某姿态试车台主支点断轴故障分析及优化设计

张欢 张婷婷 肖玄 李霖

摘 要：某發动机姿态试车台，通过俯仰台架实现俯仰运动，通过主支点及侧滚台架实现侧滚运动。主支点既充当发动机传动轴的一部分，也充当侧滚台架旋转运动的驱动机构。本文根据某发动机姿态试验时出现的主支点断轴现象进行分析，对主支点的结构进行优化设计，缩短了发动机传动轴长度，消除了主支点与发动机传动轴相互作用，对后续涡轴发动机姿态试验的开展具有指导意义。

关键词：姿态试车台；断轴故障；优化设计

中图分类号：V216 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0065-03

航空发动机是现代军事装备的一个重要组成部分，使用范围广泛，使用条件恶劣，不仅会受到自然环境条件的影响，而且会受到随机飞行姿态的影响。发动机在整个飞行包线内转子受力、滑油压力等各项参数变化幅度较大，对发动机各个部件的性能及工作稳定性，对发动机的振动、结构强度、轴承的润滑等均有重大影响[1]。被列入“飞行前规定试验”结构试验的重要项目之一。因此发动机在整个飞行范围内的工作稳定性和可靠性需要通过姿态试验来验证。

某姿态试车台是中国航发湖南动力机械研究所自主研制的航空发动机整机姿态试车台，其最大上仰角度105°，最大下俯角度90°，左右侧滚角度50°，满足2000kW以下涡轴发动机的姿态试验。

1 试验设备

某姿态试车台通过姿态平台实现姿态角度的变化，且侧滚运动和俯仰运动能同时各自独立进行，彼此间互不干涉。姿态平台包括俯仰台架及侧滚台架。俯仰台架为整体旋转平台，侧滚台架安装在俯仰台架上，随俯仰台架而进行旋转运动。侧滚台架安装示意图如图1所示，侧滚台架采用主支点作为驱动机构及传递发动机输出扭矩。

主支点由支座、齿轮外壳、圆锥滚子轴承、左轴头、高速传扭轴、右轴头、高速陶瓷轴承等组成。其中齿轮外壳由圆锥滚子轴承固定在支座上，通过连接板与侧滚台架相连，当齿轮外壳在齿条驱动作用下转动时，同时由连接板带动侧滚台架转动。发动机安装在侧滚台架上，从而实现发动机的侧滚运动。

左轴头、高速传扭轴、右轴头、高速陶瓷轴承等组合实现发动机高速传扭。

高速传扭轴穿过齿轮外壳内部空心处，两者之间的转动互不影响。

2 试验现象

某涡轴发动机进行姿态试验时，在发动机从地慢转入空慢状态时，出现主支点振动急剧上升，主支点有火星冒出现象。紧急停车后发现主支点高速传扭轴两端轴头断裂。对断口进行理化分析，确定断口为过载瞬断断口，碎屑材料为高速陶瓷轴承材料，原主支点断轴示意图如图2所示。

3 故障分析

为了确定主支点断轴故障原因，建立故障树如图3所示。

具体分析如下：

（1）轴承故障。轴承故障或烧蚀，导致高速传扭轴载荷突然增大，超过设计极限而破裂。从试验数据分析，断轴前轴承温度没有明显上升，且发动机完成了最大状态运转，因此轴承是正常的。

（2）低周疲劳断裂。从断口分析为过载瞬断断口，不属于低周疲劳断裂。

（3）高周疲劳断裂。从主支点的结构看，两端轴头悬臂较长，重量较大，因此有可能造成高速传扭轴在工作过程中产生较大的振动，引起高周疲劳而断轴。

（4）静强度不足。断轴前发动机完成了最大状态运转，断轴发生时在慢车状态，因此静强度满足要求。

（5）锁紧螺钉松动。通过对主支点结构进行分析，高速传扭轴与轴头通过止口定位，再由螺栓进行紧固，确保轴头在轴向位置不会发生串动。但高速传扭轴在运转过程中产生振动造成螺钉松动，导致轴头脱离定位面后偏转振动，从而造成断轴。

（6）转子不平衡量过大。主支点和轴头在制造过程中均进行了单独的动平衡，但没有进行转轴和轴头的组合动平衡、装配后引起转子的不平衡量可能超过设计极限值，使传动轴承受过大的振动交变载荷而发生断轴。

（7）轴头装配不到位。轴头与高速传扭轴之间有定位止口，在装配到位且可靠锁紧的情况下，轴系能正常工作，若轴头装配没有到位，可能加速锁紧螺钉的松动，导致轴头脱离定位止口。

（8）支撑主轴的圆锥滚子轴承松动。高速传扭轴由一对圆锥滚子轴承支撑在支座上，圆锥滚子轴承的松动使主轴不能可靠固定，有可能使主轴的振动增大，使传动轴承受过大的振动交变载荷而发生断轴。

从以上分析结果可以看出，传扭轴断轴状态在发动机从地慢至空慢的过渡阶段，传扭轴传递的扭矩非常小，从分解后的情况看，轴头装配不到位且没有可靠锁紧的情况下，由于轴头偏重且有可能装配后的转子不平衡量过大，造成了转子的振动偏大，同时也造成传动轴运转的径向位移增大。在锁紧螺钉松开后，传动轴运转的径向位移进一步增大，从而使轴头完全脱离定位止口，形成发散系统造成断轴。

4 解决措施

由于发动机与测功器之间传动轴较长，安装时对各轴的同轴度要求较高，且轴头与花键的配合要求较高。故为了缩短传动轴长度，排除主支点对传动轴的影响，对主支点结构进行优化，在保持发动机传动轴结构尺寸不变的前提下，通过缩减主支点的轴向尺寸，去除主支点高速传扭轴设计，仅保留主支点侧滚驱动功能。安装时只需要将发动机传动轴与测功器直接相连即可。

优化后的主支点在车台的安装示意图见图4所示。

目前发动机姿态台侧滚系统包括支撑发动机主支点和辅助支撑架及调整机构以及传动机构，侧滚台架主要用作发动机安装架的支撑平台。发动机安装在侧滚台架上，能随侧滚试验平台产生侧滚运动。侧滚台架具有可拆卸更换性，对于不同的发动机其结构不同。

为了考核发动机安装面在飞行姿态时的受力情况，侧滚试验平台的发动机安装形式采用与飞机上安装形式基本相同，支撑轴通过法兰与发动机的前安装面连接，支撑轴通过轴承固定在轴承座上，发动机辅助支点安装在一弧形滑道上，弧形滑道安装在圆形支架上，圆形支架固定在俯仰平台上。通过调整3根辅助支撑杆的高度，保证发动机安装时发动机的轴心位于侧滚台架弧形滑道的旋转中心。

发动机的输出轴穿过主支点中心与测功器飞轮通过轴头相连，轴头两端为内花键，轴头的主要功能是将发动机输出轴功率传递给飞轮和测功器。

目前侧滚系统的驱动由直线液压缸驱动，液压缸带动齿轮轴运动，齿轮轴与侧滚支架通过止口连接，从而带动整个侧滚台架进行侧滚运动，从图中可以看出，这种设计与前面的中支点相比，最大的优点就是发动机到测功系统的轴向距离得到了很大的缩短，这就大幅降低了试验中再次出现断轴地风险，优化后的主支点示意图如图5所示。

新的中支点采用齿轮齿条传动方式，液压站为液压缸提供动力，液压缸带动上下平行放置的两根齿条，齿条带动中间的传动齿轮，传动齿轮由轴承支撑，与发动机安装架通过止口定位连接，发动机的输出轴通过齿轮中间的圆孔与测功器直接相连接。

改造后的中支点可以提供约5600Nm的侧滚扭矩，受限于液压缸行程和齿条长度，新中支点存在一个侧滚角度极限。

当侧滚台架在水平位置时，齿轮与齿条的中点位置捏合，如图5所示位置，则侧滚的极限位置为齿轮与齿条端点的啮合位置。

液压缸总行程为90mm，齿条总长380mm，齿轮模数m=10，齿数z=30，则齿轮分度圆直径为：

d=m×z=10×30=300

则侧滚的极限角度为：

θ=[（90/2）/300]×360°=54°

则侧滚的最大角度≈±50°。

新的侧滚中支点满足大多数型号涡轴发动机姿态试验的要求。

5 结语

优化后的主支点在试验现场安装完成后，保证水平位置的同轴度精度，在侧滚台架旋转各姿态角度下进行同轴度检测，未发现发动机同轴度发生变化，证明发动机在进行侧滚运动时，输出轴与测功器之间一直保持同心关系。试验证明，优化后的主支点实现了侧滚驱动功能，同时，保证了发动机输出轴传扭功能正常。在发动机各个工作状态下均能正常稳定工作。

参考文献

[1] 龙合良，唐名扬.涡轴发动机姿态试车台姿态台架方案设计探讨[C].中国航空学会，2005，CSAA2005-PET-004.

[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2018.