基于同軸度優(yōu)化的多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子分段堆疊裝配方法研究

王 玉 李 靜 龐 昕

（中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司 第一裝配中心，西安 710021）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在工作中高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子裝配后的初始不平衡量對(duì)整機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)有著較大影響，因此在裝配過程中控制初始不平衡量的大小十分重要。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。曹國茂[1]和李立新[2]分別利用Powell 法和遺傳算法對(duì)多級(jí)盤轉(zhuǎn)子裝配相位進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了不平衡量引起的力和力矩。吳法勇[3]和琚奕鵬等[4]通過分析多級(jí)盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同心度、垂直度與不平衡量的堆疊機(jī)理以及裝配參數(shù)對(duì)不平衡量的影響關(guān)系進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化，極大地降低了裝配后的初始不平衡量。

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子均采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，單盤剩余不平衡量接近平衡機(jī)精度。因此，針對(duì)單盤剩余不平衡量較小的轉(zhuǎn)子部件，在轉(zhuǎn)子堆疊裝配過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮同軸度優(yōu)化。在轉(zhuǎn)子部件之間周向位置隨機(jī)裝配的模式下，轉(zhuǎn)子一次裝配成功率不高，需要多次調(diào)整才能保障同心度符合設(shè)計(jì)要求[5]。同時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始不平衡量較大，給平衡工藝帶來困難。隨著測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量精度逐漸提高，轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化技術(shù)越來越成熟。

1 轉(zhuǎn)子不平衡及多級(jí)轉(zhuǎn)子不平衡量傳遞

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

所有轉(zhuǎn)動(dòng)件的不平衡量都能表示成靜不平衡量和偶不平衡量疊加的形式，其中靜不平衡的特點(diǎn)如下。第一，轉(zhuǎn)子的主慣性軸線相對(duì)回轉(zhuǎn)軸線平行移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)存在靜不平衡。第二，轉(zhuǎn)子存在靜不平衡時(shí)，其主慣性軸線與回轉(zhuǎn)軸線平行。第三，在靜不平衡狀態(tài)下回轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子存在通過重心的不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力，即靜不平衡力，而且不平衡離心力偶為零。第四，若轉(zhuǎn)子關(guān)于軸承支座對(duì)稱，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)靜不平衡力作用在兩個(gè)軸承上的力大小相等。第五，在靜止?fàn)顟B(tài)下可以觀察到靜不平衡，并在重心平面內(nèi)與不平衡量反向加單個(gè)配重進(jìn)行校正[6]。力偶不平衡是由慣性力偶引起的不平衡，在靜止?fàn)顟B(tài)下無法觀察到，只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能表現(xiàn)出來，這時(shí)轉(zhuǎn)子上加有搖擺振動(dòng)，中心主慣性軸線相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線以錐形軌跡運(yùn)動(dòng)。

1.2 多級(jí)轉(zhuǎn)子不平衡量傳遞

多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配后，初始不平衡量是衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量的重要參數(shù)。由于葉盤在加工過程中存在加工誤差，在多級(jí)轉(zhuǎn)子裝配過程中誤差逐級(jí)傳遞并放大，使得葉盤軸心偏離，從而產(chǎn)生不平衡量誤差[7]。葉盤定位誤差的存在，使得葉盤配合面產(chǎn)生偏心和垂直度誤差，分別用平移矩陣Pe和Pc表示，表達(dá)式為

式中：e為轉(zhuǎn)子測(cè)量面偏心距；θe為轉(zhuǎn)子測(cè)量面偏心角。

式中：c為轉(zhuǎn)子測(cè)量面垂直度誤差。

2 分段方法與機(jī)理

針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象，提出一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的裝配工藝方案。該轉(zhuǎn)子各級(jí)盤均采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，各級(jí)盤、軸頸之間均為止口配合，單盤初始不平衡量接近平衡機(jī)精度。常用的裝配工藝方案是在單盤測(cè)量后計(jì)算多級(jí)盤、軸頸堆疊裝配角向。受裝配誤差影響，多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件最終同軸度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值存在較大差異，因此需要調(diào)整裝配工藝，使組件最終達(dá)到同軸度優(yōu)化。

2.1 止口配合結(jié)構(gòu)

針對(duì)止口配合的多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件，由于止口跳動(dòng)及配合緊度的影響，盤、軸類零件在裝配后會(huì)發(fā)生質(zhì)心偏移，偏移量為δL，零件質(zhì)量為M，則質(zhì)心偏移引起的不平衡量U為

式中：k為影響系數(shù)，與零件外形結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。止口配合結(jié)構(gòu)偏心示意圖，如圖1 所示。

圖1 止口配合結(jié)構(gòu)偏心示意圖

2.2 分段方法

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子各級(jí)盤、軸頸通過緊固件連接，每級(jí)緊固件與其連接的盤、軸頸組成壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的一段。其中：四級(jí)螺栓連接的三級(jí)盤、四級(jí)盤、五級(jí)盤為第1 段組件；二級(jí)螺栓連接的一級(jí)盤、前軸頸、二級(jí)盤、第1 段組件為第2 段組件；后端螺栓連接的第2 段組件、篦齒盤、后軸頸為第3 段組件。各段結(jié)構(gòu)示意如圖2 ～4所示。

1.三級(jí)盤；2.四級(jí)盤；3.五級(jí)盤。圖2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子第1 段結(jié)構(gòu)

2.3 分段機(jī)理

在分段堆疊過程中，第1 段組件按同軸度最優(yōu)相位堆疊裝配。第2 段組件裝配時(shí)，將第1 段組件作為整體進(jìn)行堆疊測(cè)量，用該測(cè)量值與前軸頸和二級(jí)盤進(jìn)行堆疊，獲得同軸度最優(yōu)裝配角向，修正第1 段組件實(shí)際裝配偏差。第3 段組件裝配時(shí)，以第2 段組件作為整體進(jìn)行堆疊測(cè)量，用該測(cè)量值與篦齒盤、后軸頸進(jìn)行堆疊，獲得多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件頭周度最優(yōu)裝配角向，修正第2 段組件實(shí)際裝配偏差。

3 分段式堆疊裝配過程

由分段堆疊機(jī)理可知，轉(zhuǎn)子分段堆疊優(yōu)化需要按照組件分段、零組件測(cè)量、優(yōu)化計(jì)算、分段裝配及檢驗(yàn)驗(yàn)證5 個(gè)步驟進(jìn)行，其中組件分段依照第2.2 章節(jié)的方法，此處不再贅述。

3.1 零組件測(cè)量

零組件測(cè)量指測(cè)量并記錄各級(jí)盤、軸頸、第1 段組件和第2 段組件止口的跳動(dòng)、同軸度等形位尺寸數(shù)據(jù)，作為堆疊角向優(yōu)化計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入。

3.2 優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)零組件測(cè)量結(jié)果及優(yōu)化機(jī)理，按矢量計(jì)算出每段組件同軸度最優(yōu)的裝配組合角向。當(dāng)同軸度最優(yōu)時(shí)為某一角度時(shí)，若此處沒有螺栓，則選取最近的螺栓位置。

3.3 分段裝配

基于同軸度矢量，按照三級(jí)盤、四級(jí)盤、五級(jí)盤堆疊計(jì)算最優(yōu)相位，完成第1 段組件各級(jí)盤裝配。將第1 段整體作為組件，測(cè)量第1 段組件的堆疊數(shù)據(jù)，以第2 段組件同軸度最小為目標(biāo)，進(jìn)行第2 段其余盤、軸頸的優(yōu)化計(jì)算，按優(yōu)化相位完成第2 段組件裝配。將第2 段整體作為組件，測(cè)量第2 段組件的堆疊數(shù)據(jù)，以保證第3 段組件同軸度最小為目標(biāo)，進(jìn)行第3 段其余盤、軸頸的優(yōu)化計(jì)算，按優(yōu)化相位完成第3 段組件裝配，即完成壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配。

3.4 檢驗(yàn)驗(yàn)證

在第2 段組件、第3 段組件裝配過程中進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證，抵消前2 段裝配工藝偏差，最終只需對(duì)裝配完成的轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量，以獲得最終的轉(zhuǎn)子部件同軸度。

4 工程驗(yàn)證

以某型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件裝配為例，根據(jù)組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其裝配工藝路線設(shè)計(jì)為五級(jí)盤→四級(jí)盤→三級(jí)盤→二級(jí)盤→前軸頸→一級(jí)盤→組件翻轉(zhuǎn)180°→安裝篦齒盤和后軸頸。將該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件分為3 個(gè)裝配段，對(duì)其進(jìn)行分段堆疊裝配，同軸度、垂直度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知，組件最終同軸度優(yōu)化在較小范圍內(nèi)，有效降低了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件初始不平衡量，提升了裝配質(zhì)量。

表1 某型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件同軸度與垂直度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mm

5 結(jié)語

多級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子分段堆疊方法能夠及時(shí)有效地調(diào)整裝配誤差帶來的部件同軸度與理論值偏差，在裝配過程中優(yōu)化了工藝偏差，從而裝配完成后實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件同軸度優(yōu)化。利用前一段組件的堆疊結(jié)果與該段盤、軸頸堆疊，可以達(dá)到更好的同軸度優(yōu)化效果。隨著堆疊段數(shù)增加，同軸度及垂直度比前一段更優(yōu)。