高速水力测功机修理研究

郑永清 彭浩旅 朱 辉

（中国航发南方工业有限公司，株洲 412002）

为了测试航空发动机的各项功能、性能指标，必须对航空发动机进行整机试车运行，其中测功机是实现发动机整机测试的关键设备。测功机不仅可以吸收被测发动机输出的功，而且可以通过改变发动机的负荷及转速，形成所需的测试工况，以测定发动机实际使用过程中各种运行状态下的性能指标。高速水力测功机为高转速、大功率涡轴发动机配套的吸功装置，相比于低速水力测功机，其故障率大大提高，修理难度较大。因此，研究高速水力测功机的修理十分必要。

航空发动机地面性能试验时需要模拟直升机旋转桨的转动惯量，同时配套相应转动惯量的飞轮作为旋转桨的替代设备，因此高速水力测功机包括测功机本体、飞轮、扭矩传感器、控制器、润滑系统以及液压系统等部分。使用中，故障主要集中在测功机本体和飞轮两大部件，其余系统或部件故障相对较少，排除难度低。

1 高速水力测功机修理技术指标

高速水力测功机修复后验收的主要技术指标：水力测功机余转时间大于27 s；扭矩模式下，扭矩精度控制在3.5 Nm 以内；转速模式下，转速控制精度不超过50 r·min-1；修复后测功机稳定工作时间大于2 000 h[1]。

2 高速水力测功机主要故障

高速水力测功机使用中，常见主要故障有扭矩、转速波动超过规定值，测功机、飞轮本体振动大，自给电源不合格，测功机前、后端渗漏油现象等。一是测功机循环水质较硬，容易结垢，导致扭矩、转速波动大，测功机、飞轮壳体振动大；二是轴承磨损，特别是轴承外圈磨损，导致振动大；三是测功机轴系磨损，存在不平衡的离心力，导致振动大；四是进水阀、回水阀、控制器故障，导致扭矩波动大；五是测功机前、后密封衬套涂层磨损或测功机转子轴篦齿磨损严重，造成轴承润滑油渗漏。

3 修理研究

3.1 测功机轴承与轴承座配合研究

高速水力测功机轴承的型号有GR208SD602 M2A7PC1、C208GX61、C208GX61、C126208N4Q3[2]。

查机械设计手册，对C 级（超精密级）轴承，测功机固定端轴承与轴承座配合情况见表1。

表1 C 级公差轴承与轴承座配合

考虑轴承工作时发热，温度升高热膨胀的影响，轴承工作温度49 ～93 ℃，计算热膨胀，测功机固定端轴承座公差选用H5，轴承座内孔直径为mm。

根据测功机自由端轴承工作原理，测功机转子自由端轴承受热膨胀作用，沿轴向窜动，轴承座内孔公差选用H7，自由端轴承座内孔直径为mm[3]。

查设计手册，滚动轴承外环与轴承座配合为基轴制，对超精密轴承与轴承座配合类型有H5、Js5、K5、K6 以及M5 等配合，配合表面的粗糙度为0.8 μm[4]。

水力测功机本体和飞轮均由2 组轴承支撑，一端轴承为固定端轴承，另外一端轴承为自由端轴承；固定端轴承约束了6 个自由度，自由端轴承在轴向方向因热膨胀可移动。

超精密级轴承与轴承座的配合，取基轴制（h5），轴承外径上偏差为0，考虑自由端轴承的轴向位移，轴承外圈与轴承座孔的配合为间隙配合。配合情况可以参照表2。

表2 超精密级轴承与轴承座配合

查设计手册，C 级（超精密级）轴承与轴的配合见表3。

表3 C 级公差轴承与轴的配合

轴承与实心轴采用过盈配合时，所需的配合过盈量与轴承负荷的大小、工作温度以及轴的加工精度有关，为防止轴承内圈与轴之间产生“打滑”现象，对实心轴，内圈承受旋转负荷时，选用的名义过盈量可近似计算为

式中：Δd为名义过盈量，μm；d为名义轴承内径，mm；A为常数，磨削轴时A为3、精研轴时A为2，实心轴为磨削加工，A取3；Fr为径向负荷，N；B为轴承内圈宽度，mm；ΔT为轴承内部与轴承座周围的温度差，℃。根据已知条件，A为3，Fr为2 200 N，B为18 mm，ΔT为5 ℃，计算得出Δd≥6.33 μm。轴选用的公差与计算过盈量相比，轴的最终设计尺寸为mm。

3.2 密封衬套修理

密封衬套为测功机水腔密封装置，水腔的水压为正压，如果水腔为真空，壳体上设置了6 组通大气的真空断路器。为保证测试发动机扭矩波动小于3.5 Nm 且溢水量稳定，即最大量和最小量相差较少，要求密封衬套与测功机轴的篦齿间隙较小。

测功机转子轴静态径向跳动小于0.020 mm，篦齿径向跳动检查为不大于0.030 mm，密封衬套内孔圆度误差不大于0.008 mm，为保证测功机轴的篦齿与密封衬套涂层之间有间隙，最小间隙不小于0.060 mm，公差按IT6 设计，最大间隙不大于0.082 mm。

为测量密封衬套涂层材料及涂层厚度等，检测原装密封衬套涂层。涂层有2 层，对涂层进行能谱分析。结果显示，涂层面层类似于镍石墨涂层，底层类似于NiA15%涂层；计量涂层厚度为0.75 mm。对涂层表面硬度进行检测，确定喷涂层硬度为HR15Y40-60。

3.3 前、后密封衬套修理

测功机前、后轴承润滑处采用篦齿石墨密封结构。故障原因是前、后密封衬套石墨涂层磨损或测功机转子轴篦齿磨损，间隙过大造成测功机前、后端渗漏油。

3.4 高速水力测功机装配技术研究

3.4.1 测功机转子轴动平衡研究

由于材料组织不均匀，零件加工、装配误差及结构形状局部不对称等原因，高速转子即使存在很小的偏心距，也会产生巨大的不平衡离心力，成为轴断裂、轴承磨损、轴系振动的主要原因之一。测功机转子修理时由于转旋件零件有磨损、零件修复等因素，转子必须平衡。

对于高速测功机，需进行双面动平衡才能满足使用要求。平衡品质等级选择，选用平衡品质等级为G0.4，转子许用不平衡量计算公式为

式中：Uper为转子许用不平衡量，gmm；eper为转子单位质量的许用不平衡度，gmm·kg-1；m为转子质量，kg。已知eper为0.2 gmm·kg-1，m为26.308 8 kg，计算得到Uper为5.26 gmm。

每面许用不平衡量小于5.26 gmm 为合格，动平衡转速为1 000 ～3 000 r·min-1。

3.4.2 高速水力测功机装配研究

高速水力测功机损坏零件修复后进行装配，为确保各零件安装到正确位置以及装配精度满足要求，现检查各组成部分。

转子轴系的装配要求：确定零件安装方向、顺序和位置；两端锁紧螺母用力矩扳手拧紧，力矩大小符合要求；用塞尺检查零件间隙应小于0.02 mm。转子轴系零件中甩油环容易变形，影响轴承安装不到位。

测功机总装要求：测功机总装前试装轴承座与端盖是否存在间隙，用塞尺检查无间隙为合格；控制转子轴与轴承座相对位置，计量固定端轴承端面高出轴承座端面1.60 mm 为合格；自由端后密封衬套端面低于轴承端盖0.128 ～0.178 mm 为合格；装配完成后静态检查测功机前、后两端转子轴径向跳动和端面跳动均小于0.02 mm 为合格；如果超差，需调整自由端预紧弹簧力大小或弹簧安装位置。

3.5 高速水力测功机故障在线预警诊断装置研究

测功机本体、飞轮旋转件磨损后破坏性巨大，发生质变前无法从常规测量数据判断是否存在风险隐患。高速水力测功机本体和飞轮轴承润滑为油雾润滑，如果轴系旋转过程中存在磨损，润滑系统回油中会有磨损物出现，因此在高速水力测功机本体和飞轮润滑回油管道中串装磁性屑末检测装置，监视回油管道是否存在多余物。使用验证，这种预警诊断装置能及时发现轴承磨损、轴承座胶合磨损、花键磨损等，实施后有多次重要磁堵报警，及时发现了测功机（飞轮）轴承滚道磨损掉块，成功防止多起重大事故的发生。

4 结语

在修理过程中对轴承座、密封衬套等易损件进行计量，判断是否存在磨损；轴承安装前计量，根据轴承座尺寸进行选配，或根据轴承尺寸修理轴承座；对测功器轴系统零件安装后间隙检查，防止零件在分解过程中出现变形，确保各零件装配到位。

修理研究发现高速水力测功机水平振动不仅与转子装配不平衡离心力有关，还与零件配合间隙是否合理有关。为保证各零件间隙在要求范围内，防止零件变形，设计了轴承拔出工装，零件存放车等辅助修理工具，配备了检测量器具，对装配间隙进行有效控制。