CN106595463A - 航空发动机静态轴承装配间隙测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机静态轴承装配间隙测量装置及方法，测量装置包括电容传感器，电容传感器设置于航空发动机封严盖的孔中，封严盖与轴承安装螺母相配合，轴承安装螺母固定于轴承上，封严盖环面的顶部及左、右两侧分别设有开孔，供电容传感器放入，电容传感器包括探头及位于探头一侧的安装部，探头进入开孔内，安装部连接有引线，用于传输电容传感器测得的数据，电容传感器用于测量轴承安装螺母与封严盖之间的电压值，以算得轴承安装螺母与封严盖之间的最小间隙值及轴承的偏移位置和角度，有效解决了航空发动机静态装配下轴承结构件密封间隙尺寸的测量问题，能够提高航空发动机轴承故障监测、诊断能力，保障发动机及飞机的可靠性。

Description

航空发动机静态轴承装配间隙测量装置及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机综合测试技术领域，特别是涉及一种航空发动机静态轴承装配间隙测量装置及方法。

背景技术

航空发动机是航空飞行器的动力装置，更是国家“十三五”期间重点研制的大型工程项目。作为依靠旋转机械系统实现高速气体流动燃烧并产生推力的航空发动机，轴承部件是其关键的零件之一。据国外相关资料统计主轴轴承故障约占飞机机械故障的60％以上，其运行状态直接影响着飞机的性能和飞行安全。目前，针对轴承装配质量的检查主要在发动机单元体组装阶段完成,现有技术手段可以实现轴承装置内的径向装配间隙测量，但无法得知发动机实际装配状态下的轴承间隙情况，因此，有必要设计一种更好的测量装置，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可监测航空发动机轴承实际装配状态下轴承安装螺母与封严盖之间的最小间隙值及轴承的偏移位置或角度，了解轴承部件的装配间隙水平，保证整机装配质量的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，包括电容传感器，所述电容传感器设置于所述航空发动机封严盖的孔中，所述封严盖与轴承安装螺母相配合，所述轴承安装螺母固定于所述轴承上，所述封严盖环面的顶部及左、右两侧分别设有开孔，供所述电容传感器放入，所述电容传感器包括探头及位于所述探头一侧的安装部，所述探头进入所述开孔内，所述安装部连接有引线，用于传输所述电容传感器测得的数据，所述电容传感器用于测量所述轴承安装螺母与所述封严盖之间的电压值，以算得所述轴承安装螺母与所述封严盖之间的最小间隙值及所述轴承的偏移位置和角度。

进一步，所述封严盖环面上设置开孔的位置处加工为平面，所述平面与所述电容传感器的台阶相配合。

进一步，三个所述开孔分别设置于所述封严盖外圆的0°，90°及180°处，且左右两侧的所述开孔对称设置。

进一步，所述封严盖与所述轴承安装螺母之间的间隙内充满空气和润滑油的润滑介质，所述润滑介质不导电。

进一步，所述安装部的引线自所述封严盖的侧面引出，并通过所述航空发动机的润滑油管路引出接入数据采集系统。

进一步，所述引线通过三通从所述润滑油管路引出，所述引线被高温密封胶固定于所述三通内。

一种采用上述航空发动机静态轴承装配间隙测量装置的方法，包括：

测量前，采用量具测量所述电容传感器的探头长度、所述封严盖的厚度、所述封严盖的直径及所述轴承安装螺母的直径，算得每个所述电容传感器的回缩值a1、a2、a3，其中a1为左侧电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，a2为右侧电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，a3为顶部电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，以及所述封严盖与所述轴承安装螺母的直径差D；

在发动机静态下，通过所述电容传感器测得三个测点的输出电压值V1、V2、V3，则输出电压值V1、V2、V3与测量间隙值d1、d2、d3成线性关系，其中V1为左侧电容传感器的输出电压，V2为右侧电容传感器的输出电压，V3为顶部电容传感器的输出电压，d1为左侧电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离，d2为右侧电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离，d3为顶部电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离；

由于，(d1)/(d1+d2)＝V1/(V1+V2)

(d2)/(d1+d2)＝V2/(V1+V2)

(d3)/(d1+d2)＝V3/(V1+V2)

d1+d2＝D+a1+a2

设b＝D+a1+a2

因此，各测点处电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的测量间隙值为：

d1＝bV1/(V1+V2)

d2＝bV2/(V1+V2)

d3＝bV3/(V1+V2)

进而算得各测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值为：

d1j＝d1-a1＝bV1/(V1+V2)-a1

d2j＝d2-a2＝bV2/(V1+V2)-a2

d3j＝d3-a3＝bV3/(V1+V2)-a3

其中，d1j为左侧测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值，d2j为右侧测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值，d3j为顶部测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值；

则，轴承安装螺母的圆心坐标(Ox,Oy)为：

Ox＝(d1j-d2j)/2

Oy＝(D-2d3j)/2

所述封严盖与所述轴承安装螺母之间的最小间隙值为:

最小间隙处夹角为：ɑjmin＝arctg(Oy/Ox)。

本发明的有益效果：

本发明采用电容传感器非接触式测量，三个电容传感器分别测量封严盖顶部及左、右两侧与轴承安装螺母之间的间隙值，从而算得轴承安装螺母与封严盖之间的最小间隙值及轴承的偏移位置和角度，有效解决了航空发动机静态装配下轴承结构件密封间隙尺寸的测量问题，并具有多通道同时测量及实时显示的优点，能够提高航空发动机轴承故障监测、诊断能力，尽早发现故障并制定相应的技术解决措施，对保障发动机及飞机的可靠性、降低维修费用、避免意外事故的发生均具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明航空发动机中封严盖与轴承安装螺母的配合结构示意图；

图2为本发明静态轴承装配间隙测量装置中电容传感器的设置位置图；

图3为本发明电容传感器的结构示意图；

图4为本发明电容传感器安装于封严盖的结构示意图；

图中，1—封严盖、2—轴承安装螺母、3—密封件、4—电容传感器、5—安装部、6—探头、7—引线、8—台阶、9—开孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，应用于航空发动机静态装配状态下轴承与封严盖之间微小距离的测量。针对目前涡轮轴承部件装配完成后，封严盖与轴承间距离无法掌握的现实技术状况，本发明搭建了基于静电容传感器的非接触式间隙测量系统，并依此提供发动机轴承部件密封间隙的测量方法。

如图1及图2，测量装置包括电容传感器4，电容传感器4设置于航空发动机封严盖1的开孔9中，封严盖1与轴承安装螺母2相配合，轴承安装螺母2固定于轴承上，因此测量轴承安装螺母2与封严盖1之间的间隙就能反映轴承与封严盖1之间的装配间隙。封严盖1环面的顶部及左、右两侧分别设有开孔9，供电容传感器4放入，优选的，封严盖1环面上设置开孔9的位置处加工为平面，平面与电容传感器4的台阶8相配合。在本实施例中，封严盖1的环面上加工三个开孔9，每个开孔9设置一个电容传感器4，三个开孔9分别设置于封严盖1外圆的0°，90°及180°处，且左右两侧的开孔9对称设置。

如图3及图4，电容传感器4包括探头6及位于探头6一侧的安装部5，探头6进入开孔9内，安装部5连接有引线7，用于传输电容传感器4测得的数据，电容传感器4用于测量轴承安装螺母2与封严盖1之间的电压值，以算得轴承安装螺母2与封严盖1之间的最小间隙值及轴承的偏移位置和角度。

轴承安装螺母2与封严盖1之间填充有密封件3，若轴承安装螺母2与封严盖1之间的间隙过小，在发动机运行过程中很容易造成密封件3的磨损，导致密封性能差，内部润滑介质漏出，因此本发明测量轴承安装螺母2与封严盖1之间的最小间隙值，来判断轴承的装配是否符合工艺要求。

轴承与封严盖1静态装配的间隙内填充有润滑介质，润滑介质为空气和润滑油的混合气体(油雾)，润滑介质不导电。为保证发动机零件表面完整性及电容传感器4的安装可靠性，采用点焊手段将电容传感器4的引线7固定在封严盖1表面。电容传感器4的导线7从封严盖1的侧面引出，受沿程管路限制，发动机内部引线采用柔性电缆，长度1.5m，导线7通过发动机滑油管路引出，并接入数据采集系统，外部数据线长度约25m。采用三通结构将电容传感器4的引线7从滑油管路内引出，将三通结构件内部的引线7用高温密封胶固定，保证安装可靠性和耐压性。

受测量部位安装空间限制，电容传感器4基本尺寸不能超过Φ10x10mm，在本实施例中，电容传感器4采用法国Fogale公司的电容传感器CP200进行间隙测量，该传感器测量范围0.2-2mm；精度1％mm；尺寸8×8.5mm，符合测量要求。

本发明还提供一种采用上述航空发动机静态轴承装配间隙测量装置的方法，包括：

测量前，采用量具测量电容传感器4的探头6长度、封严盖1的厚度、封严盖1的直径及轴承安装螺母2的直径，算得每个电容传感器4的回缩值a1、a2、a3，其中a1为左侧电容传感器探头6端面与封严盖1内壁之间的距离，a2为右侧电容传感器探头6端面与封严盖1内壁之间的距离，a3为顶部电容传感器探头6端面与封严盖1内壁之间的距离，封严盖1与轴承安装螺母2的直径差为D。

电容传感器4的测量是基于绝缘电极的封严盖1与轴承安装螺母2所形成的电容变化进行测量的，安装在封严盖1上的探头6可以认为是平行板电容器的一个电极，而轴承安装螺母2是电容器的另一个电极。测得的电容是电极两级板几何尺寸、距离、介质(材料)的函数。如果忽略边缘影响，保持极板尺寸和材料不变，测量电容与间隙的关系如下：

C＝ErE0A/d或d＝ErE0A/C

其中，C为电容值；

Er为电极间介质的相对介电常数；

E0为真空中的介电常数；

A为电极面积；

d为电极间隔，即探头6与轴承安装螺母2之间的间隙；

由于电容传感器4的电极面积A已知，三个测点处电极间介质的相对介电常数Er在某一时刻相同，E0为真空中的介电常数，因此封严盖1与轴承安装螺母2的间隙距离d与电容C成反比关系，是一个非线性量。电容C与间隙d的有效关系可通过试验确定，信号调理器将电容变化转变为电压变化，由数据采集系统采集处理后获得间隙值。电容传感器4与轴承安装螺母2可视为平板电极的情况，在平板电极的情况下，距离可以由1/C直接测量出来。

由于在发动机静态下，某一时刻间隙内的油气混合应该是均匀的，温度、压力等参数也基本一致。在这种假设下，相对介电常数Er在某一时刻各测点应该是一致的，通过测量电容C，可得到与间隙值成线性关系的电压值V，V是测量系统的输出，与1/C成正比关系。

在同一时刻，各测点的输出电压值V1、V2、V3与实际测量间隙值d1、d2、d3是线性关系。其中V1为左侧电容传感器4的输出电压，V2为右侧电容传感器4的输出电压，V3为顶部电容传感器4的输出电压，d1为左侧电容传感器探头6端面与轴承安装螺母2之间的距离，d2为右侧电容传感器探头6端面与轴承安装螺母2之间的距离，d3为顶部电容传感器探头6端面与轴承安装螺母2之间的距离。

由于已知封严盖1与轴承安装螺母2之间的直径差D，这样就可通过数学计算得到各测点处电容传感器4与轴承安装螺母2之间的测量间隙值d1、d2、d3，再根据测得的电压值V1、V2、V3来算得各测点处封严盖1与轴承安装螺母2之间的间隙值d1j、d2j、d3j。其中，d1j为左侧测点处封严盖1与轴承安装螺母2之间的间隙值，d2j为右侧测点处封严盖1与轴承安装螺母2之间的间隙值，d3j为顶部测点处封严盖1与轴承安装螺母2之间的间隙值。

具体算法为：

由于测量间隙值d与电压值V成线性关系，故

(d1)/(d1+d2)＝V1/(V1+V2)

(d2)/(d1+d2)＝V2/(V1+V2)

(d3)/(d1+d2)＝V3/(V1+V2)

d1+d2＝D+a1+a2

设b＝D+a1+a2

因此，各测点处电容传感器探头6端面与轴承安装螺母2之间的测量间隙值d为：

d1＝bV1/(V1+V2)

d2＝bV2/(V1+V2)

d3＝bV3/(V1+V2)

进而算得各测点处封严盖1与轴承安装螺母2之间的间隙值dj为：

d1j＝d1-a1＝bV1/(V1+V2)-a1

d2j＝d2-a2＝bV2/(V1+V2)-a2

d3j＝d3-a3＝bV3/(V1+V2)-a3

则，轴承安装螺母2的圆心坐标(Ox,Oy)为：

Ox＝(d1j-d2j)/2

Oy＝(D-2d3j)/2

最终可以确定封严盖1与轴承安装螺母2之间的最小间隙值为:

最小间隙处夹角为：ɑjmin＝arctg(Oy/Ox)。

根据上述测量的最小间隙值判定其是否在设计范围内，若是，则发动机正常运行，若否则调整发动机的转速，防止轴承封严盖1内的密封件3磨损。

通过上述测量装置监测实际装配状态下轴承安装螺母2与封严盖1之间的最小间隙值及轴承的偏移位置及角度，反映了轴承的装配间隙，保证整机试车时轴承封严的可靠性，进而保证发动机运行的可靠性。

本发明的测试装置及方法可以实现单点或多点间隙测量，对于进一步了解轴承部件装配间隙水平，掌握整机同轴度变化及保证整机装配质量均具有重要意义，有效解决了航空发动机静态装配下轴承结构件密封间隙尺寸的测量问题，能够提高航空发动机轴承故障监测、诊断能力，尽早发现故障并制定相应的技术解决措施，对保障发动机及飞机的可靠性、降低维修费用、避免意外事故的发生均具有重要的现实意义。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于，包括：电容传感器，所述电容传感器设置于所述航空发动机封严盖的开孔中，所述封严盖与轴承安装螺母相配合，所述轴承安装螺母固定于所述轴承上，所述封严盖环面的顶部及左、右两侧分别设有开孔，供所述电容传感器放入，所述电容传感器包括探头及位于所述探头一侧的安装部，所述探头进入所述开孔内，所述安装部连接有引线，用于传输所述电容传感器测得的数据，所述电容传感器用于测量所述轴承安装螺母与所述封严盖之间的电压值，以算得所述轴承安装螺母与所述封严盖之间的最小间隙值及所述轴承的偏移位置和角度。

2.根据权利要求1所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于：所述封严盖环面上设置开孔的位置处加工为平面，所述平面与所述电容传感器的台阶相配合。

3.根据权利要求1所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于：三个所述开孔分别设置于所述封严盖外圆的0°，90°及180°处，且左右两侧的所述开孔对称设置。

4.根据权利要求1所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于：所述封严盖与所述轴承安装螺母之间的间隙内充满空气和润滑油的润滑介质，所述润滑介质不导电。

5.根据权利要求1所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于：所述安装部的引线自所述封严盖的侧面引出，并通过所述航空发动机的润滑油管路引出接入数据采集系统。

6.根据权利要求5所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置，其特征在于：所述引线通过三通从所述润滑油管路引出，所述引线被高温密封胶固定于所述三通内。

7.一种采用权利要求1所述的航空发动机静态轴承装配间隙测量装置的方法，其特征在于，包括：

测量前，采用量具测量所述电容传感器的探头长度、所述封严盖的厚度、所述封严盖的直径及所述轴承安装螺母的直径，算得每个所述电容传感器的回缩值a1、a2、a3，其中a1为左侧电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，a2为右侧电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，a3为顶部电容传感器探头端面与封严盖内壁之间的距离，以及所述封严盖与所述轴承安装螺母的直径差D；

在发动机静态下，通过所述电容传感器测得三个测点的输出电压值V1、V2、V3，则输出电压值V1、V2、V3与测量间隙值d1、d2、d3成线性关系，其中V1为左侧电容传感器的输出电压，V2为右侧电容传感器的输出电压，V3为顶部电容传感器的输出电压，d1为左侧电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离，d2为右侧电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离，d3为顶部电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的距离；

由于，(d1)/(d1+d2)＝V1/(V1+V2)

(d2)/(d1+d2)＝V2/(V1+V2)

(d3)/(d1+d2)＝V3/(V1+V2)

d1+d2＝D+a1+a2

设b＝D+a1+a2

因此，各测点处电容传感器探头端面与轴承安装螺母之间的测量间隙值为：

d1＝bV1/(V1+V2)

d2＝bV2/(V1+V2)

d3＝bV3/(V1+V2)

进而算得各测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值为：

d1j＝d1-a1＝bV1/(V1+V2)-a1

d2j＝d2-a2＝bV2/(V1+V2)-a2

d3j＝d3-a3＝bV3/(V1+V2)-a3

其中，d1j为左侧测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值，d2j为右侧测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值，d3j为顶部测点处封严盖与轴承安装螺母之间的间隙值；

则，轴承安装螺母的圆心坐标(Ox,Oy)为：

Ox＝(d1j-d2j)/2

Oy＝(D-2d3j)/2

所述封严盖与所述轴承安装螺母之间的最小间隙值为:

最小间隙处夹角为：ɑjmin＝arctg(Oy/Ox)。