CN110877751A - 基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，包括首先定义装配体全局坐标系、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵、安装相位矩阵；确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵、各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵，其次确定经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵；然后确定装配体的全局惯性张量矩阵、确定n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型，最后，根据优化模型利用遗传算法寻优计算各级转子安装相位。本发明可以指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最优，使航空发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制。

Description

基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法

技术领域

本发明属于机械装配技术领域，尤其是涉及一种基于矢量投影的大型高 速回转装备转动惯量堆叠方法。

背景技术

以航空发动机、舰船燃机、电站燃机、天然气/石油输送增压燃机为代 表的大型精密回转装备，由于技术复杂，研制难度大，再加上国外技术封锁， 已成为我国高端装备领域中的“卡脖子”问题。

以航空发动机为例，其核心机作为航空发动机的核心部件，其装配质量 将直接影响航空发动机的性能，为保证航空发动机核心机能够达到设计目 标，必须对每一环节进行严格把控。其中就包含转子质量特性参数的调整装 配。航空发动机转子质量特性参数主要是指发动机转子的重心和惯性张量。

其中惯性张量是衡量物体做定点转动时惯性大小的量，其作为航空航天 器运动建模的重要参数，是进行动力学分析、姿态控制特性分析和气动弹性 分析不可或缺的数据。作为高速旋转的部件，惯性张量同样是航空发动机性 能分析的重要参数，其中航空发动机多级转子相对回转轴线的转动惯量尤为 重要，其会影响发动机的启停特性。同时对于急剧加速和减速旋转过程也有 较大影响，这关系到战机的急速攀升、俯冲等飞行性能。通过合理的方法来 有效控制航空发动机多级转子相对回转轴线转动惯量，是改善航空发动机启 停、加减速性能的一个重要途径。

航空发动机作为精密机械设备，在生产制造过程中除了单级盘提高加工 测量精度外，提高其装配精度也是重中之重。在实际生产中，往往单件加工 精度符合要求，但装配后的整机验证不合格。因此，对于自研自制高性能的 航空发动机，提高装配精度是当务之急。提高装配精度对于多级转子装配就 是实现堆叠优化，而优化的目的是直接改善转子质量特性，减小转动惯量， 提高发动机的振动和启停特性，同时也保证一次装配合格率，提高装配效率

国内航空发动机装配没有将转动惯量的调整装配优化纳入到考虑范围 之内。无法保证装配后转动惯量最优，非常影响安装的效率和一次成功率。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动 惯量堆叠方法，可以指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最 优，使航空发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，具体包括以 下步骤：

步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下 端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为 Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X 轴，建立装配体全局坐标；

步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，所述 加工误差矩阵为：

其中P_i ^M为1×3的定位误差传递项，

为3×3的定向误差传递项；

步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵，其中 i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：

R_i ^R为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，

为第i级转子安装位置相 对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；

步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性 张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中m_k为第k级转子的质量，

为第k级转子重心在全局坐标系下的 位置坐标的位置向量，

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系 下X轴坐标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Y轴坐 标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z轴坐标；

步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性 张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中I_k为第k级转子的重心坐标系下的3×3惯性张量矩阵；

步骤六、将步骤四中由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵与步 骤五中由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵相叠加，确定n级转子 装配后，经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵

所 述全局惯性张量矩阵

为：

步骤七、将各级转子的全局惯性张量矩阵逐级累加，确定n级转子装配 后，装配体的全局惯性张量矩阵，所述装配体的全局惯性张量矩阵为：

步骤八、根据确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，确定 n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型：

式中I(3,3)为装配体全局惯性张量矩阵I中绕Z轴的转动惯量，即为多级 转子装配后绕其回转轴线的转动惯量，

为第k级转子安装位置相对于初始 安装位置的旋转角度；

步骤九、以I_z为目标函数，

为变量，利用遗传算法寻优计算各级转子 安装相位，确定各级转子最佳堆叠装配角度。

进一步的，将最佳装配

角度带入装配体的全局惯性张量矩阵中，求解 装配体的全局惯性张量，实现装配后的装配体惯量参数的预测。

相对于现有技术，本发明所述的基于矢量投影的大型高速回转装备转动 惯量堆叠方法具有以下优势：

本发明所述的基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，利 用该优化模型指导转子装配，有效降低装配后转子绕其回转轴线的转动惯 量，以此指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最优，使航空 发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制，并且本方法还实现了通 过各级转子惯量参数，预测装配后的装配体惯量参数，对于转子设计和加工 制造以及航空发动机配套零部件的选型提供参考转动惯量数据。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。

下面以实施例来详细说明本发明。

基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，具体包括以下步 骤：

步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下 端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X 轴，建立装配体全局坐标；

步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，其中 i＝1,2，…，n，所述加工误差矩阵为：

其中P_i ^M为1×3的定位误差传递项，

为3×3的定向误差传递项；

步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵， i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：

R_i ^R为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，

为第i级转子安装位置相 对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；

步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性 张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中m_k为第k级转子的质量，为已知条件，

为第k级转子重心在全 局坐标系下的位置坐标的位置向量，

为n级转子装配后第k级转子重心 在全局坐标系下X轴坐标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐 标系下Y轴坐标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z 轴坐标；

步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性 张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中

为第i+1级转子的安装相位矩阵

中的3×3旋转矩阵；I_k为 第k级转子的重心坐标系下的3×3惯性张量矩阵，为已知条件；

步骤六、将步骤四中由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵与步 骤五中由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵相叠加，确定n级转子 装配后，经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵

所 述全局惯性张量矩阵

为：

步骤七、将各级转子的全局惯性张量矩阵逐级累加，确定n级转子装配 后，装配体的全局惯性张量矩阵，所述装配体的全局惯性张量矩阵为：

步骤八、根据确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，确定 n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型：

式中I(3,3)为装配体全局惯性张量矩阵I中绕Z轴的转动惯量，即为多级 转子装配后绕其回转轴线的转动惯量，

为第k级转子安装位置相对于初始 安装位置的旋转角度；

步骤九、以I_z为目标函数，

为变量，利用遗传算法寻优计算各级转子 安装相位，确定各级转子最佳堆叠装配角度。

在得到最佳装配角度后，将最佳装配

角度带入步骤七中的装配体的全 局惯性张量矩阵中，求解装配体的全局惯性张量，实现装配后的装配体惯量 参数的预测。

本发明结合各级转子自身的惯性张量测量数据，以n级转子装配绕转轴 的转动惯量堆叠优化公式为优化目标进行寻优计算，即可得到在特定的各级 转子惯性张量数据与转子级数下，每级转子的最佳安装相位，以此指导航空 发动机多级盘的装配，实现装配后整体转动惯量最优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X轴，建立装配体全局坐标；

步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，所述加工误差矩阵为：

其中P_i ^M为1×3的定位误差传递项，

为3×3的定向误差传递项；

步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵，其中i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：

R_i ^R为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，

为第i级转子安装位置相对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；

步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中m_k为第k级转子的质量，

为第k级转子重心在全局坐标系下的位置坐标的位置向量，

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下X轴坐标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Y轴坐标；

为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z轴坐标；

步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：

其中I_k为第k级转子的重心坐标系下的3×3惯性张量矩阵；

步骤六、将步骤四中由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵与步骤五中由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵相叠加，确定n级转子装配后，经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵

所述全局惯性张量矩阵

为：

步骤七、将各级转子的全局惯性张量矩阵逐级累加，确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，所述装配体的全局惯性张量矩阵为：

步骤八、根据确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，确定n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型：

式中I(3,3)为装配体全局惯性张量矩阵I中绕Z轴的转动惯量，即为多级转子装配后绕其回转轴线的转动惯量，

为第k级转子安装位置相对于初始安装位置的旋转角度；

步骤九、以I_z为目标函数，

为变量，利用遗传算法寻优计算各级转子安装相位，确定各级转子最佳堆叠装配角度。

2.根据权利要求1所述的基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，其特征在于：将最佳装配

角度带入装配体的全局惯性张量矩阵中，求解装配体的全局惯性张量，实现装配后的装配体惯量参数的预测。