CN111076867B - 基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法 - Google Patents

基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，属于机械装配技术领域。所述方法通过建立了四参数圆轮廓测量模型、分析航空发动机转子的定位误差及定向误差在装配中的传递过程、确定n级转子装配后的偏心误差的传递关系、复合单级转子自身不平衡量得到单级不平衡量和依据蒙特卡洛法生成随机数并绘制分布函数求出概率密度函数等步骤实现多级转子初始不平衡量的分配。

Description

基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部 件不平衡量分配方法
技术领域
本发明涉及基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，属于机械装配技术领域。
背景技术
航空发动机是飞机的核心部件，为了保证飞机的安全性，它需要安全可靠的长时间工作。转子的振动严重影响着发动机的安全、效率及寿命，而转子的不平衡量是决定发动机转子振动响应的重要因素。
发动机转子是由多个级盘装配而成，各级盘的不平衡量通过一定的组合形成转子的不平衡量。尽管在设计过程中对于每级盘的不平衡量均进行了严格的限制，但如果装配不当，多级盘的不平衡量在高速旋转过程中将对转子轴颈形成巨大的作用力与力矩，使转子产生剧烈振动。因此，优化航空发动机转子整体不平衡量，对提高其结构完整性、可靠性及寿命具有重要意义。
现有的航空发动机转子整体不平衡量分配方法均存在的问题在于：优化方法未从数学机理上建立完善的多级转子不平衡量装配模型，未考虑单级转子圆轮廓测量误差在装配过程的传递和放大效果，进而导致发动机转子整体不平衡量无法得到精确的预测、优化和分配。
发明内容
本发明为了解决现有技术的分配方法易出现发动机转子整体不平衡量无法得到精确的预测、优化和分配的问题，提出了一种基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，所采取的技术方案如下：
基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法为：
首先，建立单级转子的四参数轮廓测量模型；
然后，对所述四参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化四参数轮廓测量模型，通过所述简化的四参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差并确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量；
随后，利用各级转子不平衡量和动平衡公式获取多级转子初始不平衡量目标函数，并利用所述初始不平衡量目标函数计算获得多级转子初始不平衡量；
最后，利用蒙特卡罗法实现多级转子初始不平衡量的分配；
其中，所述四参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径及测量面倾斜误差。
进一步地，所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法的具体过程包括：
步骤一：建立单级转子的四参数轮廓测量模型，所述四参数轮廓测量模型如下：
Figure BDA0001837206120000021
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离；e为偏心量，即偏心误差；θi为相对于回转中心的采样角度；α为偏心角；r为传感器测球半径；n为采样点数；Δri为表面加工误差；d为传感器测头偏移量；ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子四参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的四参数圆轮廓测量模型；所述简化的四参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure BDA0001837206120000022
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的四参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：利用所述单级转子偏心误差，确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001837206120000023
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤五：将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个较正面，依据动平衡公式得到多级转子初始不平衡量目标函数，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤六：依据蒙特卡罗法生成各级转子的接触面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子初始不平衡量目标函数中，旋转各级大型高速回转装备的旋转角度，进而得到10000组多级转子初始不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级转子的接触面跳动与最终多级转子初始不平衡量的概率关系，实现多级转子初始不平衡量的分配。
进一步地，步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure BDA0001837206120000031
其中，r0为转子拟合椭圆短轴，
Figure BDA0001837206120000032
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，n为采样点数。
本发明有益效果：
本发明提出的基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法考虑圆轮廓测量中的转子偏心、传感器测头偏移、传感器测球半径及测量面倾斜误差四个参数分量，建立了四参数圆轮廓测量模型，可以准确的估计出偏心误差；分析航空发动机转子的定位误差及定向误差在装配中的传递过程，确定n级转子装配后的偏心误差的传递关系，得到装配后各级转子定位误差和定向误差引入的不平衡量，再复合单级转子自身不平衡量，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个较正面，依据动平衡公式得到多级转子初始不平衡量，实现多级转子初始不平衡量的计算；依据蒙特卡洛法生成随机数并绘制分布函数求出概率密度函数，进而得到各级转子的接触面跳动信息与最终多级转子初始不平衡量的概率关系，实现多级转子初始不平衡量的分配。本发明提出的基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法能够有效提高多级零部件不平衡分量预测和分配的精度和准确性。
附图说明
图1为本发明所述分配方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，如图1 所示，所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法为：
首先，建立单级转子的四参数轮廓测量模型；
然后，对所述四参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化四参数轮廓测量模型，通过所述简化的四参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差并确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量；
随后，利用各级转子不平衡量和动平衡公式获取多级转子初始不平衡量目标函数，并利用所述初始不平衡量目标函数计算获得多级转子初始不平衡量；
最后，利用蒙特卡罗法实现多级转子初始不平衡量的分配；
其中，所述四参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径及测量面倾斜误差。
实施例2
基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级零部件不平衡量分配方法，所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法的具体过程包括：
步骤一：建立单级转子的四参数轮廓测量模型，所述四参数轮廓测量模型如下：
Figure BDA0001837206120000041
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离；e为偏心量，即偏心误差；θi为相对于回转中心的采样角度；α为偏心角；r为传感器测球半径；n为采样点数；Δri为表面加工误差；d为传感器测头偏移量；ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子四参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的四参数圆轮廓测量模型；所述简化的四参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure BDA0001837206120000051
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的四参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001837206120000052
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤五：将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个较正面，依据动平衡公式得到多级转子初始不平衡量目标函数，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤六：依据蒙特卡罗法生成各级转子的接触面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子初始不平衡量目标函数中，旋转各级大型高速回转装备的旋转角度，进而得到10000组多级转子初始不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级转子的接触面跳动与最终多级转子初始不平衡量的概率关系，实现多级转子初始不平衡量的分配。
其中，步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure BDA0001837206120000061
其中，r0为转子拟合椭圆短轴，
Figure BDA0001837206120000062
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，n为采样点数。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (1)

1.基于质心和惯性中心同步测调的大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法，其特征在于，所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法为：
首先，建立单级转子的四参数轮廓测量模型；
然后，对所述四参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化四参数轮廓测量模型，通过所述简化的四参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差并确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量；
随后，利用各级转子不平衡量和动平衡公式获取多级转子初始不平衡量目标函数，并利用所述初始不平衡量目标函数计算获得多级转子初始不平衡量；
最后，利用蒙特卡罗法实现多级转子初始不平衡量的分配；
其中，所述四参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径及测量面倾斜误差；
所述大型高速回转装备多级转子不平衡量分配方法的具体过程包括：
步骤一：建立单级转子的四参数轮廓测量模型，所述四参数轮廓测量模型如下：
Figure FDA0003385991130000011
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离；e为偏心量，即偏心误差；θi为相对于回转中心的采样角度；α为偏心角；r为传感器测球半径；n为采样点数；Δri为表面加工误差；d为传感器测头偏移量；ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子四参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的四参数圆轮廓测量模型；所述简化的四参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure FDA0003385991130000012
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的四参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：利用所述单级转子偏心误差，确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure FDA0003385991130000021
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤五：将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个校正面，依据动平衡公式得到多级转子初始不平衡量目标函数，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤六：依据蒙特卡罗法生成各级转子的接触面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子初始不平衡量目标函数中，旋转各级大型高速回转装备的旋转角度，进而得到10000组多级转子初始不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级转子的接触面跳动与最终多级转子初始不平衡量的概率关系，实现多级转子初始不平衡量的分配；
步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure FDA0003385991130000022
其中，r0为转子拟合椭圆短轴，
Figure FDA0003385991130000023
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，n为采样点数。
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