车辆发动机载荷谱研究现状与应用

发动机加速寿命试验技术目前主要用于航空发动机的考核，随着设计水平和维护能力的提高，航空发动机的寿命有了很大提高，然而，传统的1∶1模拟任务试验周期很长，且需要消耗大量燃料和长期占用试车台及设备。为了在规定寿命期内缩短台架寿命试车时间和节省燃料，美国在20世纪70年代中期提出AMT（Accelerated Mission Test，加速任务试车）方案，这是对模拟任务持久试车进行等效压缩，即在任务模拟中去掉对发动机不会造成损伤（或损伤很小）的工作时间，例如低温工作时间（巡航状态）和转速变化很小的转速循环，从而形成加速和等效。美国首先在TF41发动机上采用了AMT方案，取得了巨大的成功；随后，AMT方案得到广泛应用并已成为航空发动机研制中的一项标准考核试验。根据发动机使用载荷情况开展发动机寿命试车，这既是发动机技术发展规律的客观要求，也是发达国家的成功经验。

AMT循环的制定步骤（图1－5）：第1步，确定典型任务剖面，并对其各典型任务剖面的发动机参数（油门杆角度（功率）、飞行高度、飞行速度、排气温度、转速等）进行数据分析和处理；第2步，得出油门（功率）数据、油门变动幅度和频率、油门变化矩阵、各油门位置（功率状态）占用时间及百分数、转速循环类型统计及比例、高温时间和比例等；第3步，考虑在一次完整飞行循环中所经受的最恶劣瞬变条件，包括全部大功率状态、加速和减速状态，运用优化法删去对持久强度、低循环疲劳强度和热冲击等影响不大却占时很长的巡航状态。

图1－5　AMT循环的制定步骤

（a）第1步，确定典型任务剖面；（b）第2步，设计发动机工作循环；（c）第3步，加速任务试车循环

图1－6所示为美国的F100发动机模拟任务试车循环，单次试车循环时长为120 min。图1－7所示为发动机的加速任务试车循环，单次循环试车时长为40 min。通过模拟典型航线飞行循环中最恶劣的瞬变循环，加速任务试车用40 min来模拟典型航线的120min飞行使用循环，其加速试车循环较典型航线使用循环缩短了67%。事实证明：加速任务试车已经成为发动机研制过程中考核发动机可靠性和耐久性的有力手段，目前美国发动机结构完整性计划中已用它取代早期的寿命持久试车。

20世纪70年代，苏联也采用了加速等效试车，这是采用加大载荷、热冲击、大功率状态、共振状态及增加疲劳循环次数等方式，使发动机零部件和整机在相当短的试车时间内暴露出来的结构问题与全寿命试车的结果相同，其概念和研究方法与美国存在一些差异。表1－1所示为苏联民航发动机3 000 h长期寿命试车大纲。

图1－6　F100发动机模拟任务试车循环

图1－7　F100发动机加速任务循环(www.xing528.com)

表1－1　苏联民航发动机3 000 h长期寿命试车大纲

20世纪70年代，苏联给出了民航发动机采用增加起飞状态和在各种共振转速下工作进行加速模拟试车的大纲，并用474 h加速模拟试车代替3 000 h全寿命长期试车，该加速等效试车大纲见表1－2。在全寿命试车大纲中，每个阶段的时长为10 h，小于最大连续状态的各巡航状态时长占总时长的70%；在加速模拟试车中，每个阶段的时长为1 h 50 min，起飞状态工作时长几乎增加1倍，规定在各种共振转速下的时长占总时长的41%，加速次数、减速次数、起动次数和引气次数与全寿命长期试车相同，其加速模拟试车时间等效系数是6.3。

表1－2　苏联民航发动机474 h加速等效试车大纲

由于加速寿命试车的技术优势和显著的经济效益，以及我国新研制的军用发动机寿命不断延长，我国从20世纪70年代末开始进行加速任务试车研究，参照苏联一些做法，对涡桨五、涡桨六、涡喷八发动机综合考虑了断裂、高循环疲劳、低循环疲劳、腐蚀和热疲劳等影响因素进行加速模拟试车，并取得一定进展。

国内外大量AMT实例已证明，采用加速模拟试车代替全寿命试车可以大大缩短试验时间、节约试车经费，在发动机投入使用前找出存在的问题，进而加快研制进度、缩短研制总时间，被公认为一种科学、先进、省时、经济的发动机试车方法，已被发达国家广泛采用，各国都在继续进行加速模拟试车的理论和实验研究工作。

航空发动机AMT已经取得很大进展，一些成功的经验可以作为装甲车辆发动机加速寿命试验技术的借鉴。为加强我军装甲车辆发动机载荷谱的研究，应尽快建立以载荷谱为基础的模拟任务试车和加速任务试车试验规范，真正做到基于载荷谱的装甲车辆发动机设计、试验、定型和定寿。

发动机载荷谱研究是一项较复杂的综合研究课题，它与设计因素构成、使用任务、实际工作条件、零部件疲劳损伤与磨损失效机理、等效模拟理论和技术等都有关系。国内装甲车辆发动机开展载荷谱相关工作的研究不多，积累的试验资料较少，要想尽快发展我国发动机载荷谱的研究工作，达到世界先进水平，需要从仿真和试验两方面入手，对装甲车辆发动机载荷谱的编谱方法进行研究和探索。一方面，装甲车辆发动机零部件长期工作在复杂耦合物理场条件下，通过仿真计算深入研究多物理场载荷耦合作用下的损伤和失效基础理论，可以促进我国装甲车辆发动机载荷谱研究理论的跨越式发展。同时，在发动机设计阶段，可通过仿真计算得到发动机在不同任务和环境下的载荷，从而编制载荷谱，对发动机的可靠性进行分析。另一方面，急需对装甲车辆各类发动机使用任务进行调研，针对典型任务进行载荷谱的随机测试。随着发动机的测试技术、信号处理技术、数据存储技术的发展，目前在发动机上安装并使用载荷自动跟踪记录器来采集发动机使用载荷谱，进而建立数据统计处理系统和各种类型发动机的载荷谱数据库，已是很现实和经济的做法。

从使用装甲车辆发动机载荷谱方面而言，迫切需要建立适用我国国情的各发动机加速模拟试车的载荷谱和规范，这是需要各方面协调研究解决的问题。