航空活塞發動機配重修理檢測裝置誤差評定技術研究

白宇翔

（中國民用航空飛行學院 飛機修理廠，四川 廣漢618307）

0 引言

航空活塞發動機配重相關結構參數公差范圍較大，為保證檢測效率較少采用三坐標測量儀或類似超高精度檢測工具而多使用相對簡單的組合檢測裝置，受加工工藝、形變、磨損、測量原理等影響，該類檢測裝置存在多種誤差來源，這直接影響檢測結果的準確性，嚴重情況下將導致航空活塞發動機狀態異常，筆者工作于通航飛機大修廠，全程參與了某型進口航空活塞發動機配重翻修工藝的研發，對配重翻修有全面的了解，本文將主要對配重修理檢測裝置的系統誤差評定方法進行研究。

1 配重主要形位參數及檢測裝置介紹

航空活塞發動機配重主要用于平衡正弦變化的旋轉力矩，消除強迫扭轉振動，避免曲軸共振[1]。配重外形如圖1所示，其翻修后需要量化記錄的主要工作參數是工作孔的內徑，工作孔孔心連線與水平直邊上各點的距離（下文簡稱心邊距），孔軸與基準面的垂直度。而兩孔中心距在翻修時通過精密夾具和數控內圓磨床能夠保證高精度，故翻修后并不專門做計量處理。在航空活塞發動機大修中配重屬于必換件，為提高翻修后配重的檢測效率，參考官方維修服務說明，多使用一類簡單機械結構檢測裝置，諸如內徑檢測等常見檢測手段本文不再贅述，現針對主要工作參數——心邊距和孔軸垂直度的檢測裝置進行分析，如圖2、圖3所示。

圖1 活塞發動機配重示意圖

圖3 工作孔垂直度檢測裝置

心邊距檢測裝置結構如圖2所示，包括量規座和標準塊兩部分，標準塊上兩孔參數取自配重孔孔徑、中心距公差范圍內的某一固定值，兩孔的圓心與直邊形成了某一確定的心邊距基準。在測量時，首先將標準塊插入量規座兩芯軸中，用深度表在量規上方開槽處將表針抵住標準塊頂部進行預壓緊，并歸零定下基準，隨后在整個開槽長度內移動分度值0.01 mm數顯深度表，如數字無變動，則進行下一步，極小概率下數字呈線性變化，代表芯軸與頂部基準面不平行，重新安裝微調芯軸重復上一步動作直至數字恒定為零，然后取下標準塊換上配重，用同樣的方法使用深度表測量配重直邊，示數則表示配重心邊距與標準塊相應心邊距的差值，間接測量出配重的心邊距。

工作孔垂直度檢測裝置用于測量配重同軸兩孔的擬合中心軸與其基準平面（配重開槽處內表面）的垂直度，結構如圖3所示，根據配重制造廠商官方服務說明，驗收時主要測量z方向及y方向的垂直度（如圖3），中央螺釘負責將配重基準平面與檢具豎直平面拉緊，用芯軸穿過同軸兩孔模擬中心軸，通過將裝置z向和y向分別豎直放置在平臺上，平移磁性底座上固定的杠桿表測量出芯軸兩端最高點位置的高度差，從而得出該軸與基準平面在對應方向上的垂直度。

2 檢測裝置主要誤差分析

測量誤差主要分為系統誤差、隨機誤差、粗大誤差，其中系統誤差為定量分析中誤差的主要來源，下文將主要討論測量裝置上具有明顯規律性、對測量結果影響大、可以采取措施加以消除或減少的系統誤差。

2.1 心邊距檢測裝置的誤差分析

1）量規座的制造誤差。該測量方法基于替代法，配重與標準塊的對比置于同一量規座，量規座的各類誤差將對前后兩次操作造成大致相同的影響，差值對比得出的結果恰好能最大程度抵消掉該影響，且標準塊驗收時經過三坐標測量儀檢測，各參數均在設計的合理偏差內，其安裝在正常狀態的量規座上后0.01 mm分度值的深度表橫拉數值是不會呈現波動的，故只要確保標準塊能正確安裝，底座自身誤差對測量結果將影響甚微，故該誤差可忽略不計。

2）標準塊的制造偏差。由于該檢具將標準塊的心邊距作為測量結果的基準，故標準塊參數的偏差也是誤差來源，它的主要參數是孔徑、兩孔中心距、心邊距等，在制造時該孔中心距與配重工作孔的翻修參數完全一致，但在偏差內中心距的差異會造成標準塊與配重各自的孔與芯軸接觸點的差異，造成不同程度的豎直方向升降，易知接觸點始終接近芯軸高點，斜率小，豎直抬升造成的差異通過CAD模擬皆在微米級別，故不再贅述。本文將誤差來源主要定義為標準塊心邊距的制造偏差和標準塊直徑的制造偏差，其所造成的影響將在下文詳述。

3）基于測量原理產生的誤差。由于該檢具原理基于等效替換，通過差異對比將標準塊心邊距轉化為配重的心邊距，但設計時為了能順利將標準塊和配重置于量規上，芯軸與孔的配合皆采用了間隙配合，由于重力影響，始終是孔的內壁上端與芯軸的上表面接觸，因配重工作孔直徑翻修后尺寸具有0.05 mm的公差帶，故配重和標準塊的圓心并不能完全重合，兩圓心在豎直方向上的差值即引入了新的誤差C2，如圖4所示。

圖4 心邊距誤差示意圖

綜合上述分析，由于存在測量原理導致的誤差，對不同配重進行測量時的誤差按一定規律變化，為更加方便地在日常工作環境中獲取每一個配重的測量誤差，從而修正測量結果，現提出下述誤差評定辦法：現定義配重經本文檢測裝置直接測量計算得出的心邊距為A，實際心邊距為A1，配重孔徑為D1；標準塊的實際心邊距為A2，標準塊孔徑為D2，標準塊心邊距的設計值是A2′；數顯深度表示數為C1（表針壓緊示數增大），標準塊相關參數可使用三坐標測量儀或結合生產實際利用各類量具搭配輔助工具進行一次高精度測量。

由該式可知，僅需對標準塊的孔徑及心邊距進行一次高精度測量，在后續測量中就能針對不同配重工作孔的內徑求出相應誤差，從而對得出的測量結果進行補償。

2.2 工作孔垂直度檢測裝置的誤差分析

1）檢具垂直基準面形位參數。由于該基準面所在平板經過特殊材質處理，通過螺釘拉緊，配重內基準面面積的95%與檢具垂直基準面實現緊密貼合，平面度對結果影響甚小，而檢具基準面與水平面的垂直度將直接影響配重工作孔軸線的垂直度檢測，如圖5所示。

圖5 垂直度誤差示意圖

現可直接通過三坐標測量儀測量該裝置垂直基準平面與兩底部平面的垂直度，為了適應日常工作環境，亦可通過高精度數控機床或類似能精確量化行程距離的設備，將檢測裝置放在機床平臺上，主軸通過磁性底座連接分度值0.001 mm杠桿表，杠桿表表針與理論垂直基準面夾角控制在10°以內，通過控制數控機床Z軸上下平移L距離，記錄下表針的跳動量（P1-P2）。

由該型配重工藝可知，配重工作孔軸在60 mm長度上，垂直度必須在0.18 mm以內，由檢具的驗收標準可知，對于精密型檢具其測量誤差在測定值公差范圍的1/3以內才算合格[2]，故可用的極限狀態下，檢具垂直基準面在60 mm上ΔH為0.06 mm，可知β角不超過0.057°，該β角對于杠桿表與豎直面夾角影響可忽略不計，故杠桿表轉換系數擬取最大cos 10°[3]，（P1-P2）乘以該轉換系數即可得到ΔH，計算可知，即使在極限狀態ΔH=0.06 mm時，（P1-P2）與ΔH的差值也不會超過1 μm，可忽略不計。

小結：在該誤差判定的操作中，使用杠桿表進行垂直度檢測，可直接按上述方法讀表得出檢具垂直基準面位置度誤差對測量結果的影響，指針壓縮量越大，數值越大，在杠桿表讀數變化大于0.06 mm時，就本段單一影響要素來說，該檢具已可判定不合格，此時建議調整修復檢具。如讀數變化小于0.06 mm，可得出誤差值δ1：

該垂直度測量定義上要求測得理論豎直基準面法線方向上L長度間的高度差，實際應用中用芯軸上軸向距離L的兩點代替上述兩軸端，由于芯軸的傾斜，兩測量點間的距離在水平面上的投影必小于L，但由于傾斜角度極小，如本段所討論檢定合格情況下β角最大等于0.057°，若此時配重孔軸垂直度取極限0.18 mm/60 mm，α角計算為0.229°，L取60 mm情況下與水平投影的差值是60×（1-cos 0.057°），兩數值僅相差0.48 μm，在豎直方向上造成的誤差更可以忽略不計，故可視芯軸軸向相距L長的固定兩點間的高度差等于理論豎直基準面法線方向上L間的高度差，測量結果可不作角度補償。

2）同軸孔孔徑差異造成的誤差。翻修時將使用內圓磨床對同軸工作孔內兩襯套同時進行打磨，故以下討論默認兩襯套孔完全同軸，但由于磨削行程及工藝的些許差異，兩孔的孔徑可能會出現不一致的情況，圖6將這種差異進行夸大表示，孔徑的差異將導致芯軸的傾斜，引入垂直度誤差。由工藝可知，芯軸在設計時與襯套孔的最大實體直徑采取0.015 mm的間隙配合，該型配重襯套孔的公差范圍為0.05 mm，在襯套孔孔徑驗收合格的極限情況下，圖示左右兩襯套孔半徑最大差值為0.025 mm。

現討論芯軸與襯套孔的接觸形式，受重力影響，芯軸將以小孔徑一端內側為支點，向另一孔傾斜，由相似三角形可知，若c點下降0.025 mm，則d點會上升0.025×B/（A+B）的距離，該型配重計算得知，d點會上升0.011 mm，小于d處0.015 mm的間隙，故芯軸在孔內一定是如圖類型的接觸方式，并不會出現b、d點接觸而與大孔徑襯套孔無接觸的情況。

通過內徑千分表可測得直徑D1、D2，誤差δ2可量化為：

上式基于假設襯套孔軸與基準面完全垂直的情況下得出，但由于襯套孔本身具有垂直度，而孔徑差異造成的誤差值是和該垂直度成一定函數關系的，但襯套孔垂直度就是該檢具所測量的參數，因果倒置使得該誤差沒辦法精準量化，所以該式計算結果與真實誤差值存在差異，基于2.2節1）中的論證思路易知，整個垂直度誤差評定過程中涉及到的角度變化因素對結果影響甚小，將2.2節1）中的極限狀態傾斜角度加入本段疊加可論證該觀點，差異始終不超過微米級別，故不再贅述，如圖6所示。

圖6 同軸孔孔徑差異造成的誤差

3）測量芯軸的自身形狀誤差。由于芯軸設計成中間大兩端小，由加工原理可知主要誤差來源于兩端分開車削造成的直徑間的差異，該差異對測量將直接造成誤差。現可使用0.001 mm分度值的千分尺對兩頭直徑進行測量，兩端半徑之差即為引入的誤差量δ3：

本文的計算方法皆能體現方向性，由上文分析可知δ1的方向由測量裝置決定，是固定值，而δ2和δ3的方向可通過180°旋轉芯軸或配重實現正負轉換，故多數情況下可以通過適當調整δ2和δ3的方向來使得總誤差δ最小化。

3 結論驗證

現挑選3個孔徑不相同的翻修配重，郵寄給該型配重位于美國的官方制造廠家通過三坐標測量儀進行相關形位參數測量，得到一組官方測量結果，以該結果為配重相關形位參數的“真值”，將該結果與使用本文所述檢測裝置所測量得到的結果進行比對，得到一組誤差“真值”，將誤差“真值”與本文論述誤差評定方法計算結果進行對比，結果如表1所示。

表2評定誤差由于筆者所用檢測裝置δ1和δ3大小相等方向相反互相抵消，故誤差主要體現在襯套孔內徑差異引入的系統誤差δ2上。誤差數據對比顯示兩種檢測裝置使用該文誤差評定方法得到的評定誤差與誤差“真值”的差距最大在5 μm左右，最小趨近于0，故使用該方法可以簡單可靠地使檢測結果得到準確修正。

表1 心邊距檢測裝置誤差

表2 垂直度檢測裝置誤差

4 結語

本文明確了航空活塞發動機配重修理檢測裝置的誤差來源，給出了較為詳盡的誤差評定思路，為類似裝置的誤差評定流程提供了參考，該誤差評定方法可以針對活塞發動機配重修理檢測裝置的測量結果進行修正，簡化了誤差評定流程，使維修更加安全可靠，更加適用于生產實際。