滑環(huán)在航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子動應力測量研究

　　強度是影響發(fā)動機安全和壽命的主要問題之一。開展中小型航空發(fā)動機動應力測量技術研究，可推動和促進型號任務的順利實施，確保研制和排故工作有序展開，提高工作效率。

　　航空發(fā)動機零部件的工作環(huán)境十分惡劣，尤其是渦軸、渦槳等中小型發(fā)動機的動應力測量，需解決高溫、高轉(zhuǎn)速、富油、引線空間狹小等技術難題。以渦軸發(fā)動機壓氣機葉片為例，其多級軸流葉片小而薄，有的葉片甚至比剃須刀刀片還小。

　　創(chuàng)新團隊在前期動應力測量研究過程中，常遭遇應變計不能長時間工作、一次成功率不高等技術難題。鑒于發(fā)動機型號研制過程中的動應力測量需求，創(chuàng)新團隊在總結(jié)前期多個型號動應力測量經(jīng)驗的基礎上，開展了動應力測點位置選取、貼片引線工藝改進、信號傳輸裝置冷卻方案等研究，旨在提高貼片引線效率和應變片存活率，確保在發(fā)動機熱端安裝的信號傳輸裝置能夠安全可靠運行，以提升動應力測量的一次成功率。

　　總體思路

　　在開展中小型航空發(fā)動機動應力測量技術研究時，創(chuàng)新團隊針對試驗測量精度低、動應力測點失效、信號傳輸裝置損毀等故障現(xiàn)象，應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)反饋的動應力測量流程，在反復迭代中精準定位故障原因，尋求解決措施，主要從測點位置選取、動應力測量貼片引線技術研究、信號傳輸裝置熱端輸出方案設計、滑環(huán)引電器研制等方面實現(xiàn)技術突破。

　　測點位置選取對提高動應力測量成功率尤為關鍵，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

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

　　第二，動應力測量結(jié)果的有效性與貼片位置直接相關。在動應力變化梯度平緩的區(qū)域，應變片的測量數(shù)據(jù)可以更準確地反應測點位置的實際應力大小。在考慮應力梯度變化的基礎上選擇合適的測點位置可極大提高測量結(jié)果的準確性。

　　第三，貼片和引線對轉(zhuǎn)子的動力學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)子動力學特性發(fā)生變化，增大測量誤差，甚至使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常振動，合適的周向測點布局可以降低這種誤差和異常振動出現(xiàn)的風險，提高成功率和有效性。

　　動應力測點位置與布局方案設計需要綜合考慮部件可能存在的危險共振、模態(tài)應力分布、試驗測試條件(如通道數(shù)量)及應變片的周向分布等因素。創(chuàng)新團隊通過模態(tài)頻率及激振分析，識別共振危害性較大的關鍵模態(tài)，在模態(tài)驗證的基礎上進行模型修正，提高了危險模態(tài)識別的準確性。模態(tài)應力分析是測點位置確定的核心內(nèi)容，可以基于應力敏感性和應力梯度兩個關鍵參數(shù)，綜合評價測點位置的優(yōu)劣，識別動應力貼片的潛在測點。尋優(yōu)最終確定的測點位置還需要考慮測點位置沿周向的布局，以減小貼片引線對振動特性可能造成的影響。

　　貼片引線技術

　　創(chuàng)新團隊針對溫度250℃以下的高轉(zhuǎn)速狀態(tài)零部件動應力測量貼片引線技術進行了深入研究，經(jīng)過試驗摸索和工藝優(yōu)化，不斷提高應變片粘貼和引線技術水平，縮短貼片引線周期并保證應變片一次試驗具有較高的存活率;通過在實驗室進行齒輪材料樣片的貼片工藝研究、考核及改進，突破富油環(huán)境下動應力測量貼片工藝、引線工藝技術難點，解決了防油覆蓋膠不耐高轉(zhuǎn)速，而應變膠不耐油的技術難題，建立了富油、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下應變計膠粘安裝工藝，工藝優(yōu)化后應變計存活率達到87%以上。

　　針對中溫(400℃以下)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下零部件動應力測量，創(chuàng)新團隊通過對外合作的方式，在中溫貼片和引線工藝技術方面獲得了寶貴經(jīng)驗，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)子件動應力測量的成功率。

　　應變計和應變膠的工藝驗證

　　針對高溫(1100℃)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的動應力測量，創(chuàng)新團隊對工藝流程及測試設備開展了研究，搭建了高溫火焰噴涂貼片廠房，彌補了渦輪葉片等高溫動應力測量的不足。

　　信號傳輸裝置熱端輸出方案

　　針對發(fā)動機前端無減速器和附件傳動裝置的情況，可對發(fā)動機前端進行補加工以適配引電器的安裝，由于發(fā)動機前端溫度較低，不必考慮引電器外部工作環(huán)境溫度過高的問題。但是，針對前端有減速器或附件傳動裝置的情況，減速器及附件傳動裝置內(nèi)部涉及大量齒輪結(jié)構，改制加工難度很大，試驗時存在較大風險且時間及經(jīng)濟成本高。因此，創(chuàng)新團隊提出引電器后輸出方案，不改變發(fā)動機整體結(jié)構并通過雙通道冷卻，有效地解決了渦輪后端高溫環(huán)境引電器冷卻難題。

　　試驗時，在軸承腔內(nèi)、外布置腔溫及腔壓測試線。對軸承腔內(nèi)、外腔壓及腔溫進行實時監(jiān)測，既可避免軸承腔內(nèi)壓力大于軸承腔外壓力導致滑油從轉(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)測過程中若出現(xiàn)軸承腔外壓力有偏小、溫度偏高的趨勢時，可以實時調(diào)節(jié)冷氣的進氣量;采用周向開槽結(jié)構，通過將不同規(guī)格的溫度壓力測試線、油管、冷卻液管以及動應力信號線從相應大小的槽口引出，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)新團隊自行開展滑環(huán)引電器研制，從引電器結(jié)構設計、機械加工和采購、總體裝配、安裝調(diào)試，對引電器的最終性能做出評估。高速滑環(huán)引電器的研制成功，突破了國外對此項技術的封鎖，改變了高速滑環(huán)引電器維護保養(yǎng)受制于人的不利局面，為動應力測量的開展提供了有力保障。

　　質(zhì)量管控

　　創(chuàng)新團隊通過對技術過程進行分析，結(jié)合工程實踐，梳理出如何從貼片點選取的技術角度提高動應力測量成功率的3個關鍵環(huán)節(jié)，向下分解得到6個影響因素和17個控制因素，對動應力貼片中的關鍵技術特征準確識別，找出了動應力貼片點位置優(yōu)化、減小貼片點對轉(zhuǎn)子不平衡影響等技術薄弱環(huán)節(jié)，明確了模態(tài)識別、模態(tài)應力分析和貼片位置周向布局3個關鍵環(huán)節(jié)責任人，分別針對各關鍵環(huán)節(jié)的底事件制定措施分析表，結(jié)合防錯方法，開發(fā)了動應力敏感度分析檢查表單和指導書、高敏感度/低應力梯度的動應力貼片位置優(yōu)化程序、動應力貼片位置周向布局優(yōu)化程序，并建立了動應力貼片分析標準/規(guī)范，保證了動應力測點選取技術研究的一次成功。

　　動應力貼片點選取一次成功“子成功樹”

　　貼片引線作為動應力測量中的關鍵環(huán)節(jié)，其工藝水平的好壞直接決定著試驗的成敗。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、試驗件貼片位置可操作性、貼片位置打磨粗糙度、應變膠層厚度、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、點焊壓片牢固程度、裝配對測點的損傷度以及操作人員的經(jīng)驗等。整個貼片引線過程中任一環(huán)節(jié)的疏忽大意都有可能嚴重影響貼片引線質(zhì)量�？紤]到貼片引線的過程管控尤為重要，創(chuàng)新團隊制定了貼片符合性檢查表單，在應變計安裝與引線的每一個環(huán)節(jié)嚴把質(zhì)量關，細致查找影響測點存活率的因素。

　　針對高溫火焰噴涂過程中應變計存活率不高的問題，運用頭腦風暴進行因果分析，找出末端原因10個，采用要因確認的排查方法對每一個末端原因進行驗證分析。

　　默孚龍科技團隊通過多輪仿真和試驗分析，對貼片位置進行了最優(yōu)化設計，建立評估方法和設計規(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)速下動應力測量試驗數(shù)據(jù)的難題;首次提出了后輸出雙通道氣冷方案，通過對引電器的雙通道且獨立可調(diào)的氣冷保護，解決了在熱端引電器不能長時間工作、穩(wěn)定運行的難題;突破了高速滑環(huán)引電器設計集成調(diào)試、信號快速連接等多項關鍵技術。通過在各個關鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，實現(xiàn)了測點數(shù)目減少40%以上的技術指標，使測點存活率大大提高，信號傳輸裝置的安全性得到有效保障，使測量設備的成本降低，維護周期縮短，試驗一次成功率得到有效提升。試驗結(jié)果為中小型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子件的設計和故障診斷提供了支撐數(shù)據(jù)，對研究航空高速轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下的振動特性具有十分重要的意義。