CN106248285B - 一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法及装置，所述检测方法具有如下步骤：获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系，测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移，判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象，确定预紧力不合理螺栓，及预紧力偏差值。本发明可快速、准确判断螺栓预紧状态，测量过程中不需要破坏螺栓结构，精度高于当前直接测量短螺栓长度的方式，消除了传感器进给误差导致的盘面轴向位移偏差，减少了紧固过程中盘面坐标基准偏移的影响，消除了多次测量的重复定位偏差。

Description

一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮 轴盘紧固力检测方法及装置

技术领域

本发明属于航空发动机装配技术，具体涉及一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法及装置。

背景技术

航空发动机低压涡轮是将低压涡轮盘的动力传递给风扇的一种结构，它的工作转速高，传递扭矩值大。低压涡轮轴盘的装配工作主要由螺栓拧紧操作组成，拧紧力大小、拧紧顺序、拧紧次数等紧固工艺参数会对螺栓的预紧力大小产生影响，继而对于轴-盘连接界面接触应力、盘面变形及低压涡轮轴同轴度、低压涡轮轴盘动刚度及动力学稳定性等产生显著影响，不合理的紧固工艺将降低航空发动机低压涡轮轴运行可靠性。

目前装配现场是通过监测拧紧螺栓时的扭矩值来控制螺栓的预紧力的大小，难以准确保证各螺栓轴向力的一致性。螺栓预紧过程中，输入能量只有大约10％转化为螺栓的预紧力，其它约90％转化为螺栓-被连接件接触端面及螺纹牙面摩擦损耗，端面及牙面摩擦系数的微小波动将导致螺栓轴向力的不一致性；预紧过程中施加扭矩常使螺栓达到弹性-塑性临界状态，扭矩与预紧力不再符合线性关系，更对预紧力精确控制提出了难题；即使采用扭矩-转角符合控制策略，不同螺栓间端面摩擦系数、牙面摩擦系数的差异性也将导致螺栓轴向力出现随机性；航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓数目达数十个，目前主要采用人工拧紧方式，某些螺栓也容易发生拧紧力不足的问题。

测试预紧过程中螺栓伸长量是精确控制预紧力的方法之一，但航空发动机低压涡轮轴盘用螺栓属于短螺栓，考虑到测试仪器的误差，采用超声测长仪等设备也难以准确测定该类螺栓预紧力。

航空发动机低压涡轮轴盘连接预紧力测试方法未见相关文献。现有螺栓预紧状态测试技术有以下几种方法：

1)CN 105241598公开了《一种发动机转子预紧力测量方法及系统》，在发动机转子的中心拉杆上选取与其它零件不会干涉的横截面作为测量截面，在测量界面的圆周外沿上设置光纤光栅应变传感器，发射光信号给光纤光栅应变传感器并接收光纤光栅应变传感器反射的光束，根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力。但该发动机转子连接结构为中心拉杆，与低压涡轮轴盘螺栓连接方式有所不同，针对低压涡轮轴盘连接结构数十个螺栓布置光纤光栅传感器困难，且难以保证低压涡轮轴各个螺栓与被连接件不发生干涉。

2)CN 102519652 B公开了《一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法》，通过在螺栓上安装测量辅助装置实现预紧力间接测量；CN 103439035 B公开了《一种螺纹紧固件预紧力测量方法及其测量装置》，通过在紧固件和被紧固物体之间安装一个螺纹紧固件预紧力测量装置实现测量；CN 103616118 B公开了《螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法》，通过在螺栓光杆段的外表面上贴附应变片，在螺栓头上开设第一通孔，导线通过第一通孔，将应变片和测量机构进行连接实现预紧力测量；CN 103884463公开了《复合材料连接结构预紧力在线监测方法》，将应变传感器埋入到金属螺栓中，应变传感器与应变仪的测量通道相连，测试螺栓承受的预紧力；CN204493395U公开了《一种智能螺栓》，包括内部开设有通孔的螺栓本体，光纤光栅传感器本体通过固定螺塞固定设置在螺栓本体的通孔内。但是，航空发动机低压涡轮轴盘装配过程中，不允许在紧固件和被连接件之间安装压力传感器，因为安装压力传感器一方面将影响连接件、被连接件刚度比，同时也影响结合面压力分布及使用过程的可靠性；低压涡轮轴盘连接用螺栓也不允许在螺栓头等部位制孔，及在螺栓中置入传感器，以避免影响螺栓使用可靠性；低压涡轮轴盘连接结构中螺栓的密集排布也决定难以连接附加装置测试螺栓轴向力。

3)CN 104791351公开了《紧固件预紧力的光学测量》，该紧固件包括头部、杆，以及具有外表面和在所述外表面中轴向延伸的通道，光学透射的应变敏感材料填充所述通道，通过将光发送到被填充的通道入口同时对所述紧固件施加扭矩，测量被填充通道的出口处的光电频率，根据测得频率确定所述紧固件上的预紧力；US 6,829,944 B1公开了一种紧固件拉力测量系统，其通过测量紧固件头部变形，根据该变形量与紧固力的函数关系测定紧固力，紧固件头部变形测量可采用光学测量、电容式传感器、光学图像、气动测量及压缩电阻式测量方式；Sayed A.Nassar,Aidong Meng等提出了应用散斑干涉技术，通过监测被连接件位移监测螺栓紧固力的方法。但是，航空发动机低压涡轮轴盘连接用螺栓不允许在其表面制作轴向延伸通道；另一方面，航空发动机轴盘连接结构中，法兰结构中密集排布数十个螺栓，螺栓间距仅为数毫米，被连接件受力、变形状态体现为多螺栓与被连接件的综合作用，不同螺栓之间互为约束，被连接件变形机理、变形分布形态等与Sayed A.Nassar,Aidong Meng等研究的单螺栓结构有所不同。

航空发动机低压涡轮轴盘连接结构厚度为数毫米，装配过程中，预紧力作用下航空发动机低压涡轮轴盘盘面将发生微小变形，但低压涡轮轴盘连接结构为多螺栓连接结构，多螺栓之间相互影响，且相邻螺栓间距仅为数毫米，盘面变形综合体现为载荷作用下变形量的传递与约束作用。另一方面，航空发动机低压涡轮轴盘连接结构为外圆直径为数百毫米的法兰面，使用数十颗螺栓进行连接，针对整个盘面进行位移量测试效率低下，如何快速、准确判定各螺栓预紧状态也是实际应用中需要解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术应用于航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓预紧力测试方面的缺点和不足，结合多螺栓密集作用下薄壁件变形规律，发明一种快速、准确检测航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓预紧力的方法及装置。本发明采用的技术手段如下：

一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，其特征在于，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，

所述检测方法具有如下步骤：

S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：

S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；

S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……n_max-1、n_max；

S13、在编号3～n_max-2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n₁、n₂、n₃、n₄，按逆时针方向临近n₁的第一颗螺栓标识为n₀，按顺时针方向临近n₄的第一颗螺栓标识为n₅；

S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：

a)四颗螺栓预紧力均为预期值；

b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

S15、第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对同时与低压涡轮轴盘接触，同时保证六个传感器轴线在同一个平面内，通过所述第二传感器对获取不同工况下n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₂,y₂)的相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，其中，u_a(x₂,y₂)、u_l(x₂,y₂)分别为(x₂,y₂)位置上、下盘面位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，根据测试结果建立盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，其中，Δu₁₂＝u(x₁,y₁)-u(x₂,y₂)，Δu₁₃＝u(x₁,y₁)-u(x₃,y₃)，F_n1为施加到n₁上的预紧力，F_n2为施加到n₂上的预紧力，F_n3为施加到n₃上的预紧力，F_n4为施加到n₄上的预紧力；

S16、针对不同工况条件、不同预紧力作用下的n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域各个位置(Δu₁₂,Δu₁₃)进行测试、分析，结合牙面摩擦系数、端面摩擦系数偏差引起的螺栓轴向力偏差及低压涡轮轴盘紧固性能要求，确定判定螺栓预紧力不足或偏大的阈值：

C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)；

S2、测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移：

S21、做待测螺栓与相邻螺栓连线的垂直中心线ab，其中，a、b两点分别为测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构的法兰结构边缘，设c为ab中点，d、e、f、g为ab上的参考点，记待测螺栓编号为n_c；

S22、保证ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，沿ab移动所述第二传感器对，分别于a-d、f-g、e-b范围内均匀采集3～5个位置点的盘面相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，计算获得各采集位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)，各采集位置点的相对位移差的集合ΔU构成描述待测螺栓预紧力的特征量，ΔU＝{Δu_{12_1},Δu_{12_2},...,Δu_{12_n},Δu_{13_1},Δu_{13_2},...,Δu_{13_n}}，其中Δu_{12_i}为第一传感器对与第二传感器对在位置点i处，测量的位移的差值，Δu_{13_i}为第一传感器对与第二传感器对在位置点i处，测量的位移的差值，i为1-n中任一整数。

S23、为判断低压涡轮轴盘结构中所有螺栓预紧状态，依次获取编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6…..n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合；

S3、判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象：

根据获取的编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6…..n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合，对于待测螺栓，ΔU中若50％以上位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)达到或超过C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定待测螺栓或相邻螺栓存在预紧力不足或预紧力过大现象；

S4、确定预紧力不合理螺栓，及预紧力偏差值：

保持ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，设pq为ab垂直中心线，o点为pq与ab的交点，w、v点分别为po、oq中点，沿pq移动所述第二传感器对，依次测量p、w、o、v、q各点对应的盘面相对位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置的相对位移值，从而得到预紧力偏差对应的盘面相对位移差特征集ΔU_d＝{(Δu_{12_p},Δu_{13_p}),(Δu_{12_w},Δu_{13_w}),(Δu_{12_o},Δu_{13_o}),(Δu_{12_v},Δu_{13_v}),(Δu_{12_q},Δu_{13_q})}，根据盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定存在预紧力偏差的螺栓及预紧力偏差值。

所述步骤S11中所述拧紧指的是应用螺栓轴向力测试系统对各螺栓进行3次以上拧紧。

所述步骤S12中制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件指的是制作与所述低压涡轮轴盘同样材料、同样法兰内外径、同样法兰厚度、同样螺栓间距、结合面精度的1/4的低压涡轮轴盘试件。

所述预期值为拧紧螺栓所需扭矩值。

所述S21中d距a点5mm，e距b点5mm，f位于ac连线上、距c点3mm，g位于bc连线上、距c点3mm。

所述步骤S4中p、q点分别距o点2mm。

位于同一传感器对中的两个所述气缸型接触式位移传感器同轴。

本发明还公开了一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测装置，其特征在于：安装平台、主轴箱和气缸型接触式位移传感器组，

所述主轴箱通过基座与所述安装平台连接，所述主轴箱的后端设有电机，所述电机的输出端通过所述主轴箱与位于所述主轴箱的前端的转台连接，所述转台上设有用于连接低压涡轮盘的三个卡爪，所述三个卡爪以所述转台的轴线为轴均匀分布，所述安装平台上还设有用于支撑所述低压涡轮盘的辅助支撑架，

所述气缸型接触式位移传感器组包括呈2×3矩阵排列的六个气缸型接触式位移传感器，所述六个气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，位于同一排的两个所述气缸型接触式位移传感器相对设置，位于同一列的三个所述气缸型接触式位移传感器依次通过L型支撑板、传感器支撑架、微动进给平台、升降台和水平进给平台与所述安装平台连接，

所述辅助支撑架包括下端与所述安装平台连接的液压缸体，所述液压缸体的上端设有上筒套，所述上筒套的上端具有孔，

所述液压缸体内设有下端具有活塞的滑柱，所述滑柱的上端穿过所述液压缸体、并通过连接套与位于所述上筒套内的滑杆连接，所述滑杆的另一端穿过所述孔与V型支架连接，

所述滑杆的外壁设有多个竖直设置的导向花键，所述孔内设有与所述导向花键相匹配的滑槽，

所述V型支架的支杆上设有滚柱，所述滚柱用于支撑所述低压涡轮盘，并且所述低压涡轮盘可通过所述滚柱相对所述V型支架旋转。

本发明具有以下优点：

(1)通过测量航空发动机低压涡轮上下盘面相对位移，快速、准确判断螺栓预紧状态，测量过程中不需要破坏螺栓结构，精度高于当前直接测量短螺栓长度的方式；

(2)测量上下盘面相对位移，消除了传感器进给误差导致的盘面轴向位移偏差，也减少了紧固过程中盘面坐标基准偏移的影响；根据一次测量中的上下盘面相对位移差数据判断紧固力状态，消除了多次测量的重复定位偏差；

(3)基于气缸型接触式位移传感器，减少了Z方向的微小进给运动，进一步提高了接触式位移测量精度；

(4)基于气缸型接触式传感器组的测量装置提高了检测效率和检测精度，有利于装配自动化的实现。

基于上述理由本发明可在航空发动机装配技术等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的具体实施方式中在待测螺栓与相邻螺栓连线上做垂直中心线ab的示意图。

图2是本发明的具体实施方式中沿ab由a至b的上下盘面相对位移偏差趋势曲线图。

图3是本发明的具体实施方式中在待测螺栓与相邻螺栓之间做ab的垂直中心线pq的示意图。

图4是本发明本发明的具体实施方式中沿pq由p至q的上下盘面相对位移偏差趋势曲线图。

图5是本发明的具体实施方式中一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测装置的结构示意图。

图6是本发明的具体实施方式中辅助支撑架的结构示意图。

图7是本发明的具体实施方式中六个气缸型接触式位移传感器与低压涡轮轴盘位置关系示意图。

具体实施方式

实施例1

一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，

所述检测方法具有如下步骤：

S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：

S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；

S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……n_max-1、n_max；

S13、在编号3～n_max-2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n₁、n₂、n₃、n₄，按逆时针方向临近n₁的第一颗螺栓标识为n₀，按顺时针方向临近n₄的第一颗螺栓标识为n₅；

S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：

a)四颗螺栓预紧力均为预期值；

b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

S15、第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对同时与低压涡轮轴盘接触，同时保证六个传感器轴线在同一个平面内，通过所述第二传感器对获取不同工况下n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₂,y₂)的相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，其中，u_a(x₂,y₂)、u_l(x₂,y₂)分别为(x₂,y₂)位置上、下盘面位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，根据测试结果建立盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，其中，Δu₁₂＝u(x₁,y₁)-u(x₂,y₂)，Δu₁₃＝u(x₁,y₁)-u(x₃,y₃)，F_n1为施加到n₁上的预紧力，F_n2为施加到n₂上的预紧力，F_n3为施加到n₃上的预紧力，F_n4为施加到n₄上的预紧力；

S16、针对不同工况条件、不同预紧力作用下的n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域各个位置(Δu₁₂,Δu₁₃)进行测试、分析，结合牙面摩擦系数、端面摩擦系数偏差引起的螺栓轴向力偏差及低压涡轮轴盘紧固性能要求，确定判定螺栓预紧力不足或偏大的阈值：

C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)；

S2、测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移：

S21、如图1和图2所示，做待测螺栓与相邻螺栓连线的垂直中心线ab，其中，a、b两点分别为测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构的法兰结构边缘，设c为ab中点，d、e、f、g为ab上的参考点，记待测螺栓编号为n_c；

S22、保证ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，沿ab移动所述第二传感器对，分别于a-d、f-g、e-b范围内均匀采集3～5个位置点的盘面相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，计算获得各采集位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)，各采集位置点的相对位移差的集合ΔU构成描述待测螺栓预紧力的特征量，ΔU＝{Δu_{12_1},Δu_{12_2},...,Δu_{12_n},Δu_{13_1},Δu_{13_2},...,Δu_{13_n}}；

S23、为判断低压涡轮轴盘结构中所有螺栓预紧状态，依次获取编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6.....n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合；

S3、判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象：

根据获取的编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6…..n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合，对于待测螺栓，ΔU中若50％以上位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)达到或超过C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定待测螺栓或相邻螺栓存在预紧力不足或预紧力过大现象；

S4、确定预紧力不合理螺栓，及预紧力偏差值：

保持ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，如图3和图4所示，设pq为ab垂直中心线，o点为pq与ab的交点，w、v点分别为po、oq中点，沿pq移动所述第二传感器对，依次测量p、w、o、v、q各点对应的盘面相对位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置的相对位移值，从而得到预紧力偏差对应的盘面相对位移差特征集ΔU_d＝{(Δu_{12_p},Δu_{13_p}),(Δu_{12_w},Δu_{13_w}),(Δu_{12_o},Δu_{13_o}),(Δu_{12_v},Δu_{13_v}),(Δu_{12_q},Δu_{13_q})}，根据盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定存在预紧力偏差的螺栓及预紧力偏差值。

所述步骤S11中所述拧紧指的是应用螺栓轴向力测试系统对各螺栓进行3次以上拧紧。

所述步骤S12中制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件指的是制作与所述低压涡轮轴盘同样材料、同样法兰内外径、同样法兰厚度、同样螺栓间距、结合面精度的1/4的低压涡轮轴盘试件。

所述预期值为拧紧螺栓所需扭矩值。

所述S21中d距a点5mm，e距b点5mm，f位于ac连线上、距c点3mm，g位于bc连线上、距c点3mm。

所述步骤S4中p、q点分别距o点2mm。

位于同一传感器对中的两个所述气缸型接触式位移传感器同轴。

实施例2

如图5-图7所示，一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测装置，其特征在于：安装平台1、主轴箱2和气缸型接触式位移传感器组，

所述主轴箱2通过基座3与所述安装平台1连接，所述主轴箱2的后端设有电机4，所述电机4的输出端通过所述主轴箱2与位于所述主轴箱2的前端的转台5连接，所述转台5上设有用于连接低压涡轮盘6的三个卡爪7，所述三个卡爪7以所述转台5的轴线为轴均匀分布，所述安装平台1上还设有用于支撑所述低压涡轮盘6的辅助支撑架8，

所述气缸型接触式位移传感器组包括呈2×3矩阵排列的六个气缸型接触式位移传感器9，所述六个气缸型接触式位移传感器9的轴线位于同一平面内，位于同一排的两个所述气缸型接触式位移传感器9相对设置，位于同一列的三个所述气缸型接触式位移传感器9依次通过L型支撑板10、传感器支撑架11、微动进给平台12、升降台13和水平进给平台14与所述安装平台1连接，

所述辅助支撑架8包括下端与所述安装平台1连接的液压缸体15，所述液压缸体15的上端设有上筒套16，所述上筒套16的上端具有孔，

所述液压缸体15内设有下端具有活塞17的滑柱18，所述滑柱18的上端穿过所述液压缸体15、并通过连接套19与位于所述上筒套16内的滑杆20连接，所述滑杆20的另一端穿过所述孔与V型支架21连接，

所述滑杆20的外壁设有多个竖直设置的导向花键22，所述孔内设有与所述导向花键22相匹配的滑槽，

所述V型支架21的支杆上设有滚柱23。

位于同一排的两个所述气缸型接触式位移传感器9为一个传感器对，相邻传感器对等间距排列，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓24部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓24部分的间距之和，

所述气缸型接触式位移传感器9的位置调整完成后，微动进给平台12带动所述气缸型接触式位移传感器组沿低压涡轮轴盘的径向运动，到达预定位置后，所述气缸型接触式位移传感器9运动至低压涡轮轴盘，微动进给平台12按照原路径返回，一个测量行程完成；一个测量行程完成后，所述转台5带动低压涡轮轴盘转过(360/n)度，其中n为螺栓24的个数。

同样，所述水平进给平台14可以快速、大行程的调整所述气缸型接触式位移传感器组沿低压涡轮轴盘的径向位置，以防止在拧紧螺栓24时，扳手与所述气缸型接触式位移传感器组发生干涉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，其特征在于，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，

所述检测方法具有如下步骤：

S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：

S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；

S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……n_max-1、n_max；

S13、在编号3～n_max-2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n₁、n₂、n₃、n₄，按逆时针方向临近n₁的第一颗螺栓标识为n₀，按顺时针方向临近n₄的第一颗螺栓标识为n₅；

S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：

a)四颗螺栓预紧力均为预期值；

b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；

S15、第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对同时与低压涡轮轴盘接触，同时保证六个传感器轴线在同一个平面内，通过所述第二传感器对获取不同工况下n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₂,y₂)的相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，其中，u_a(x₂,y₂)、u_l(x₂,y₂)分别为(x₂,y₂)位置上、下盘面位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，根据测试结果建立盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，其中，Δu₁₂＝u(x₁,y₁)-u(x₂,y₂)，Δu₁₃＝u(x₁,y₁)-u(x₃,y₃)，F_n1为施加到n₁上的预紧力，F_n2为施加到n₂上的预紧力，F_n3为施加到n₃上的预紧力，F_n4为施加到n₄上的预紧力；

S16、针对不同工况条件、不同预紧力作用下的n₀-n₁、n₁-n₂、n₂-n₃、n₃-n₄、n₄-n₅中间区域各个位置(Δu₁₂,Δu₁₃)进行测试、分析，结合牙面摩擦系数、端面摩擦系数偏差引起的螺栓轴向力偏差及低压涡轮轴盘紧固性能要求，确定判定螺栓预紧力不足或偏大的阈值：

C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)；

S2、测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移：

S21、做待测螺栓与相邻螺栓连线的垂直中心线ab，其中，a、b两点分别为测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构的法兰结构边缘，设c为ab中点，d、e、f、g为ab上的参考点，记待测螺栓编号为n_c；

S22、保证ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，沿ab移动所述第二传感器对，分别于a-d、f-g、e-b范围内均匀采集3～5个位置点的盘面相对位移值u(x₂,y₂)＝u_a(x₂,y₂)-u_l(x₂,y₂)，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x₁,y₁)和(x₃,y₃)的相对位移值u(x₁,y₁)＝u_a(x₁,y₁)-u_l(x₁,y₁)和u(x₃,y₃)＝u_a(x₃,y₃)-u_l(x₃,y₃)，计算获得各采集位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)，各采集位置点的相对位移差的集合ΔU构成描述待测螺栓预紧力的特征量，ΔU＝{Δu_{12_1},Δu_{12_2},...,Δu_{12_n},Δu_{13_1},Δu_{13_2},...,Δu_{13_n}}；

S23、为判断低压涡轮轴盘结构中所有螺栓预紧状态，依次获取编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6…..n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合；

S3、判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象：

根据获取的编号为1、3、5……n_max-1，或2、4、6…..n_max的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合，对于待测螺栓，ΔU中若50％以上位置点的盘面相对位移差(Δu₁₂,Δu₁₃)达到或超过C(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定待测螺栓或相邻螺栓存在预紧力不足或预紧力过大现象；

S4、确定预紧力不合理螺栓，及预紧力偏差值：

保持ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，设pq为ab垂直中心线，o点为pq与ab的交点，w、v点分别为po、oq中点，沿pq移动所述第二传感器对，依次测量p、w、o、v、q各点对应的盘面相对位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置的相对位移值，从而得到预紧力偏差对应的盘面相对位移差特征集

ΔU_d＝{(Δu_{12_p},Δu_{13_p}),(Δu_{12_w},Δu_{13_w}),(Δu_{12_o},Δu_{13_o}),(Δu_{12_v},Δu_{13_v}),(Δu_{12_q},Δu_{13_q})}，根据盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu₁₂,Δu₁₃)＝g(F_n1,F_n2,F_n3,F_n4,x₁,y₁,x₂,y₂,x₃,y₃)，则可判定存在预紧力偏差的螺栓及预紧力偏差值。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S11中所述拧紧指的是应用螺栓轴向力测试系统对各螺栓进行3次以上拧紧。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S12中制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件指的是制作与所述低压涡轮轴盘同样材料、同样法兰内外径、同样法兰厚度、同样螺栓间距、结合面精度的1/4的低压涡轮轴盘试件。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述预期值为拧紧螺栓所需扭矩值。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述S21中d距a点5mm，e距b点5mm，f位于ac连线上、距c点3mm，g位于bc连线上、距c点3mm。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S4中p、q点分别距o点2mm。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：位于同一传感器对中的两个所述气缸型接触式位移传感器同轴。

8.一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测装置，其特征在于：包括安装平台、主轴箱和气缸型接触式位移传感器组，

所述主轴箱通过基座与所述安装平台连接，所述主轴箱的后端设有电机，所述电机的输出端通过所述主轴箱与位于所述主轴箱的前端的转台连接，所述转台上设有用于连接低压涡轮盘的三个卡爪，所述三个卡爪以所述转台的轴线为轴均匀分布，所述安装平台上还设有用于支撑所述低压涡轮盘的辅助支撑架，

所述气缸型接触式位移传感器组包括呈2×3矩阵排列的六个气缸型接触式位移传感器，所述六个气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，位于同一排的两个所述气缸型接触式位移传感器相对设置，位于同一列的三个所述气缸型接触式位移传感器依次通过L型支撑板、传感器支撑架、微动进给平台、升降台和水平进给平台与所述安装平台连接，

所述辅助支撑架包括下端与所述安装平台连接的液压缸体，所述液压缸体的上端设有上筒套，所述上筒套的上端具有孔，

所述液压缸体内设有下端具有活塞的滑柱，所述滑柱的上端穿过所述液压缸体、并通过连接套与位于所述上筒套内的滑杆连接，所述滑杆的另一端穿过所述孔与V型支架连接，

所述滑杆的外壁设有多个竖直设置的导向花键，所述孔内设有与所述导向花键相匹配的滑槽，

所述V型支架的支杆上设有滚柱。