CN112307568A - 一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机装配技术领域，特别涉及一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，包括如下步骤：步骤一、查找并确定装配尺寸链中的调整件作为研究对象；步骤二、通过尺寸链计算，确定调整件的尺寸可选取范围；步骤三、计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系；步骤四、测量不可达组件装配可靠性的判断。本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，能够实现检测空间不足，或被机匣、罩壳等其它零组件遮挡的测量不可达零组件的装配状态检验，减少待检测零组件损伤，不需设计专用的工装、工艺，不需进行二次装配，能够减少装配过程的不确定性，可实现安全、可靠、高效、低成本的装配可靠性分析。

Description

一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法

技术领域

本申请属于航空发动机装配技术领域，特别涉及一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法。

背景技术

随着对热力机械需求的不断提高，航空发动机和燃气轮机的技术飞速发展，发动机的性能指标不断攀升，对其装配精度提出了更高要求。发动机各个零组件的规定配合精度、连接可靠性和所规定使用功能的实现都通过装配工艺保证。装配是发动机制造过程中人为干预较多的最后一个阶段，同样的零组件，不同的装配控制程序，最终发动机在试验中的表现也有很大差异。装配控制精度较低在试验中会出现漏油、振动大等问题，而过高的控制装配精度，会直接导致生产成本大幅上升，目前如何平衡装配精度和生产成本是发动机研发中的关键技术。

由于对发动机推重比、功重比的要求越来越高，发动机的结构越来越复杂。受装配空间限制，很多时候装配控制尺寸不可见、不可达，无法直接对装配关键尺寸和位置进行直接测量。对于这些位置，目前一般采用两种方法，第一种是测量零件尺寸再进行尺寸链计算，这种方法只能计算理论装配值，无法评估装配误差的影响；第二种是通过装配工装和工艺保证，这种方法过分依赖装配过程，同时对装配工装和装配技术人员提出了较高要求。

但是，测量零件尺寸后再进行尺寸链计算的方法无法避免装配误差，装配后无法对装配精度进行检测，只能通过整机试验验证，但即使试验中无异常也无法直接证明装配精度合理。同时，容易产生零组件磨损的风险。

而采用特定的工装和工艺可以较有效地保证装配精度，但设计专用的装配工装会大大增加装配难度、周期和成本。同时，装配工装和工艺的合理性需要大量发动机子样的实际装配和试验进行验证。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法。

本申请公开了一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，包括如下步骤：

步骤一、确定待检测零组件中含测量不可达组件的装配尺寸链，查找并确定装配尺寸链中的调整件作为研究对象；

步骤二、通过尺寸链计算，确定调整件的尺寸可选取范围；

步骤三、根据测量不可达组件装配状态对与调整件组相接触的零组件装配情况的影响因素，以及其他协同影响因素，计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系；

步骤四、检测调整件组的实际尺寸是否处于可选取尺寸范围内，调整件组的实际尺寸关系是否处于调整件组尺寸关系数据化后的限制范围内，获取测量不可达组件装配状态，进而判断其装配可靠性。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一中，在先通过对待检测零组件的制造尺寸、装配对中情况及零组件的安装结构进行分析，查找出装配尺寸链中的调整件，再对影响调整件组尺寸的设计、加工及装配因素进行判断，从而确定作为研究对象的调整件。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤二中，是通过如下公式进行尺寸链计算，从而得到调整件的尺寸可选取范围(A_0min-A_0max)：

式中，A₀为调整件的基本尺寸；

为尺寸链中增环的基本尺寸；

为减环的基本尺寸；A_0max和A_0min分别为调整件的最大极限尺寸和最小极限尺寸；

和

分别为增环的最大极限尺寸、增环的最小极限尺寸、减环的最大极限尺寸和减环的最小极限尺寸；m为增环的环数；n为尺寸链中包括调整件的总环数。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，测量不可达组件装配状态对与调整件组相接触的零组件装配情况的影响因素包括：零组件在俯仰、偏摆和滚转方向的装配情况的影响；

协同影响因素包括：设计、加工及装配因素。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，是通过如下公式计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系：

其中，j、k和l分别代表零组件的俯仰、偏摆和滚转方向；Δ_j、Δ_k和Δ_l分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的允许值；Δ_jmin、Δ_kmin、Δ_lmin和Δ_jmax、Δ_kmax、Δ_lmax分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；

其中，三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值计算公式如下：

式中，p为影响调整件组尺寸关系因素的总个数；Δ_umin和Δ_umax分别为u方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；Δ_uimin和Δ_uimax分别为u方向上影响调整件组尺寸关系的因素i所能造成的调整件组尺寸关系数据化后的最小值和最大值。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，能够实现检测空间不足，或被机匣、罩壳等其它零组件遮挡的测量不可达零组件的装配状态检验，减少待检测零组件损伤，不需设计专用的工装、工艺，不需进行二次装配，能够减少装配过程的不确定性，可实现安全、可靠、高效、低成本的装配可靠性分析。

附图说明

图1是本申请基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法流程图；

图2是本申请基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法一具体实施例中附件机匣装配位置关系示意图；

图3是本申请基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法一具体实施例中电机底座调整垫厚度选取尺寸链计算示意图；

图4是本申请基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法一具体实施例中附件机匣、膜片联轴器、燃机底座与电起动机连接示意图；

图5是本申请基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法一具体实施例中电起动机相对于燃机底座的最大偏斜状态示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法：解决了因零组件间的空间位置紧凑，或某些零组件的检测部位被机匣、罩壳等其它零组件遮挡，在装配状态检验中检测空间不足，造成有限空间中测量不可达零组件在装配后不方便甚至无法进行装配结果检测的难题。

通过装配路径分析，对与关键装配尺寸有关联的装配尺寸或零件尺寸进行测量，得出被测位置的装配精度。本申请集合了目前常用的两种装配测量方法的优点，可直接测量一部分关键尺寸，同时分析装配工艺路径的影响；又规避了两种方法的缺点，不需设计专用的工装、工艺，不需进行二次装配，减少装配过程的不确定性，可实现安全、可靠、高效、低成本的装配可靠性分析。

下面结合附图1-图5对本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法做进一步详细说明。

本申请公开了一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，首先对装配路径进行分析，确定含测量不可达组件的装配尺寸链中的调整件作为研究对象，接着对该调整件尺寸的极限尺寸进行计算，最终获得使得不可达组件满足装配要求的调整件组尺寸关系，确定调整件组内各调整件间尺寸关系数据化后的极限值，通过检测调整件组的实际尺寸关系是否处于限制范围内判断测量不可达组件装配的可靠性。

如图1所示，本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法具体步骤如下：

步骤一、调整件的选取

对待检测零组件的制造尺寸、装配对中情况及零组件的安装结构进行分析，明确含测量不可达组件的装配尺寸链，查找装配尺寸链中的调整件，并对影响调整件组尺寸的设计、加工及装配因素进行判断，从而确定作为研究对象的调整件。

步骤二、调整件极限尺寸的计算

根据图纸与文件的装配要求及零件尺寸误差要求，通过尺寸链计算，确定作为研究对象的调整件的尺寸可选取范围。

具体的，在步骤二中，是通过如下公式进行尺寸链计算，从而得到调整件的尺寸可选取范围(A_0min-A_0max)：

式中，A₀为调整件的基本尺寸；

为尺寸链中增环的基本尺寸；

为减环的基本尺寸；A_0max和A_0min分别为调整件的最大极限尺寸和最小极限尺寸；

和

分别为增环的最大极限尺寸、增环的最小极限尺寸、减环的最大极限尺寸和减环的最小极限尺寸；m为增环的环数；n为尺寸链中包括调整件的总环数。

步骤三、调整件组尺寸关系的计算

判断测量不可达组件装配状态对与调整件组相接触的零组件在俯仰、偏摆和滚转等方向的装配情况的影响，结合其它设计、加工及装配等协同影响因素，计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系。

具体的，在步骤三中，是通过如下公式计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系：

其中，j、k和l分别代表零组件的俯仰、偏摆和滚转方向；Δ_j、Δ_k和Δ_l分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的允许值；Δ_jmin、Δ_kmin、Δ_lmin和Δ_jmax、Δ_kmax、Δ_lmax分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；

其中，三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值计算公式如下：

式中，p为影响调整件组尺寸关系因素的总个数；Δ_umin和Δ_umax分别为u方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；Δ_uimin和Δ_uimax分别为u方向上影响调整件组尺寸关系的因素i所能造成的调整件组尺寸关系数据化后的最小值和最大值。

步骤四、测量不可达组件装配可靠性的判断

检测调整件组的实际尺寸是否处于可选取尺寸范围内，调整件组的实际尺寸关系是否处于调整件组尺寸关系数据化后的限制范围内，获取测量不可达组件装配状态，进而判断其装配可靠性。

综上，本申请的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，能够实现检测空间不足，或被机匣、罩壳等其它零组件遮挡的测量不可达零组件的装配状态检验，减少待检测零组件损伤，不需设计专用的工装、工艺，不需进行二次装配，能够减少装配过程的不确定性，可实现安全、可靠、高效、低成本的装配可靠性分析。

下面将以某型燃机附件机匣装配可靠性分析研究为例，对基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法进行说明：

某型燃机的附件机匣以组件形式进行装配，在装配过程中无法对其实际偏斜量进行直接测量，极易造成附件机匣的装配偏斜量超过允许值，导致传动杆花键磨损、连接止口压伤和连接吊耳组件变形等故障。鉴于本申请的上述分析，采用上述基于调整件组尺寸关系的测量不可达组件装配可靠性分析方法，确定附件机匣装配可靠时所研究调整件相关尺寸的允许范围，以进行某型燃机附件机匣装配情况的检测。

对应的，包括如下步骤：

1)调整件的选取

某型燃机的附件机匣采用吊耳承力定位、连接止口辅助定位的安装形式。其中，附件机匣与进气机匣连接止口配合为间隙配合，起辅助定位作用。吊耳承受燃机工作中带来的载荷，并通过调整最前端吊耳最终确定附件机匣安装位置。

附件机匣后方为电起动机的安装位置，电起动机通过具有轴向和径向补偿功能的膜片联轴器连接，联轴器完成对中后，实际测量电起动机调整垫厚度，并根据测量值修磨调整垫，最终完成电起动机安装。图2为附件机匣装配位置关系示意图。

附件机匣在燃机主机上的安装，无法直接实际测量偏斜量，因此无法控制实际安装可靠性。燃机装配过程中，附件机匣装配偏斜、附件机匣与电起动机之间不对中及燃机和电机底座焊接平行度误差将造成电起动机相对于燃机底座整体偏斜，进而影响电机底座调整垫的选取，造成前、后调整垫厚度不一致。因此，选取电机底座调整垫作为某型燃机附件机匣装配可靠性研究的待分析调整件，后续通过实际测量电机底座调整垫厚度关系并与计算所得调整垫厚度极限尺寸及调整垫组厚度关系相比较来验证附件机匣装配偏斜是否超出允许范围。

2)调整垫极限厚度计算

根据尺寸链计算确定满足装配要求情况下电机底座调整垫厚度值的可选取范围，从而通过测量及计算电机底座前、后调整垫厚度关系来验证附件机匣装配位姿正确与否。

图3所示为电机底座调整垫厚度选取的尺寸链计算示意图，据此可知，该尺寸链中增环的环数为1，总环数为4。根据上述公式(1)-(3)可得电机底座调整垫厚度的基本尺寸、最大极限尺寸和最小尺寸分别为

式中，A₀为电机底座调整垫的厚度；

为燃机中心轴线到燃机底座底部的距离；

为电机底座调整垫上部至燃机中心轴线的距离，通过燃机底座相关尺寸计算获得；

为电机底座调整垫下部至燃机底座底部的距离，通过附件机匣、电机底座及电起动机相关尺寸获得。

根据相关图纸、文件和装配要求，可得

将上述数值带入公式(6)-(8)，得到电机底部调整垫厚度选取尺寸链计算结果：

根据上述计算结果可知，电机底部调整垫厚度选取范围为(29.60-33.21)mm，即在满足装配要求及零件尺寸误差要求的情况下，调整垫最薄和最厚可选取值分别为29.60mm和33.21mm。

3)前、后调整垫厚度差计算

从图2中可以看出，附件机匣通过吊耳安装到主机上，并通过膜片联轴器连接到电起动机上，电起动机则通过电机底座和前、后各两个电机底座调整垫连接到燃机底座上。在装配过程中，附件机匣的偏斜状态和附件机匣与电起动机之间对中情况、焊接平行度误差共同对电起动机相对于燃机底座的偏斜情况造成影响，而附件机匣装配情况的确定难以实现。因此，采用计算电起动机相对于燃机底座的偏斜情况来推断附件机匣的安装情况。

图4所示为附件机匣、膜片联轴器、燃机底座与电起动机的连接示意图，图中填充部分为电机底座调整垫，A点和B点为进气机匣止口与附件机匣端盖接触点，C点和D点为调整垫中心投影到电起动机轴上的位置。在上文计算所得的电机底座调整垫厚度范围内进行选取，可满足装配要求，但仍需确定前、后调整垫厚度差的极限值以保证附件机匣的可靠安装，亦即附件机匣安装可靠时电起动机调整垫组厚度关系需满足一定的限制条件。由图4可知，为避免附件机匣安装倾斜超差，仅需使用电机底座调整垫在单一的俯仰方向对电起动机进行调整即可，故而上述公式(4)可简化为：

Δ₀∈[Δ_min,Δ_max] (9)；

其中，Δ₀为电起动机前、后调整垫厚度差的可选取值；Δ_min为电起动机前、后调整垫厚度差的最小极限值；Δ_max为电起动机前、后调整垫厚度差的最大极限值。

最小极限值Δ_min和最大极限值Δ_max的计算方法为：

电起动机相对于燃机底座的最大偏斜状态如图5所示，图中2α为附件机匣允许偏斜的最大角度，β为附件机匣与电起动机不对中产生的最大角度，Δ₃为焊接平行度最大误差。当附件机匣偏斜、附件机匣与电起动机不对中及平行度误差均造成附件机匣、膜片联轴器与电起动机向下偏斜时，三者绕A点转动，如图5中(a)所示；当附件机匣偏斜、附件机匣与电起动机不对中及平行度误差均造成附件机匣、膜片联轴器与电起动机向上偏斜时，三者绕B点转动，如图5中(b)所示。由于附件机匣允许偏斜的最大角度、附件机匣与电起动机不对中产生的最大角度及焊接平行度最大误差在向上和向下偏斜状态时均相同，因此在后文的分析中均采用绝对值进行计算，不再考虑方向，且保证附件机匣可靠安装时仅需对电起动机前、后调整垫厚度差的最大值进行限制，故而公式(10)可做如下简化，该式即为电起动机前、后调整垫最大厚度差Δ的计算公式：

其中，Δ₁为由于附件机匣偏斜造成的前、后调整垫最大厚度差；Δ₂为由于附件机匣与电起动机不对中造成的前、后调整垫最大厚度差；Δ₃为由于焊接平行度误差造成的前、后调整垫最大厚度差。

根据电起动机相对于燃机底座最大偏斜状态示意图5，由于附件机匣偏斜造成的前、后调整垫最大厚度差为：

Δ₁＝L·sin(2α) (12)；

式中，L为前、后调整垫间的距离；α为传动杆花键连接允许的最大偏斜角，即附件机匣允许偏斜最大角度的一半。

同理，由于附件机匣与电起动机不对中造成的前、后调整垫最大厚度差为：

Δ₂＝L·sinβ (13)；

根据电起动机说明书及相关文件，可得由于附件机匣偏斜造成的前、后调整垫最大厚度差Δ₁为1.75mm，由于附件机匣与电起动机不对中造成的前、后调整垫最大厚度差Δ₂为0.11mm。

将上述数据带入公式(11)得到电起动机前、后调整垫最大厚度差为：

因此，限定电起动机前、后调整垫厚度差极限值为±1.98mm，实现附件机匣正确装配。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、确定待检测零组件中含测量不可达组件的装配尺寸链，查找并确定装配尺寸链中的调整件作为研究对象；

步骤二、通过尺寸链计算，确定调整件的尺寸可选取范围；

步骤三、根据测量不可达组件装配状态对与调整件组相接触的零组件装配情况的影响因素，以及其他协同影响因素，计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系；

步骤四、检测调整件组的实际尺寸是否处于可选取尺寸范围内，调整件组的实际尺寸关系是否处于调整件组尺寸关系数据化后的限制范围内，获取测量不可达组件装配状态，进而判断其装配可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，所述步骤一中，在先通过对待检测零组件的制造尺寸、装配对中情况及零组件的安装结构进行分析，查找出装配尺寸链中的调整件，再对影响调整件组尺寸的设计、加工及装配因素进行判断，从而确定作为研究对象的调整件。

3.根据权利要求2所述的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，在所述步骤二中，是通过如下公式进行尺寸链计算，从而得到调整件的尺寸可选取范围(A_0min-A_0max)：

式中，A₀为调整件的基本尺寸；

为尺寸链中增环的基本尺寸；

为减环的基本尺寸；A_0max和A_0min分别为调整件的最大极限尺寸和最小极限尺寸；

和

分别为增环的最大极限尺寸、增环的最小极限尺寸、减环的最大极限尺寸和减环的最小极限尺寸；m为增环的环数；n为尺寸链中包括调整件的总环数。

4.根据权利要求3所述的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，其特征在于，在所述步骤三中，测量不可达组件装配状态对与调整件组相接触的零组件装配情况的影响因素包括：零组件在俯仰、偏摆和滚转方向的装配情况的影响；

协同影响因素包括：设计、加工及装配因素。

5.根据权利要求4所述的基于调整件组尺寸关系的装配可靠性分析方法，其特征在于，在所述步骤三中，是通过如下公式计算满足测量不可达组件装配状态要求的调整件组尺寸关系：

其中，j、k和l分别代表零组件的俯仰、偏摆和滚转方向；Δ_j、Δ_k和Δ_l分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的允许值；Δ_{j min}、Δ_{k min}、Δ_{l min}和Δ_{j max}、Δ_{k max}、Δ_{l max}分别为三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；

其中，三个方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值计算公式如下：

式中，p为影响调整件组尺寸关系因素的总个数；Δ_{u min}和Δ_{u max}分别为u方向上调整件组尺寸关系数据化后的最小极限值和最大极限值；Δ_{ui min}和Δ_{ui max}分别为u方向上影响调整件组尺寸关系的因素i所能造成的调整件组尺寸关系数据化后的最小值和最大值。

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