基于同心度測量的轉(zhuǎn)子不平衡量裝配優(yōu)化技術(shù)

摘要：本文介紹基于同心度測量的轉(zhuǎn)子不平衡裝配優(yōu)化技術(shù)，以部件安裝角度優(yōu)化，滿足轉(zhuǎn)子不平衡量的控制目的。針對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線和部件慣性軸間偏差形成的轉(zhuǎn)子不平衡量原理，得到同心度在轉(zhuǎn)子不平衡量中的估算方法，以發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)做驗證，以此滿足對轉(zhuǎn)子不平均原理改善的效果。

關(guān)鍵詞：同心度測量；轉(zhuǎn)子同心度；不平衡量轉(zhuǎn)配優(yōu)化

引言

轉(zhuǎn)子不平衡量為旋轉(zhuǎn)機械激振源。對轉(zhuǎn)子不平衡量進行控制，在旋轉(zhuǎn)機械中十分重要。高速旋轉(zhuǎn)航空發(fā)動機中，轉(zhuǎn)子不平衡量控制效果，在發(fā)動機裝配技術(shù)中是關(guān)鍵組成部分。航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子必須由嚴(yán)格平衡工藝，對轉(zhuǎn)子不平衡大小進行控制，主要是對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，在進行裝配過程時，各部件旋轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線必須保持一致。部件裝配工藝、部件本身質(zhì)量，都會造成部件自身旋轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線出現(xiàn)偏差，而這樣的偏差是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡主要因素。

轉(zhuǎn)子不平衡量是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子慣性軸的偏差。旋轉(zhuǎn)軸和慣性軸可建立不同心度、不平衡量關(guān)系。以幾何為目標(biāo)點出發(fā)，旋轉(zhuǎn)軸可為轉(zhuǎn)子支撐面的圓心連續(xù)。轉(zhuǎn)子垂直于軸線連線，可用轉(zhuǎn)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(dǎo)致連接定位面不平行、同心。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子裝配后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸與部件慣性軸偏差。

平移與偏斜效應(yīng)組合，可將部件旋轉(zhuǎn)軸不平衡量進行計算。轉(zhuǎn)子不平衡量累加，可對轉(zhuǎn)子不平衡特征做了解。得到以幾何量測量不平衡量方式。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)配的各部件慣性軸特征為固有特征，而旋轉(zhuǎn)軸是以部件裝配位置變化而變化的。不平衡量因部件旋轉(zhuǎn)軸、慣性軸關(guān)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(zhuǎn)配，連接處圓心重合；部件質(zhì)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(zhǔn)面為坐標(biāo)系慣性軸，和被測連接面結(jié)合，慣性軸可定位成被測面和基準(zhǔn)面圓心連線。

轉(zhuǎn)子裝配：將各部件以連接關(guān)系進行裝置，對轉(zhuǎn)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(biāo)系下測量結(jié)果。需要將部件偏差置于相同坐標(biāo)系下，才能得出累積偏差。在累加之時，需對坐標(biāo)做轉(zhuǎn)換，其測量結(jié)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(gòu)成影響，相鄰部件安裝相位角也需在累加計算中考慮在內(nèi)。

旋轉(zhuǎn)軸確定：轉(zhuǎn)子的裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)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(zhuǎn)子裝配組間旋轉(zhuǎn)軸，從而可建立起旋轉(zhuǎn)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(jīng)不平衡量分解為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子部件周向安裝角做調(diào)整，能對轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)軸、慣性軸關(guān)系進行影響，從而對轉(zhuǎn)子不平衡量構(gòu)成影響。可根據(jù)此規(guī)律，開發(fā)通過對轉(zhuǎn)子部件安裝角做調(diào)整，實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子部件安裝角度作為連續(xù)變量進行處理，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)配過程做仿真。將各部不平行度、不同心度公差設(shè)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(biāo)準(zhǔn)差為0.02mm。將其隨機生成部件公差，根據(jù)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(zhuǎn)子不平衡量得出結(jié)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(zhuǎn)配下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子不平衡量進行改善。

4.結(jié)語：

本文主要對通過測量轉(zhuǎn)子部件的端面跳動、徑向跳動，優(yōu)化部件安裝相位角，對轉(zhuǎn)子不平衡量做有效控制。經(jīng)過對部件慣性軸、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的偏差計算后，對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸、部件慣性軸關(guān)系，從而對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子不平衡量做控制，采取優(yōu)化配置，能對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子不平衡量情況做進一步確定。以某高壓發(fā)動機轉(zhuǎn)子為例，以此進行計算，對優(yōu)化設(shè)置改善轉(zhuǎn)子不平衡量情況作出結(jié)論，結(jié)果證明，采取優(yōu)化裝配，可有效對轉(zhuǎn)子不平衡量進行改善。

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