CN109117461B - 一种基于径跳测量计算转子装配轴线偏心的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于径跳测量计算转子装配轴线偏心的方法，包括各点数据的矩阵表征及相对跳动值的计算、弹簧等效模型的建立及理想状态下各点接触力的计算、偏心方向及大小；各点相对跳动值的计算，并根据两止口配合面的径跳数据对应计算各点装配过盈量的过程；弹簧等效模型的建立基于弹性变形假设，分析接触过程中各阶段的力与位移关系，以不均匀的过盈量进而得出各点的不均匀接触力；偏心量的确定即在弹簧等效模型基础上，根据平衡状态方程计算最终确定偏心量的大小。本方法基于生产实际中的实测径跳数据，实现了在装配前对轴线偏心的预测，提高了装配后的转子同轴度，对航空发动机转子件装配过程中的轴线预测、装配相位调整与优化有着重要的现实指导意义。

Description

一种基于径跳测量计算转子装配轴线偏心的方法

技术领域

本发明属于转子装配轴线偏心计算方法，可应用于如航空发动机高压压气机转子、高压涡轮盘、低压转子组件等重要零组件装配过程中的轴线预测、装配相位优化、装配指导过程之中。

背景技术

在装备制造过程中，装配作为一个十分重要的环节，对产品的性能及可靠性有着直接影响。对于航空发动机转子组件而言，保证其装配后的同轴度满足要求非常重要，各级转子之间依靠止口配合进行定位，而止口配合属于过盈配合，装配后各级盘间产生的轴线偏心主要是由于装配前止口配合处形貌不均匀，从而导致装配后止口周各处径向力不均匀产生的，因而结合工厂实际装配流程，在考虑止口过盈装配弹性变形的基础上，寻求各级盘在装配前止口配合处的形貌与装配后所产生的轴线偏心之间的关系至关重要。

转子装配轴线偏心的测定是应用于装配相位预测优化中的重要步骤。拟合圆法是一种基于所测止口配合处径向跳动数据进行最小二乘拟合，通过两转子件内外止口径跳拟合圆计算装配轴线偏心的方法，这种算法程序简单，能够从整体上把握止口配合面间的形貌特征，但由于最小二乘法得到的拟合圆无法充分反映初始形貌中的幅值特征，其拟合圆与初始形貌圆间误差不规则，故其所预测轴线偏心的精度难以保证；实际回转中心线法是Axiam公司所采用的轴线偏心预测方法，其本质是通过对各级盘止口处跳动数据的测量，探求其装配后产生的实际回转轴线，并基于此轴线进行装配相位的调整与优化，此方法主要应用于国外，关键技术尚未引进国内，具有较高的预测准确度，但受我国零部件制造水平限制，零件超差现象普遍存在，本方法应用过程中没有圆度仪基本的调心调倾过程，较难适应于我国航空发动机转子的生产装配过程中。

本发明是基于对转子连接止口装配前的径向跳动的测量，考虑法向弹性变形，提出了一种装配后轴线偏心的计算方法，该方法可以实现对某一装配相位下各级盘的轴线偏心预测，而后可以进一步实现装配相位的优化调整，具有重要的现实意义。

发明内容

为满足航空发动机转子件装配过程中的同轴度要求，本发明结合工程实践，基于转子件各级盘止口连接处的实测径跳数据，提出了一种计算各级间装配偏心的计算方法。

本方法的计算原理如下：

在考虑两级盘装配中某一确定的安装相位的前提下，考虑装配过程中止口处弹塑性变形，计算止口连接处径向跳动与偏心量的关系。由于止口连接处周向各位置的径向跳动不均匀，导致实际装配过盈量不均匀，因而装配后所产生的变形不均匀，本方法寻求装配后不均匀变形量与产生偏心的关系，即可得到实测径跳数据与装配轴线偏心的关系。

由于止口配合属于过盈配合，因而不适用于刚性假设。本方法考虑止口配合处由于过盈装配产生的变形，探究不均匀止口形貌所产生的不均匀装配变形对装配偏心的影响关系，采用弹簧等效的方式确定偏心量，即将每一组接触点等效为两个弹簧接触，上端面A₂及下端面B₁两圆心重合为初始状态，变形量较大的一对接触点所产生的弹性力就较大，因而不同位置接触点所产生的弹性力均不同。对所有弹性力进行矢量求和，得出矢量合力的方向，基于实际配合情况下，上端件B的下端面B₁将会沿此方向移动，若移动距离e后，所有弹性力矢量和为0，则此时下端面B₁圆心位置即为实际配合位置，所移动距离即为偏心量e。

本方法首先采用圆度仪对各级法兰盘止口处的径向跳动进行测量，而后以每相邻两级盘止口处的径跳数据为输入参数，通过本算法的计算，得出相邻两级盘装配后的相对偏心矩阵；将每相邻两级盘的偏心矩阵叠乘，即可得到反映多级盘装配体同轴度的总偏心矩阵；需要指出的是调整不同的装配相位会得到不同的偏心矩阵，但相邻两级盘的装配相位受螺栓孔、定位孔等的限制是有限的个数。以运用本方法计算出的总偏心矩阵作为评定参数，可在装配前寻求最优装配相位，大大降低反复拆装次数，提高一次装配合格率。

附图说明

图1是端两转子配合面示意图；

图2是相对毛刺凸起值示意图；

图3是转子配合状态示意图；

图4是理想状态弹性力示意图；

图5是理想状态合力示意图；

图6是各点位移与偏心量关系示意图；

图6中：e为偏心量，O为初始圆心，O₂为偏心圆圆心，r为转子基圆半径，d为测点位移，θ为偏心角，θ₂为测点对应角度，γ为三角形对应角度；

图7是平衡状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本方法的具体计算方式。

实施例

一种基于径跳测量计算转子装配轴线偏心的方法，步骤如下：

步骤A：相邻两级盘，下一级转子A与上一级转子B的连接采用止口过盈配合进行定位，则自下而上各面中心分别为A_O1、A_O2、B_O1、B_O2，读取所测两转子止口配合面的径向跳动值用矩阵表征，数据的形式是一个圆环，则上端件B的下端面径向跳动数据表示为：B_O1(α,z_b1)，下端件A的上端面径向跳动数据表示为：A_O2(α,z_a2)；用极坐标表示法表征；圆心O在全局坐标系中的位置为O(0,0),已知配合止口半径R；

步骤B：计算各点的相对跳动值。如图1所示，上端面与下端面配合状态为过盈配合，所示“毛刺”即指零件制造过程中，由于加工误差的存在，转子的配合止口处的实际直径在加工误差范围内随机产生，即每个测点相对理想圆心的半径值也是随机产生，毛刺值的大小即各测点相对基圆的距离；

步骤C：如图2所示，由于止口过盈量的存在，两转子在装配时止口周会产生方向指向圆心、大小不均匀的弹性力，为了计算各测点弹性力的大小，需计算各点处的相对毛刺凸起值，毛刺处的刚度较基圆可忽略不计，暂假设基圆装配过程中圆心的相对位置不变；将毛刺部分等效为弹簧，假设毛刺刚度函数为k₁(n)，其中n为毛刺宽度；基圆刚度为k₂(y)，其中y为距基圆表面的距离。如图3所示，h₁为B₁某点毛刺值，h₂为A₂某点毛刺值，若h₂＞h₁，x代表位移距离，①代表第一阶段：两弹簧同时压缩；②代表第二阶段：h₁弹簧压缩；③代表第三阶段：基圆压缩阶段。F代表受到的弹性力。各阶段力与位移关系如下：第一阶段：

第二阶段：

F＝k₁(n)h₂+k₁(n)(x-2h₂) (2)

第三阶段：

F＝k₂(y)(x-h₁-h₂)+k₁(n)h₂+k₁(n)(h₁-h₂) (3)

若h₂＜h₁，同理可得：

第一阶段：

第二阶段：

F＝k₁(n)h₁+k₁(n)(x-2h₁) (5)

第三阶段：

F＝k₂(y)(x-h₁-h₂)+k₁(n)h₁+k₁(n)(h₂-h₁) (6)

步骤D：计算理想状态下各点接触力。考虑转子A与转子B两止口接触面均为弹簧，将两止口不均匀径跳值等效为不均匀弹性力，基体的实体部分视为刚体，不产生形变。由式(1)至式(6)，如图5所示，首先计算出理想状况下两配合面圆心重合情况下的各点弹性力，其中i代表测点数；

计算式同式(1)到(6)；

步骤E：合力矢量计算部分：如图6所示，将各个测点弹簧力在圆心处矢量合成，得出合力F_n；

步骤F：计算偏心量e。实际质心相对圆心的偏移方向，即偏心量的方向即为合力F_n的方向；将两转子圆心的相对位置沿F_n方向移动，则每对测点接触部分均会产生变化，同时各测点弹性力产生变化，直至受力平衡，达到平衡状态，依此原理计算质心偏移量及偏心角；

由于圆心移动一定距离，每个点位移距离不同，如图6所示，e为偏心量，O为初始圆心，O₂为偏心圆圆心，r为转子基圆半径，d为测点位移，θ为偏心角，θ₂为测点对应角度，γ为三角形对应角度。

由几何关系可得：

由式(8)可得出偏心量与测点位移关系，如图7，通过圆心处矢量力合成，得到合力，当达到平衡状态时，可得：

通过求解式(9)即可得到偏心量e。

Claims (1)

1.一种基于径跳测量计算转子装配轴线偏心的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤A、相邻两级盘，下端件A与上端件B的连接采用止口过盈配合进行定位，则自下而上各面中心分别为A_O1、A_O2、B_O1、B_O2，读取所测两转子止口配合面的径向跳动值用矩阵表征，数据的形式是一个圆环，则上端件B的下端面径向跳动数据表示为：B_O1(α，z_b1)，下端件A的上端面径向跳动数据表示为：A_O2(α，z_a2)；用极坐标表示法表征；圆心O在全局坐标系中的位置为O(0，0)，已知配合止口半径R；

步骤B、计算各点的相对跳动值：上端面与下端面配合状态为过盈配合，所形成的“毛刺”即指零件制造过程中，由于加工误差的存在，转子的配合止口处的实际直径在加工误差范围内随机产生，即每个测点相对理想圆心的半径值也是随机产生，毛刺值的大小即各测点相对基圆的距离；

步骤C、由于止口过盈量的存在，两转子在装配时止口周产生方向指向圆心、大小不均匀的弹性力，为了计算各测点弹性力的大小，需计算各测点处的相对毛刺凸起值，毛刺处的刚度较基圆忽略不计，暂假设基圆装配过程中圆心的相对位置不变；将毛刺部分等效为弹簧，假设毛刺刚度函数为k₁(n)，其中n为毛刺宽度；基圆刚度为k₂(y)，其中y为距基圆表面的距离；h₁为B₁某一点毛刺值，h₂为A₂某另一点毛刺值，若h₂＞h₁，x代表位移距离，第一阶段：两弹簧同时压缩；第二阶段：h₁弹簧压缩；第三阶段：基圆压缩阶段；F代表受到的弹性力；各阶段力与位移关系如下：

第一阶段：

第二阶段：

F＝k₁(n)h₂+k₁(n)(x-2h₂) (2)

第三阶段：

F＝k₂(y)(x-h₁-h₂)+k₁(n)h₂+k₁(n)(h₁-h₂) (3)

若h₂＜h₁，同理得：

第一阶段：

第二阶段：

F＝k₁(n)h₁+k₁(n)(x-2h₁) (5)

第三阶段：

F＝k₂(y)(x-h₁-h₂)+k₁(n)h₁+k₁(n)(h₂-h₁) (6)

步骤D、计算理想状态下各点接触力：考虑转子A与转子B两止口接触面均为弹簧，将两止口不均匀径跳值等效为不均匀弹性力，基体的实体部分视为刚体，不产生形变；由式(1)～式(6)，首先计算出理想状况下两配合面圆心重合情况下的各点弹性力；

计算式同式(1)到(6)；

步骤E、合力矢量计算部分：将各个测点弹性力在圆心处矢量合成，得出合力F_n；

其中，i代表测点数；

步骤F、计算偏心量e：实际质心相对圆心的偏移方向，即偏心量的方向即为合力F_n的方向；将两转子圆心的相对位置沿F_n方向移动，则每对测点接触部分均产生变化，同时各测点弹性力产生变化，直至受力平衡，达到平衡状态，依此原理计算质心偏移量及偏心角；

由于圆心移动一定距离，每个点位移距离不同，e为偏心量，O为初始圆心，O₂为偏心圆圆心，r为转子基圆半径，d为测点位移，θ为偏心角，θ₂为测点对应角度，γ为三角形对应角度；

由几何关系得：

由式(8)得出偏心量与测点位移关系，通过圆心处矢量合成，得到合力，当达到平衡状态时，得：

通过求解式(9)即得到偏心量e。

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