裝配尺寸公差分配方法研究

丁 嵐，陳志英

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

裝配尺寸公差分配方法研究

丁 嵐，陳志英

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

為提高航空發動機初次裝配成功率，以壓氣機軸向間隙作為研究對象，提出1種基于單級性能最優為目標，同時獲得裝配后間隙最少調整的航空發動機裝配零部件公差選取方法，改善了目前通過墊片厚度的選擇實現零部件選配的情況，為發動機的裝配提供了確定性指導，實現了航空發動機的公差選取合理化，提高航空發動機的初次裝配成功率，進一步保證了運行效率。

裝配；公差分配；軸向間隙；航空發動機；壓氣機；盤

0 引言

轉、靜子葉片間軸向間隙的變化會給壓氣機的效率和性能帶來顯著影響[1]。軸向間隙增大時，動葉入口來流更均勻，有助于提升壓氣機氣動性能；軸向間隙減小時，有利于靜葉捕捉待壓縮來流，壓氣機擴壓能力得以提升[2]。但過小的軸向間隙會增強靜葉對上游動葉的勢流干擾，導致壓氣機軸功增加，同時有可能使動、靜葉發生碰摩。

影響軸向間隙的因素分為2大類。第1類是外部環境因素：溫度、轉速及氣動力對葉片和盤的作用，使盤-葉片系統發生軸向變形，改變軸向間隙；第2類是內部因素：公稱尺寸和公差。尺寸公差的選取決定盤-葉片系統能否在動態運轉時達到最佳性能。裝配過程受2類因素共同影響。現階段航空發動機領域對公差問題的一般處理方法依據設計制造精度制造出發動機的盤和軸，然后按照一定裝配順序、聯接方式進行裝配，裝配結束后對相關尺寸進行測量與核準，使用調整墊片對不滿足要求的尺寸盤和軸進行調整或者直接進行修配。這種處理方法存在一定的不合理性。為了提高初次裝配的成功率（即裝配后的測量數值達標的概率），零部件在裝配前需要選取公差，減少重裝概率、工時、裝配成本。

公差分配的主要目標是依對象進行優化。一般機械的公差優化是在滿足各類約束條件（包括裝配精度約束和各組成環的加工精度約束）下，以總成本最小為目標函數確定各組成環的最優公差值[15]。

本文以多級壓氣機為例，結合航空發動機自身的結構性能特點，從實際加工尺寸公差原理出發，在裝配前進行公差選擇，提出1種裝配考慮方法。

1 基于變形的公差分配

1.1 計算變形

1.1.1 建立模型

建立幾級壓氣機盤的簡化模型、網格劃分、添加材料屬性和載荷。建模過程省略對變形影響不大的因素。一般情況存在熱-結構耦合問題，所以必須選擇熱單元，如SOLID70。材料屬性除了常規的密度、E、泊松比，還需添加隨溫度變化的熱導率和線膨脹系數。

其中，選擇多級壓氣機的原因是：

（1）多級壓氣機在裝配過程中會出現公差累積現象，公差選取對裝配效果的影響更為明顯；

（2）與渦輪轉子相比，壓氣機轉子尤其是后幾級壓氣機的工作環境參數復雜，當轉速升高，轉子同時承受溫度載荷的變化和氣動力的作用，影響盤的軸向變形，進而影響公差的分配。

1.1.2 盤變形的計算

（1）民航飛機。因整個飛行循環中持續時間最長的狀態是巡航狀態，所以進行公差分配的變形計算時，選擇巡航狀態工況條件，進行穩態的熱-結構耦合計算。每個零部件的軸向公稱尺寸為Xi（i=1,2,…），計算得到的軸向變形記為Si（i=1,2,…），進而得到軸向的總變形為

（2）執行特殊飛行任務的飛機。某些軍、民用直升機執行一些特殊任務，例如軍事打擊、搶險救援等，在整個飛行循環內燃氣溫度和轉速變化更為復雜，因此搭載的發動機不會長時間處于某一種狀態下，進行公差分配計算變形時需要考慮：根據燃氣溫度的變化，利用瞬態熱-結構耦合，施加不同的熱載荷步，計算得出整個循環周期內的不同時間節點不同Xi的Si（i=1,2,…）；假定算得的Si按照正態分布，利用數學方法進行數據擬合得到正態分布的期望u，即正態分布曲線的對稱軸。取S=u，并得S=u時的Si（i=1,2,…）。

1.1.3 葉片軸向變形的計算

影響壓氣機葉片軸向變形的主要因素是氣動力。取一定氣動力作用下，葉片的軸向變形為L。

本節提出1種新的公差分配方法。不同零部件對變形的貢獻不同，采用比例方法進行公差選取，能保證系統在動態運轉時處于效率最佳位置；同時通過約束公差上下限，實現了調整墊片最少化。

1.1.4 軸向總變形

軸向總變形為

此時得到的Y即為靜態時盤的裝配位置距動態裝配最佳位置-壓氣機效率達最佳的位置之間的距離。

1.2 公差選取

1.2.1 基本概念

尺寸公差的表達方式有2種：公稱尺寸+上下偏差；尺寸中值=公稱尺寸+（上偏差-下偏差）/2。

線性尺寸鏈進行公差疊加式采用極值法。即當尺寸鏈上的每個尺寸均取極大尺寸時，疊加后的尺寸是最大尺寸；當尺寸鏈上的尺寸均取極小尺寸時，疊加后的尺寸是最小尺寸。

1.2.2 公差選取

依據不同零部件的變形Si對S的貢獻不同，進行公差分配。每個Xi的公差分別為Ti。變形越小，公差選取相對越寬松。

通過查閱機械加工手冊，得到盤的加工精度要求是IT6-8，尺寸公差范圍為0～0.2mm，鼓筒軸的加工公差約為0.3mm。

若1/nj＞1/ni(i=1,2,...)，當Xj為盤時，Tj=0.2mm；當Xj為軸時，Tj=0.3mm。

剩余的Ti（i≠j）利用式（4）算得。

至此，公差選取完成。

1.3 確定公差上下限

多級盤軸系統在裝配時會產生公差累積效應。本文主要考慮線性尺寸鏈，公差累積是線性累加，即上下限分別累加。

圖1 公差帶

在實際問題中，按照此原則確定公差上下限。

1.4 分配方法分析

此公差分配方法是為了實現更合理的公差分配，提高初次裝配率以及運行效率。

2 軸向裝配尺寸公差分配實例

選取某型航空發動機高壓壓氣機盤的后幾級盤及其葉片和相對應的靜子作為研究對象。

某型發動機的第9、10級壓氣機盤、中間的聯接軸和其后的靜子葉片如圖2所示。盤間采用螺栓連接，圖中省略連接方式，得到如上的尺寸鏈。X1為第9級盤的軸向尺寸；X2為聯接軸的軸向尺寸；X3為第10級盤的軸向尺寸。X為動、靜葉片間的軸向間隙。虛線表示動態運轉情況下，第10級盤-葉片系統處于性能最佳的位置。X1、X2、X3的設計尺寸即公稱尺寸，分別為17、24、19mm，加工精度為IT6-8。

圖2 某型發動機第9、10級盤裝配

2.1 壓氣機軸向間距變化對效率的影響

由文獻[4]可得：在設計工況即巡航狀態下，某單級壓氣機軸向間隙為67%R（R為動葉弦長，約3mm)方案的效率要明顯高于其他軸向間隙方案的效率。同時可得，軸向間距的變化對效率的影響明顯，從67%到100%間距的變化使效率減小了1.6%。由該試驗推斷得出此最佳軸向間隙應該位于67%R附近。

2.2 計算盤-葉片系統的軸向變形

2.2.1 盤的軸向變形

本例屬于熱-結構耦合的計算。考慮基于效率最優的公差分配時，計算選擇巡航狀態這一單一工況條件，進行穩態分析。

計算過程分2步：進行熱力計算，確定溫度分布；再進行結構計算，得出軸向變形。

單元類型選擇熱力單元SOLID70，在第2步進行結構計算時轉換單元類型為結構單元。轉速為1137 rad/s；材料包括：第9級盤選擇TC4合金；聯接軸選擇GH4169合 金 ； 第 10級 盤 選 擇 不 銹 鋼1Cr11Ni2W2MoV。熱力參數和線膨脹率見表1。

表1 熱力參數選擇添加導熱率和線膨脹率

添加恒定邊界溫度，第9級盤為盤心424℃，盤緣溫度715℃；第10級盤邊界溫度為460、768℃。網格劃分及計算結果如圖3所示。

圖3 網格劃分及計算結果

在ANSYS中計算得到2盤1軸的總軸向變形為0.13mm，其中X1的變形S1=0.08mm，X2的變形S2=0.02mm，X3的變形S3=0.03mm。

2.2.2 葉片的軸向變形

影響葉片的軸向變形的主要因素為氣動載荷。取葉片材料TC4合金，在巡航狀態的設計工況下，氣載荷為0.3 MPa，葉片軸向的偏移位移算得L=1.2mm[3]。則靜態裝配最佳位置應位于與動態最優性能的位置間距離Y=L+S=1.2+0.13=1.33mm處，此時動態下壓氣機在運轉時處于效率最佳位置。故圖2中的X3的右側尺寸線與虛線間的距離應為1.33mm。

2.3 公差的選取和上下限的確定

2.3.1 基礎公差范圍

通過查閱機械加工手冊，盤的加工尺寸公差范圍為0～0.2mm，鼓筒軸的加工公差約為0～0.3mm。

2.3.2 公差分配

由式（3）和上文的計算結果得，變形量的比值為是S1∶S2∶S3=8∶2∶3，變形越大，公差分配過程中應選取的公差值越小。由式（4）和計算結果得，公差值的選取比例應為T1∶T2∶T3=3∶12∶8。可見，聯接軸的公差要求最寬，優先選擇為0.3mm；通過式（4）計算得X1的公差為0.075mm,X3的公差為0.23mm，完成公差的分配。

2.2.3 公差上下限確定

公差選取還可使調整墊片的厚度最小。零件的設計機械加工尺寸是按照正態分布于尺寸中值的，不同上下限但公差相同的尺寸累加時，只有當上下限各自代數和大小相等符號相反，才可以實現最少使用墊片。

2.4 公差分配分析

本文提到的這種公差分配方式保證了發動機動態運轉時，動靜葉間的間隙處于最優值，從而使壓氣機的效率處于最優，也實現了墊片使用的最少化（如果需要使用）。

3 結論

（1）在軸向公差分配時，若對象是民航飛機上搭載的發動機，采用穩態計算，得出在巡航狀態下盤軸系統的總變形和各自零部件的變形，利用比例方式-變形小的公差選取寬松，對不同部件公差進行選取，實現動態運轉的性能最優；

（2）線性尺寸鏈中部件的實際加工尺寸累積尺寸中值等于公稱尺寸，即公差帶應等間距地分布于累積公稱尺寸兩側，可以保證調整墊片使用最少。

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（編輯：趙明菁）

Research on Dimension Tolerance Allocation in Assembly

DING Lan，CHEN Zhi-ying
（School of Power and Energy,Beihang University,Beijing 100191,China）

In order to improve the first-assembly success rate of aeroengine,take the compressor axial spacing as a target,a tolerance selection method was proposed based on the optimal performance of a single stage compressor and minimum clearance adjustment method. It can improve the situation that different parts matching were achieved by selecting the thickness of gasket,provides a deterministic engine assembly guidance,and fulfils the tolerance selection rationalization.The first-assembly success rate of aeroengine was increased as well as guaranteeing the efficiency.

assembly;tolerance allocation;axial spacing;aeroengine；compressor；disc

V 214.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.015

2014-12-03

丁嵐(1988)，女，在讀碩士研究生，研究方向為裝配尺寸公差分配；E-mail：dinglandinglan@126.com。

丁嵐，陳志英.裝配尺寸公差分配的方法研究 [J].航空發動機，2015，41（5）：72-76.DIN GLan，CHEN Zhiying. Research on dimension tolerance allocation in assembly[J].Aeroengine，2015，41（5）：72- 76.