滑環(huán)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)子動(dòng)應(yīng)力測(cè)量研究

　　強(qiáng)度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全和壽命的主要問題之一。開展中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)研究，可推動(dòng)和促進(jìn)型號(hào)任務(wù)的順利實(shí)施，確保研制和排故工作有序展開，提高工作效率。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工作環(huán)境十分惡劣，尤其是渦軸、渦槳等中小型發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，需解決高溫、高轉(zhuǎn)速、富油、引線空間狹小等技術(shù)難題。以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片為例，其多級(jí)軸流葉片小而薄，有的葉片甚至比剃須刀刀片還小。

　　創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在前期動(dòng)應(yīng)力測(cè)量研究過程中，常遭遇應(yīng)變計(jì)不能長(zhǎng)時(shí)間工作、一次成功率不高等技術(shù)難題。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制過程中的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量需求，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在總結(jié)前期多個(gè)型號(hào)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置選取、貼片引線工藝改進(jìn)、信號(hào)傳輸裝置冷卻方案等研究，旨在提高貼片引線效率和應(yīng)變片存活率，確保在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端安裝的信號(hào)傳輸裝置能夠安全可靠運(yùn)行，以提升動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的一次成功率。

　　總體思路

　　在開展中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)研究時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)試驗(yàn)測(cè)量精度低、動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)失效、信號(hào)傳輸裝置損毀等故障現(xiàn)象，應(yīng)用故障模式和影響過程分析(PFMEA)以及人為因素分析等方法，找到了能夠避免或減少這些潛在失效發(fā)生的措施，建立了循環(huán)反饋的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量流程，在反復(fù)迭代中精準(zhǔn)定位故障原因，尋求解決措施，主要從測(cè)點(diǎn)位置選取、動(dòng)應(yīng)力測(cè)量貼片引線技術(shù)研究、信號(hào)傳輸裝置熱端輸出方案設(shè)計(jì)、滑環(huán)引電器研制等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

　　測(cè)點(diǎn)位置選取對(duì)提高動(dòng)應(yīng)力測(cè)量成功率尤為關(guān)鍵，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　第一，為確保動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的置信度，需獲得足夠數(shù)量的有效測(cè)量樣本數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于通道數(shù)量的限制，需要在有限的應(yīng)變片數(shù)量條件下，盡量獲得所關(guān)注模態(tài)的較多的應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過選取合理測(cè)量位置，可以使應(yīng)變片測(cè)得更多階次的振動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，提高測(cè)量結(jié)果的置信度。

　　第二，動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的有效性與貼片位置直接相關(guān)。在動(dòng)應(yīng)力變化梯度平緩的區(qū)域，應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)際應(yīng)力大小。在考慮應(yīng)力梯度變化的基礎(chǔ)上選擇合適的測(cè)點(diǎn)位置可極大提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　第三，貼片和引線對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性存在一定的影響。貼片和引線可能增加轉(zhuǎn)子的不平衡量，使轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生變化，增大測(cè)量誤差，甚至使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常振動(dòng)，合適的周向測(cè)點(diǎn)布局可以降低這種誤差和異常振動(dòng)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，提高成功率和有效性。

　　動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置與布局方案設(shè)計(jì)需要綜合考慮部件可能存在的危險(xiǎn)共振、模態(tài)應(yīng)力分布、試驗(yàn)測(cè)試條件(如通道數(shù)量)及應(yīng)變片的周向分布等因素。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過模態(tài)頻率及激振分析，識(shí)別共振危害性較大的關(guān)鍵模態(tài)，在模態(tài)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型修正，提高了危險(xiǎn)模態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性。模態(tài)應(yīng)力分析是測(cè)點(diǎn)位置確定的核心內(nèi)容，可以基于應(yīng)力敏感性和應(yīng)力梯度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)測(cè)點(diǎn)位置的優(yōu)劣，識(shí)別動(dòng)應(yīng)力貼片的潛在測(cè)點(diǎn)。尋優(yōu)最終確定的測(cè)點(diǎn)位置還需要考慮測(cè)點(diǎn)位置沿周向的布局，以減小貼片引線對(duì)振動(dòng)特性可能造成的影響。

　　貼片引線技術(shù)

　　創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)溫度250℃以下的高轉(zhuǎn)速狀態(tài)零部件動(dòng)應(yīng)力測(cè)量貼片引線技術(shù)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過試驗(yàn)摸索和工藝優(yōu)化，不斷提高應(yīng)變片粘貼和引線技術(shù)水平，縮短貼片引線周期并保證應(yīng)變片一次試驗(yàn)具有較高的存活率;通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行齒輪材料樣片的貼片工藝研究、考核及改進(jìn)，突破富油環(huán)境下動(dòng)應(yīng)力測(cè)量貼片工藝、引線工藝技術(shù)難點(diǎn)，解決了防油覆蓋膠不耐高轉(zhuǎn)速，而應(yīng)變膠不耐油的技術(shù)難題，建立了富油、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下應(yīng)變計(jì)膠粘安裝工藝，工藝優(yōu)化后應(yīng)變計(jì)存活率達(dá)到87%以上。

　　針對(duì)中溫(400℃以下)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下零部件動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對(duì)外合作的方式，在中溫貼片和引線工藝技術(shù)方面獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提煉新的貼片工藝，保證了較高的貼片質(zhì)量，極大地提升了中溫轉(zhuǎn)子件動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的成功率。

　　應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變膠的工藝驗(yàn)證

　　針對(duì)高溫(1100℃)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對(duì)工藝流程及測(cè)試設(shè)備開展了研究，搭建了高溫火焰噴涂貼片廠房，彌補(bǔ)了渦輪葉片等高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的不足。

　　信號(hào)傳輸裝置熱端輸出方案

　　針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端無減速器和附件傳動(dòng)裝置的情況，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端進(jìn)行補(bǔ)加工以適配引電器的安裝，由于發(fā)動(dòng)機(jī)前端溫度較低，不必考慮引電器外部工作環(huán)境溫度過高的問題。但是，針對(duì)前端有減速器或附件傳動(dòng)裝置的情況，減速器及附件傳動(dòng)裝置內(nèi)部涉及大量齒輪結(jié)構(gòu)，改制加工難度很大，試驗(yàn)時(shí)存在較大風(fēng)險(xiǎn)且時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高。因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出引電器后輸出方案，不改變發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)并通過雙通道冷卻，有效地解決了渦輪后端高溫環(huán)境引電器冷卻難題。

　　試驗(yàn)時(shí)，在軸承腔內(nèi)、外布置腔溫及腔壓測(cè)試線。對(duì)軸承腔內(nèi)、外腔壓及腔溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既可避免軸承腔內(nèi)壓力大于軸承腔外壓力導(dǎo)致滑油從轉(zhuǎn)接軸篦齒位置泄漏，又可避免引電器工作環(huán)境溫度過高;在監(jiān)測(cè)過程中若出現(xiàn)軸承腔外壓力有偏小、溫度偏高的趨勢(shì)時(shí)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷氣的進(jìn)氣量;采用周向開槽結(jié)構(gòu)，通過將不同規(guī)格的溫度壓力測(cè)試線、油管、冷卻液管以及動(dòng)應(yīng)力信號(hào)線從相應(yīng)大小的槽口引出，上端面涂抹密封膠，能有效地減少冷氣的泄漏。

　　滑環(huán)引電器研制

　　創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自行開展滑環(huán)引電器研制，從引電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工和采購(gòu)、總體裝配、安裝調(diào)試，對(duì)引電器的最終性能做出評(píng)估。高速滑環(huán)引電器的研制成功，突破了國(guó)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的封鎖，改變了高速滑環(huán)引電器維護(hù)保養(yǎng)受制于人的不利局面，為動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的開展提供了有力保障。

　　質(zhì)量管控

　　創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對(duì)技術(shù)過程進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐，梳理出如何從貼片點(diǎn)選取的技術(shù)角度提高動(dòng)應(yīng)力測(cè)量成功率的3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，向下分解得到6個(gè)影響因素和17個(gè)控制因素，對(duì)動(dòng)應(yīng)力貼片中的關(guān)鍵技術(shù)特征準(zhǔn)確識(shí)別，找出了動(dòng)應(yīng)力貼片點(diǎn)位置優(yōu)化、減小貼片點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡影響等技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，明確了模態(tài)識(shí)別、模態(tài)應(yīng)力分析和貼片位置周向布局3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)責(zé)任人，分別針對(duì)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的底事件制定措施分析表，結(jié)合防錯(cuò)方法，開發(fā)了動(dòng)應(yīng)力敏感度分析檢查表單和指導(dǎo)書、高敏感度/低應(yīng)力梯度的動(dòng)應(yīng)力貼片位置優(yōu)化程序、動(dòng)應(yīng)力貼片位置周向布局優(yōu)化程序，并建立了動(dòng)應(yīng)力貼片分析標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，保證了動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選取技術(shù)研究的一次成功。

　　動(dòng)應(yīng)力貼片點(diǎn)選取一次成功“子成功樹”

　　貼片引線作為動(dòng)應(yīng)力測(cè)量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝水平的好壞直接決定著試驗(yàn)的成敗。影響貼片引線質(zhì)量的因素很多，主要包括貼片引線工藝的選取、試驗(yàn)件貼片位置可操作性、貼片位置打磨粗糙度、應(yīng)變膠層厚度、加溫固化程度、加壓固化程度、接線端子焊接方式、引線路徑上銳邊及孔的光滑度、引線路徑上的懸空段、點(diǎn)焊壓片牢固程度、裝配對(duì)測(cè)點(diǎn)的損傷度以及操作人員的經(jīng)驗(yàn)等。整個(gè)貼片引線過程中任一環(huán)節(jié)的疏忽大意都有可能嚴(yán)重影響貼片引線質(zhì)量�？紤]到貼片引線的過程管控尤為重要，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)制定了貼片符合性檢查表單，在應(yīng)變計(jì)安裝與引線的每一個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，細(xì)致查找影響測(cè)點(diǎn)存活率的因素。

　　針對(duì)高溫火焰噴涂過程中應(yīng)變計(jì)存活率不高的問題，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴進(jìn)行因果分析，找出末端原因10個(gè)，采用要因確認(rèn)的排查方法對(duì)每一個(gè)末端原因進(jìn)行驗(yàn)證分析。

　　默孚龍科技團(tuán)隊(duì)通過多輪仿真和試驗(yàn)分析，對(duì)貼片位置進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立評(píng)估方法和設(shè)計(jì)規(guī)范;提出了抗離心力和熱脹的引線布局方式，確定了貼片加溫固化新工藝，攻克了原工藝無法獲取最高轉(zhuǎn)速下動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的難題;首次提出了后輸出雙通道氣冷方案，通過對(duì)引電器的雙通道且獨(dú)立可調(diào)的氣冷保護(hù)，解決了在熱端引電器不能長(zhǎng)時(shí)間工作、穩(wěn)定運(yùn)行的難題;突破了高速滑環(huán)引電器設(shè)計(jì)集成調(diào)試、信號(hào)快速連接等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過在各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，實(shí)現(xiàn)了測(cè)點(diǎn)數(shù)目減少40%以上的技術(shù)指標(biāo)，使測(cè)點(diǎn)存活率大大提高，信號(hào)傳輸裝置的安全性得到有效保障，使測(cè)量設(shè)備的成本降低，維護(hù)周期縮短，試驗(yàn)一次成功率得到有效提升。試驗(yàn)結(jié)果為中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件的設(shè)計(jì)和故障診斷提供了支撐數(shù)據(jù)，對(duì)研究航空高速轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性具有十分重要的意義。