基于同軸度優(yōu)化的多級壓氣機轉(zhuǎn)子分段堆疊裝配方法研究

王 玉 李 靜 龐 昕

（中國航發(fā)動力股份有限公司 第一裝配中心，西安 710021）

航空發(fā)動機轉(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整機的振動響應(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)者對此進行了研究。曹國茂[1]和李立新[2]分別利用Powell 法和遺傳算法對多級盤轉(zhuǎn)子裝配相位進行優(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]通過分析多級盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同心度、垂直度與不平衡量的堆疊機理以及裝配參數(shù)對不平衡量的影響關(guān)系進行雙目標(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)動機壓氣機轉(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精度。因此，針對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)重點考慮同軸度優(yōu)化。在轉(zhuǎn)子部件之間周向位置隨機裝配的模式下，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)計要求[5]。同時，轉(zhuǎn)子的初始不平衡量較大，給平衡工藝帶來困難。隨著測試技術(shù)的進步，測量精度逐漸提高，轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化技術(shù)越來越成熟。

1 轉(zhuǎn)子不平衡及多級轉(zhuǎn)子不平衡量傳遞

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

所有轉(zhuǎn)動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如下。第一，轉(zhuǎn)子的主慣性軸線相對回轉(zhuǎn)軸線平行移動時，轉(zhuǎn)子就會存在靜不平衡。第二，轉(zhuǎn)子存在靜不平衡時，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，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)于軸承支座對稱，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時靜不平衡力作用在兩個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配重進行校正[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)動時才能表現(xiàn)出來，這時轉(zhuǎn)子上加有搖擺振動，中心主慣性軸線相對于回轉(zhuǎn)軸線以錐形軌跡運動。

1.2 多級轉(zhuǎn)子不平衡量傳遞

多級壓氣機轉(zhuǎn)子裝配后，初始不平衡量是衡量航空發(fā)動機裝配質(zhì)量的重要參數(shù)。由于葉盤在加工過程中存在加工誤差，在多級轉(zhuǎn)子裝配過程中誤差逐級傳遞并放大，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，表達式為

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

式中：c為轉(zhuǎn)子測量面垂直度誤差。

2 分段方法與機理

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

2.1 止口配合結(jié)構(gòu)

針對止口配合的多級壓氣機轉(zhuǎn)子部件，由于止口跳動及配合緊度的影響，盤、軸類零件在裝配后會發(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

壓氣機轉(zhuǎn)子各級盤、軸頸通過緊固件連接，每級緊固件與其連接的盤、軸頸組成壓氣機轉(zhuǎn)子的一段。其中：四級螺栓連接的三級盤、四級盤、五級盤為第1 段組件；二級螺栓連接的一級盤、前軸頸、二級盤、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。

1.三級盤；2.四級盤；3.五級盤。圖2 壓氣機轉(zhuǎn)子第1 段結(jié)構(gòu)

2.3 分段機理

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，將第1 段組件作為整體進行堆疊測量，用該測量值與前軸頸和二級盤進行堆疊，獲得同軸度最優(yōu)裝配角向，修正第1 段組件實際裝配偏差。第3 段組件裝配時，以第2 段組件作為整體進行堆疊測量，用該測量值與篦齒盤、后軸頸進行堆疊，獲得多級壓氣機轉(zhuǎn)子部件頭周度最優(yōu)裝配角向，修正第2 段組件實際裝配偏差。

3 分段式堆疊裝配過程

由分段堆疊機理可知，轉(zhuǎn)子分段堆疊優(yōu)化需要按照組件分段、零組件測量、優(yōu)化計算、分段裝配及檢驗驗證5 個步驟進行，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 零組件測量

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

3.2 優(yōu)化計算

根據(jù)零組件測量結(jié)果及優(yōu)化機理，按矢量計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)時為某一角度時，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，按照三級盤、四級盤、五級盤堆疊計算最優(yōu)相位，完成第1 段組件各級盤裝配。將第1 段整體作為組件，測量第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)，進行第2 段其余盤、軸頸的優(yōu)化計算，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)，進行第3 段其余盤、軸頸的優(yōu)化計算，按優(yōu)化相位完成第3 段組件裝配，即完成壓氣機轉(zhuǎn)子裝配。

3.4 檢驗驗證

在第2 段組件、第3 段組件裝配過程中進行檢驗驗證，抵消前2 段裝配工藝偏差，最終只需對裝配完成的轉(zhuǎn)子進行檢驗測量，以獲得最終的轉(zhuǎn)子部件同軸度。

4 工程驗證

以某型壓氣機轉(zhuǎn)子組件裝配為例，根據(jù)組件結(jié)構(gòu)特點，其裝配工藝路線設(shè)計為五級盤→四級盤→三級盤→二級盤→前軸頸→一級盤→組件翻轉(zhuǎn)180°→安裝篦齒盤和后軸頸。將該壓氣機轉(zhuǎn)子組件分為3 個裝配段，對其進行分段堆疊裝配，同軸度、垂直度的實測數(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 某型壓氣機轉(zhuǎn)子組件同軸度與垂直度實測數(shù)據(jù) 單位：mm

5 結(jié)語

多級壓氣機轉(zhuǎn)子分段堆疊方法能夠及時有效地調(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，從而裝配完成后實現(xiàn)壓氣機轉(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)。