軸承的潤滑等均有重大影響[1]。被列入“飛行前規定試驗”結構試驗的重要項目之一。因此發動機在整個飛行范圍內的工作穩定性和可靠性需要通過姿態試驗來驗證。

某姿態試車臺是中國航發湖南動力機械研究所自主研制的航空發動機整機姿態試車臺，其最大上仰角度105°，最大下俯角度90°，左右側滾角度50°，滿足2000kW以下渦軸發動機的姿態試驗。

1 試驗設備

某姿態試車臺通過姿態平臺實現姿態角度的變化，且側滾運動和俯仰運動能同時各自獨立進行，彼此間互不干涉。姿態平臺包括俯仰臺架及側滾臺架。俯仰臺架為整體旋轉平臺，側滾臺架安裝在俯仰臺架上，隨俯仰臺架而進行旋轉運動。側滾臺架安裝示意圖如圖1所示，側滾臺架采用主支點作為驅動機構及傳遞發動機輸出扭矩。

主支點由支座、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，通過連接板與側滾臺架相連，當齒輪外殼在齒條驅動作用下轉動時，同時由連接板帶動側滾臺架轉動。發動機安裝在側滾臺架上，從而實現發動機的側滾運動。

左軸頭、高速傳扭軸、右軸頭、高速陶瓷軸承等組合實現發動機高速傳扭。

高速傳扭軸穿過齒輪外殼內部空心處，兩者之間的轉動互不影響。

2 試驗現象

某渦軸發動機進行姿態試驗時，在發動機從地慢轉入空慢狀態時，出現主支點振動急劇上升，主支點有火星冒出現象。緊急停車后發現主支點高速傳扭軸兩端軸頭斷裂。對斷口進行理化分析，確定斷口為過載瞬斷斷口，碎屑材料為高速陶瓷軸承材料，原主支點斷軸示意圖如圖2所示。

3 故障分析

為了確定主支點斷軸故障原因，建立故障樹如圖3所示。

具體分析如下：

（1）軸承故障。軸承故障或燒蝕，導致高速傳扭軸載荷突然增大，超過設計極限而破裂。從試驗數據分析，斷軸前軸承溫度沒有明顯上升，且發動機完成了最大狀態運轉，因此軸承是正常的。

（2）低周疲勞斷裂。從斷口分析為過載瞬斷斷口，不屬于低周疲勞斷裂。

（3）高周疲勞斷裂。從主支點的結構看，兩端軸頭懸臂較長，重量較大，因此有可能造成高速傳扭軸在工作過程中產生較大的振動，引起高周疲勞而斷軸。

（4）靜強度不足。斷軸前發動機完成了最大狀態運轉，斷軸發生時在慢車狀態，因此靜強度滿足要求。

（5）鎖緊螺釘松動。通過對主支點結構進行分析，高速傳扭軸與軸頭通過止口定位，再由螺栓進行緊固，確保軸頭在軸向位置不會發生串動。但高速傳扭軸在運轉過程中產生振動造成螺釘松動，導致軸頭脫離定位面后偏轉振動，從而造成斷軸。

（6）轉子不平衡量過大。主支點和軸頭在制造過程中均進行了單獨的動平衡，但沒有進行轉軸和軸頭的組合動平衡、裝配后引起轉子的不平衡量可能超過設計極限值，使傳動軸承受過大的振動交變載荷而發生斷軸。

（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，若軸頭裝配沒有到位，可能加速鎖緊螺釘的松動，導致軸頭脫離定位止口。

（8）支撐主軸的圓錐滾子軸承松動。高速傳扭軸由一對圓錐滾子軸承支撐在支座上，圓錐滾子軸承的松動使主軸不能可靠固定，有可能使主軸的振動增大，使傳動軸承受過大的振動交變載荷而發生斷軸。

從以上分析結果可以看出，傳扭軸斷軸狀態在發動機從地慢至空慢的過渡階段，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有可靠鎖緊的情況下，由于軸頭偏重且有可能裝配后的轉子不平衡量過大，造成了轉子的振動偏大，同時也造成傳動軸運轉的徑向位移增大。在鎖緊螺釘松開后，傳動軸運轉的徑向位移進一步增大，從而使軸頭完全脫離定位止口，形成發散系統造成斷軸。

4 解決措施

由于發動機與測功器之間傳動軸較長，安裝時對各軸的同軸度要求較高，且軸頭與花鍵的配合要求較高。故為了縮短傳動軸長度，排除主支點對傳動軸的影響，對主支點結構進行優化，在保持發動機傳動軸結構尺寸不變的前提下，通過縮減主支點的軸向尺寸，去除主支點高速傳扭軸設計，僅保留主支點側滾驅動功能。安裝時只需要將發動機傳動軸與測功器直接相連即可。

優化后的主支點在車臺的安裝示意圖見圖4所示。

目前發動機姿態臺側滾系統包括支撐發動機主支點和輔助支撐架及調整機構以及傳動機構，側滾臺架主要用作發動機安裝架的支撐平臺。發動機安裝在側滾臺架上，能隨側滾試驗平臺產生側滾運動。側滾臺架具有可拆卸更換性，對于不同的發動機其結構不同。

為了考核發動機安裝面在飛行姿態時的受力情況，側滾試驗平臺的發動機安裝形式采用與飛機上安裝形式基本相同，支撐軸通過法蘭與發動機的前安裝面連接，支撐軸通過軸承固定在軸承座上，發動機輔助支點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上。通過調整3根輔助支撐桿的高度，保證發動機安裝時發動機的軸心位于側滾臺架弧形滑道的旋轉中心。

發動機的輸出軸穿過主支點中心與測功器飛輪通過軸頭相連，軸頭兩端為內花鍵，軸頭的主要功能是將發動機輸出軸功率傳遞給飛輪和測功器。

目前側滾系統的驅動由直線液壓缸驅動，液壓缸帶動齒輪軸運動，齒輪軸與側滾支架通過止口連接，從而帶動整個側滾臺架進行側滾運動，從圖中可以看出，這種設計與前面的中支點相比，最大的優點就是發動機到測功系統的軸向距離得到了很大的縮短，這就大幅降低了試驗中再次出現斷軸地風險，優化后的主支點示意圖如圖5所示。

新的中支點采用齒輪齒條傳動方式，液壓站為液壓缸提供動力，液壓缸帶動上下平行放置的兩根齒條，齒條帶動中間的傳動齒輪，傳動齒輪由軸承支撐，與發動機安裝架通過止口定位連接，發動機的輸出軸通過齒輪中間的圓孔與測功器直接相連接。

改造后的中支點可以提供約5600Nm的側滾扭矩，受限于液壓缸行程和齒條長度，新中支點存在一個側滾角度極限。

當側滾臺架在水平位置時，齒輪與齒條的中點位置捏合，如圖5所示位置，則側滾的極限位置為齒輪與齒條端點的嚙合位置。

液壓缸總行程為90mm，齒條總長380mm，齒輪模數m=10，齒數z=30，則齒輪分度圓直徑為：

d=m×z=10×30=300

則側滾的極限角度為：

θ=[（90/2）/300]×360°=54°

則側滾的最大角度≈±50°。

新的側滾中支點滿足大多數型號渦軸發動機姿態試驗的要求。

5 結語

優化后的主支點在試驗現場安裝完成后，保證水平位置的同軸度精度，在側滾臺架旋轉各姿態角度下進行同軸度檢測，未發現發動機同軸度發生變化，證明發動機在進行側滾運動時，輸出軸與測功器之間一直保持同心關系。試驗證明，優化后的主支點實現了側滾驅動功能，同時，保證了發動機輸出軸傳扭功能正常。在發動機各個工作狀態下均能正常穩定工作。

參考文獻

[1] 龍合良，唐名揚.渦軸發動機姿態試車臺姿態臺架方案設計探討[C].中國航空學會，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2018.