滑環(huán)在航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子動應(yīng)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(yīng)力測量技術(shù)研究，可推動和促進型號任務(wù)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(yīng)力測量，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(yīng)力測量研究過程中，常遭遇應(yīng)變計不能長時間工作、一次成功率不高等技術(shù)難題。鑒于發(fā)動機型號研制過程中的動應(yīng)力測量需求，創(chuàng)新團隊在總結(jié)前期多個型號動應(yīng)力測量經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展了動應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力測量技術(shù)研究時，創(chuàng)新團隊針對試驗測量精度低、動應(yīng)力測點失效、信號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)反饋的動應(yīng)力測量流程，在反復(fù)迭代中精準(zhǔn)定位故障原因，尋求解決措施，主要從測點位置選取、動應(yīng)力測量貼片引線技術(shù)研究、信號傳輸裝置熱端輸出方案設(shè)計、滑環(huán)引電器研制等方面實現(xiàn)技術(shù)突破。

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

　　第一，為確保動應(yīng)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(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)。通過選取合理測量位置，可以使應(yīng)變片測得更多階次的振動應(yīng)力數(shù)據(jù)，提高測量結(jié)果的置信度。

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

　　第三，貼片和引線對轉(zhuǎn)子的動力學(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)子動力學(xué)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(fēng)險，提高成功率和有效性。

　　動應(yīng)力測點位置與布局方案設(shè)計需要綜合考慮部件可能存在的危險共振、模態(tài)應(yīng)力分布、試驗測試條件(如通道數(shù)量)及應(yīng)變片的周向分布等因素。創(chuàng)新團隊通過模態(tài)頻率及激振分析，識別共振危害性較大的關(guān)鍵模態(tài)，在模態(tài)驗證的基礎(chǔ)上進行模型修正，提高了危險模態(tài)識別的準(zhǔn)確性。模態(tài)應(yīng)力分析是測點位置確定的核心內(nèi)容，可以基于應(yīng)力敏感性和應(yīng)力梯度兩個關(guān)鍵參數(shù)，綜合評價測點位置的優(yōu)劣，識別動應(yīng)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(shù)

　　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(yīng)力測量貼片引線技術(shù)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(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(yīng)力測量貼片工藝、引線工藝技術(shù)難點，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)變計膠粘安裝工藝，工藝優(yōu)化后應(yīng)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(yīng)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(shù)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(yīng)力測量的成功率。

　　應(yīng)變計和應(yīng)變膠的工藝驗證

　　針對高溫(1100℃)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的動應(yīng)力測量，創(chuàng)新團隊對工藝流程及測試設(shè)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(yīng)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(gòu)，改制加工難度很大，試驗時存在較大風(fēng)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(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(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(gòu)，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(yīng)力信號線從相應(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)新團隊自行開展滑環(huán)引電器研制，從引電器結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)角度提高動應(yīng)力測量成功率的3個關(guān)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(yīng)力貼片中的關(guān)鍵技術(shù)特征準(zhǔn)確識別，找出了動應(yīng)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(shù)薄弱環(huán)節(jié)，明確了模態(tài)識別、模態(tài)應(yīng)力分析和貼片位置周向布局3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)責(zé)任人，分別針對各關(guān)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(yīng)力敏感度分析檢查表單和指導(dǎo)書、高敏感度/低應(yīng)力梯度的動應(yīng)力貼片位置優(yōu)化程序、動應(yīng)力貼片位置周向布局優(yōu)化程序，并建立了動應(yīng)力貼片分析標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，保證了動應(yīng)力測點選取技術(shù)研究的一次成功。

　　動應(yīng)力貼片點選取一次成功“子成功樹”

　　貼片引線作為動應(yīng)力測量中的關(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(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。考慮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(yīng)變計安裝與引線的每一個環(huán)節(jié)嚴把質(zhì)量關(guān)，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(yīng)變計存活率不高的問題，運用頭腦風(fēng)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(shè)計，建立評估方法和設(shè)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(yīng)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(shè)計集成調(diào)試、信號快速連接等多項關(guān)鍵技術(shù)。通過在各個關(guān)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(shù)指標(biāo)，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(shè)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(shè)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。