基于同心度測量的轉子不平衡量裝配優(yōu)化技術

摘要：本文介紹基于同心度測量的轉子不平衡裝配優(yōu)化技術，以部件安裝角度優(yōu)化，滿足轉子不平衡量的控制目的。針對轉子旋轉軸線和部件慣性軸間偏差形成的轉子不平衡量原理，得到同心度在轉子不平衡量中的估算方法，以發(fā)動機轉子情況給予優(yōu)化方案。使用蒙特卡洛仿真法行隨機裝配中優(yōu)化裝配仿真，并對裝配優(yōu)化技術做驗證，以此滿足對轉子不平均原理改善的效果。

關鍵詞：同心度測量；轉子同心度；不平衡量轉配優(yōu)化

引言

轉子不平衡量為旋轉機械激振源。對轉子不平衡量進行控制，在旋轉機械中十分重要。高速旋轉航空發(fā)動機中，轉子不平衡量控制效果，在發(fā)動機裝配技術中是關鍵組成部分。航空發(fā)動機轉子必須由嚴格平衡工藝，對轉子不平衡大小進行控制，主要是對轉子最終不平衡量，初始不平衡量進行控制。

1.原理

多個部件裝配后形成發(fā)動機轉子，在進行裝配過程時，各部件旋轉中心和轉子旋轉軸線必須保持一致。部件裝配工藝、部件本身質量，都會造成部件自身旋轉中心和轉子旋轉軸線出現(xiàn)偏差，而這樣的偏差是導致轉子不平衡主要因素。

轉子不平衡量是轉子旋轉軸和轉子慣性軸的偏差。旋轉軸和慣性軸可建立不同心度、不平衡量關系。以幾何為目標點出發(fā)，旋轉軸可為轉子支撐面的圓心連續(xù)。轉子垂直于軸線連線，可用轉子部件兩端做鏈接定位圓心連線進行替代。各連接定位面偏差，導致連接定位面不平行、同心。導致轉子裝配后，轉子旋轉軸與部件慣性軸偏差。

平移與偏斜效應組合，可將部件旋轉軸不平衡量進行計算。轉子不平衡量累加，可對轉子不平衡特征做了解。得到以幾何量測量不平衡量方式。轉子轉配的各部件慣性軸特征為固有特征，而旋轉軸是以部件裝配位置變化而變化的。不平衡量因部件旋轉軸、慣性軸關系而影響，可使用對部件裝配角度優(yōu)化，對不平衡量進行控制。

2.不平衡量的估算及優(yōu)化

2.1.估算方法

部件慣性軸線是直線，并與支承面圓心連線、連接成一致；部件為剛性轉配，連接處圓心重合；部件質量均勻。

部件測量：部件測量是對部件鏈接定位面間制造偏差進行計算，兩個連接定位面間不同行度、心度，部件可用連接面夾角矢量、偏心矢量，對連接定位面偏差進行表示。部件簡化是基準面為坐標系慣性軸，和被測連接面結合，慣性軸可定位成被測面和基準面圓心連線。

轉子裝配：將各部件以連接關系進行裝置，對轉子連接面累積偏差進行計算。連接面可計算出各累積偏差。部件測量時，各連接面偏差為相對偏差，為部件自身坐標系下測量結果。需要將部件偏差置于相同坐標系下，才能得出累積偏差。在累加之時，需對坐標做轉換，其測量結果不能直接累加。做部件裝配時，連接面安裝相位角也會對累積偏差構成影響，相鄰部件安裝相位角也需在累加計算中考慮在內。

旋轉軸確定：轉子的裝配基準坐標系下，第一定位連接面的圓心和最后定位連接面圓心連線便是轉子裝配組間旋轉軸，從而可建立起旋轉軸空間直線函數(shù)。

部件不平衡量計算：對各部件不平衡量、偶不平衡量進行計算，便于做不平衡量累加時，將偶不平衡量、經不平衡量分解為轉子組件平衡面，可對平衡量動不平衡量做計算。

2.2.不平衡量優(yōu)化

裝配中對轉子部件周向安裝角做調整，能對轉子部件旋轉軸、慣性軸關系進行影響，從而對轉子不平衡量構成影響。可根據此規(guī)律，開發(fā)通過對轉子部件安裝角做調整，實現(xiàn)轉子不平衡量優(yōu)化方法。

優(yōu)化計算的方法較多，遺傳優(yōu)化算法、Powell優(yōu)化算法是常用算法。這些方法能對轉子部件安裝角度作為連續(xù)變量進行處理，而轉子部件安裝角度為離散性變量，部件以有限個螺栓連接，也主只能形成有限個安裝角度。連接面在不多狀況下，可對全部安裝面做計算，從而形成最有組合形式，此方法便捷、簡單。航空發(fā)動機轉子組成部件有限，此方法能進行使用。

3.仿真計算

以國外研究中所用方法做仿真計算，此次以某法定及高壓壓氣機的轉子為研究對象，使用蒙特卡洛仿真法，將優(yōu)化裝置過程、隨機轉配過程做仿真。將各部不平行度、不同心度公差設為0.04mm，公差滿足正態(tài)分布。不平行分布、不同心的均值為0，其標準差為0.02mm。將其隨機生成部件公差，根據優(yōu)化裝配、隨機裝配做不平衡量的仿真計算，可對兩組模式下轉子不平衡量得出結果。做7000次仿真計算后，對兩組裝配方式的不平衡量進行對比。

其以累計計算概率是96%，其隨機轉配下，轉子不平衡量區(qū)間分布為0～640gmm，優(yōu)化裝配下，不平衡量區(qū)間分布為0～270gmm。優(yōu)化裝配模式后，轉子的初始平衡量顯著下降。若優(yōu)化比例<50%，概率為75%，對任何部件，優(yōu)化裝配模式為75%概率得到相較于隨機裝配低50%的不平衡量。從仿真計算中得知，采取優(yōu)化裝配，可有效對轉子不平衡量進行改善。

4.結語：

本文主要對通過測量轉子部件的端面跳動、徑向跳動，優(yōu)化部件安裝相位角，對轉子不平衡量做有效控制。經過對部件慣性軸、轉子旋轉軸的偏差計算后，對轉子的不平衡量做計算。而這樣的方式，便形成安裝相位角不同對部件旋轉軸、部件慣性軸關系，從而對轉子不平衡量進行影響。以對安裝相位角進行優(yōu)化，能對裝配過程中的轉子不平衡量做控制，采取優(yōu)化配置，能對轉子不平衡量做有效改善。使用蒙特卡洛仿真計算法，對優(yōu)化裝置改善轉子不平衡量情況做進一步確定。以某高壓發(fā)動機轉子為例，以此進行計算，對優(yōu)化設置改善轉子不平衡量情況作出結論，結果證明，采取優(yōu)化裝配，可有效對轉子不平衡量進行改善。

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