疊加投影裝配技術發展及應用

王娜　杜立峰　郭作燃　孫逍遙　王歡

摘 要：航空發動機轉子結構是多樣的，結構特性則決定裝配工藝路線，發動機轉子裝配依靠人工、采用簡單的高低點抵消的方式裝配，時常出現不能滿足技術要求的現象，調整工作量大，裝配精度、效率低，可控性較差。國外某先進發動機裝配專用臺架采用氣動定心結構，并配帶疊加投影裝配軟件和數據采集系統，具有定位精度、檢測精度、裝配質量和效率高等優點。

關鍵詞：轉子；疊加投影；裝配

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

0 引言

航空發動機轉子作為發動機的動力系統，直接影響航空發動機的性能，如推力、振動等。航空發動機旋轉產生高壓，它的轉子由多個堆疊在一起的部件組成，所以每個部件的回轉軸理論上應該與整個發動機的軸線重合。大型發動機高速的旋轉速度大于10000rpm，任何軸向和徑向跳動引起的不平衡都會對發動機造成重大影響，因而保證各部件堆疊后的同心度是安裝的難點。

航空發動機轉子結構較為復雜，目前轉子均采用分段制造，然后通過止口與孔由螺栓裝配組合成轉子。轉子要求有精確的尺寸精度和形位公差，以減小整個轉子裝配后各主要支點之間的形位公差，從而降低轉子高速運轉時發動機的振動。發動機振動多由繞軸線的不平衡質量和轉子偏心引起，如何控制轉子零件裝配精度，進而提升轉子整體精度成為研究重點。

航空發動機轉子一般劃分為四大轉子，即低壓壓氣機轉子、高壓壓氣機轉子、高壓渦輪轉子和低壓渦輪轉子。自三代航空發動機開始，在結構上，高壓壓氣機、高壓渦輪轉子采用一體式設計，即高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子間通過螺栓連接成一整體，通常稱之為核心機轉子。低壓壓氣機轉子一般不超過四級，主要由盤、鼓筒、前軸頸、后軸頸組成，高壓壓氣機轉子由多級盤、鼓筒、前軸頸、篦齒盤、鼓筒軸及連接件組成。壓氣機轉子零件間采用螺栓連接結構。高壓渦輪轉子主要由渦輪盤和后軸頸等組成，渦輪盤前帶有短軸和安裝邊，通過螺栓與高壓壓氣機轉子聯接成一體。低壓渦輪轉子主要由低壓渦輪盤和低壓渦輪軸組成。

為保證轉子在整個轉速范圍內具有良好的定心和剛性，各零件的止口配合關系依據強度計算結果進行選取，連接螺栓與安裝孔采用小間隙配合。

每個轉子分段不可避免地存在兩端止口的同心度和孔平面的平面度的制造誤差，從而導致發動機轉子在軸承處產生的累積誤差可能超過規定值。而減小偏心的途徑有兩種：

（1）減小各個轉子段的制造誤差。

（2）合理裝配轉子段，使得累積誤差最小化。

隨著航空發動機的發展，發動機轉子件制造精度要求大幅提高，制造難度加大，通過減小制造精度來提升轉子精度的難度相當大，成本也將大幅增加。因此，提升轉子裝配質量，控制轉子整體公差，必然成為提升發動機的關鍵環節。

傳統的解決方法是按照轉子組成零部件的不平衡相位交錯180°裝配。組成零部件首先進行平衡，測量不平衡相位和幅值，該平衡一般在低轉速下進行，在轉子工作狀態（一般轉速相差10倍以上），并受到工裝夾具、安裝等因素影響，不平衡相位和幅值是否與工作狀態一致存在疑慮，按此方法裝配的轉子常出現“曲軸”和“香蕉”型誤差，嚴重影響轉子偏心，導致發動機振動過大等問題。

因此，需要更先進、更優化的裝配技術來解決該問題。

1 先進裝配技術和設備發展和應用成果

疊加投影裝配技術是目前轉子裝配類較為先進的裝配技術，國外對于轉子裝配技術的研究發展較快，疊加投影裝配技術具備成熟的理論基礎。目前該類裝配技術已長足地應用于航空轉子裝配中，并取得良好效果，該技術的應用有效地提高了轉子裝配的準確性和穩定性，并成功地提高了轉子裝配的效率，對于避免反復裝配增加裝配周期和降低發動機成本有著重要的作用。

目前疊加投影裝配所采用的設備為專用設備。英國Taylor Hobson公司將該技術轉化為實際應用系統，即疊加投影裝配系統（簡稱SPS），在全球航空發動機和燃氣輪機的渦輪、壓氣機轉子裝配中大量應用。

通過應用疊加投影裝配系統，發動機零部件實現了裝配關系的矢量優化，即優化轉子裝配時各部件（段）之間的相互裝配角度，以達到軸心偏離最小的目的，也使轉子裝配技術呈現出輕量化、整體化、系統性、高效性，裝配工作趨于簡單化，從根本上改變了傳統的工作模式、方法和手段，檢測范圍、檢測精度發生了質的變化，目前該設備也是較為先進的專業用于疊加裝配的專用設備。

2 疊加投影裝配技術的可應用性

疊加投影裝配系統能自動收集零件及預測裝配數據，主要包括跳動、同心度、垂直度、平行度和平面度，同時，在計算機和軟件的協助下，能明顯減少人工判讀的任務量，還降低了讀數造成的誤差，最重要的是轉子零件測量和預測技術能夠對組合在一起的各零件通過測量和計算確定出最佳的相對裝配位置。轉子零件測量和預測技術應用到高壓轉子裝配和平衡，由精密儀器測量和計算得到各盤鼓、葉片最佳的相對裝配位置，避免人工操作的誤差，提高裝配精度和質量，同時，也大幅提高裝配效率。

疊加投影裝配系統是一種工業中的強化引擎定位調整系統。系統采用位于儀器桿上的多套精密儀器測量頭來確保系統測量前快速而準確地安置與準備工作。其特有的“旋轉式”儀器測桿使得操作者能夠以快速而安全的方法來裝卸工件。其功能概括如下：

（1）空氣軸承主軸徑向和軸向精度高于0.125um。

（2）整套的調心與調傾功能，負載能力高。

（3）低式工作臺有助于組裝與堆砌。

（4）多個儀器測測頭（8項可選操作功能），4種儀器模擬測量。

（5）靈活的旋轉式儀器測頭便于安全的裝卸工件。

（6）容易安裝且生產車間程序化的Aerospect組裝堆砌預測軟件。

（7）軟件操控的調心與調傾。

（8）測量參數包括平面度、圓度、同軸度、垂直度、平行度等。

3 應用前景

國外發動機轉子采用該項裝配技術，利用轉子件之間的偏差進行互補形成了整個轉子的可靠，裝配質量和可靠性大幅提升，裝配可控性大幅提升。

通過使用疊加投影裝系統，有效降低單件的加工精度要求，從而降低了對單個零件制造精度的要求，使生產制造更容易保證制造精度，大大減小了組裝堆砌時間，而且優化發動機的性能，提高了生產制造效率，降低了消耗。

通過此系統安裝的發動機可以基本使發動機處于最佳安裝位置，大大減小誤差。每個部件的數據都可以保留，每次安裝前都可以進行預測，工人只需根據預測的方向安裝即可，效率非常高。

同等精度的零部件，通過使用疊加投影裝系統裝配形成的轉子，可有效控制“曲軸”和“香蕉”型等誤差，轉子裝配狀態遠優于采用傳統裝配方法裝配形成的轉子。

據有關資料介紹，采用傳統方法裝配轉子，耗費大量的時間，返工的可能性大，非常影響安裝的效率和一次成功率，一般一次成功裝配需要2d～3d，采用疊加投影裝系統安裝轉子只需要1d，而且一次成功率可達95%以上。

疊加投影裝性能表現為：節省40%安裝時間和費用，95%的一次安裝成功率，可預測安裝進度，減小轉子和靜子之間的間隙，增加發動機穩定性，降低發動機振動，增加發動機壽命，減少兩次維護之間的時間，節省發動機燃料消耗，減小CO2排放，減小發動機噪聲污染。

結論

（1）采用傳統裝配技術裝配的轉子已不能滿足公司目前先進發動機制造和研制需求，疊加投影裝配系統作為國際先進裝配技術，經過多年研究與應用已完全成熟，諸多國際著名發動機制造商通過采用疊加投影裝配系統，轉子裝配質量、效率以及發動機振動等性能都得以顯著提升。

（2）疊加投影裝配系統作為國際轉子裝配先進技術，它對轉子裝配質量、效率以致發動機整機性能的提升帶來新的發展和提升。

（3）為確定該技術的成熟程度和在其實際裝配中的應用效果，仍然需要在進一步的設備應用中進行探索分析并得出使用效果。

參考文獻

[1]《航空制造工程手冊》總編委會主編.發動機裝配與試車[M].北京：航空工業出版社，1994.