CN112536581B - 基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，第一步，标定载荷传感器的误差；第二步，总结扭矩T和预紧力F的对应关系；第三步，找出轴系产品上影响装配变形的零部件；第四步，总结预紧力F和变形量H的对应关系；第五步，建立压紧螺母的扭矩T—中心轴上的零部件整体的变形量H的对应关系拟合公式；第六步，根据第三步的找到的变形体及第五步中的扭矩T—中心轴上的零部件的变形量H的关系，通过调节扭矩T或更换变形体来控制出发动机轴系产品的装配变形量H；本发明能够实现弹用涡扇发动机快速装配、简化生产流程，并且能够准确获得轴向装配变形量。

Description

基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法

技术领域

本发明属于装配控制技术领域，具体涉及一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法。

背景技术

某型涡扇发动机零件种类多、数量大，轴系结构上存在多个调整垫用来调整转径间隙，从而保障产品性能。现阶段发动机装配环节需增加试装环节，预先将轴系上所有产品依次装配，按照规定扭矩要求拧紧压紧螺母，目的是通过预紧力作用使轴系产品产生装配变形，从而选择出尺寸合适的调整垫，来保障产品性能。该试装过程中涉及多个零、部件，过程需要热装转子，具有耗时长，工艺流程复杂，装配周期延长的缺点，因此，拟计划通过创建数字化样机取代产品试装；但是在创建数字化样机过程中，发现通过尺寸链计算获得的调整垫理论值与通过试装确定的调整垫实际值存在较大差距。原因在于试装环节基于预紧力与扭矩的关系会导致轴系产品存在装配变形，而尺寸链计算的调整垫理论值与实际装配获得调整垫理论值之间的偏差无法获得。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，能够实现弹用涡扇发动机快速装配、简化生产流程，并且能够准确获得轴向装配变形量。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，所述轴系产品包括：中心轴及套装在中心轴外部的两个以上零部件；

所述控制方法的具体步骤如下：

第一步，将轴系产品的中心轴安装在拉力机上后，将模拟套筒安装在中心轴上，并将载荷传感器安装在模拟套筒的端面，通过拉力机标定载荷传感器的误差；

第二步，将第一步中的轴系产品的中心轴、模拟套筒及载荷传感器组成的整体从拉力机上拆卸后，安装在螺纹紧固件试验分析系统上，然后将压紧螺母安装在中心轴的端部，并压紧在模拟套筒端面的载荷传感器上；通过扭矩T拧紧压紧螺母，进而对模拟套筒及其端面的载荷传感器施加预紧力F；所述扭矩T通过螺纹紧固件试验分析系统检测得到；所述预紧力F通过载荷传感器测量得到，载荷传感器并将测量得到的数据发送给应力应变测试仪显示；通过调节扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线，并对所述扭矩T—预紧力F对应的关系曲线进行拟合，得到，

F＝kT，k为常数； 公式(1)

根据扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可确定扭矩T的最大值及其对应的预紧力F的最大值，即工程应用允许的最大预紧力；

第三步，将第二步的轴系产品的中心轴从螺纹紧固件试验分析系统上拆卸后，再次安装在拉力机上，并将模拟套筒和压紧螺母拆除；对中心轴上的每个零部件分别进行压紧试验，找出在工程应用允许的最大预紧力的范围内轴系产品上影响装配变形的零部件，作为变形体；

第四步，将所有的零部件均安装在中心轴上，并将模拟套筒安装在中心轴的端部，并压紧在所有零部件组成的整体上；拉力机的加载端压紧在模拟套筒的端面上，并对模拟套筒施加沿其轴向的加载力B，所述加载力B用于模拟压紧螺母的预紧力F，即加载力B＝预紧力F；所述所有零部件组成的整体在加载力B的作用下发生变形，所述所有零部件组成的整体的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力B，得到预紧力F-变形量H对应的关系曲线；对所述预紧力F-变形量H对应的关系曲线进行拟合，得到

式中，a，b，c均为常数；

第五步，对公式(1)及公式(2)进行处理，建立压紧螺母的扭矩T—中心轴上的零部件整体的变形量H的对应关系拟合公式，如下：

第六步，根据第三步的找到的变形体及第五步中的扭矩T—中心轴上的零部件的变形量H的关系，通过调节扭矩T或更换变形体来控制出发动机轴系产品的装配变形量H。

进一步的，在第一步中，标定载荷传感器的误差的具体步骤如下：

将轴系产品的中心轴安装在拉力机上后，将模拟套筒安装在中心轴上，并将载荷传感器安装在模拟套筒的端面；拉力机的加载端压紧在载荷传感器上，并对载荷传感器进行加载，通过拉力机提供的加载力的示值对载荷传感器进行标定；即对载荷传感器的示值与拉力机的示值进行对比，若两者之间的误差在±2％以内，则表示载荷传感器测量拉力机的加载力准确；若两者之间的误差不在±2％以内，则需要重新校核载荷传感器，直到两者之间的误差在±2％以内。

进一步的，在第二步中，通过扭矩T拧紧压紧螺母到最大预紧力的方法有两种，第一种为：逐级均匀增加扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；第二种为：一次施力到扭矩T最大值，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；对比两种方法的扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可知，两个关系曲线完全相同；因此，扭矩T—预紧力F的对应关系与调节扭矩T的方式无关。

进一步的，在第三步中，所述压紧试验的具体步骤为：

将一个零部件A安装在中心轴后，拉力机的加载端压紧在该零部件A的端面上，并对该零部件A施加沿其轴向的加载力A，所述加载力A用于模拟压紧螺母的预紧力F，即加载力A＝预紧力F，因此，所述拉力机提供的加载力A应小于或等于第二步得到的工程应用允许的最大预紧力；所述零部件A在加载力A的作用下发生变形，所述零部件A的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力A，得到预紧力F—变形量H对应的关系曲线.

进一步的，在第三步中，找到变形体的具体步骤如下：

对所有零部件进行压紧试验后，最终得到两种类型的预紧力F—变形量H对应的关系曲线；一种类型为可拟合为直线的曲线；另一种为可拟合为有拐点的曲线，其中，可拟合为直线的曲线对应的零部件为变形体，变形体的受压变形量H随着预紧力F的增大会线性增大；有拐点的曲线对应的零部件为刚性体，刚性体的受压变形量H在预紧力F小于或等于设定值A时，随着预紧力F的增大会线性增大；但在预紧力F大于设定值A时，即使预紧力F增大，刚性体的受压变形量H也保持不变；因此，在工程应用允许的最大预紧力范围内影响装配变形的零部件为变形体，通过选配一个或一个以上变形体来控制整个轴系产品的装配变形量。

有益效果：本发明通过试验获得预紧力与扭矩的关系曲线及确定轴系产品上的零部件在预紧力作用下的力与变形关系，最终总结出基于预紧力和扭矩关系的涡扇发动机轴系产品装配变形的控制方法，即通过调节扭矩或更换变形体来控制出发动机轴系产品的装配变形量；在发动机的实际装配过程中，可以在不进行轴向压紧的情况，根据公式(3)的预紧力-变形量对应的关系能够准确计算出轴系产品的装配变形量，从而可以一次选出满足装配要求的调整垫，取消发动机装配试装环节，缩短发动机装配周期，减少生产周期，对装配精度提高有一定的指导意义；对后续新型产品的设计研发提供工艺支撑。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为扭矩—预紧力对应的关系曲线图；

图3为变形体的预紧力—变形量对应的关系曲线图；

图4为刚性体的预紧力—变形量对应的关系曲线图；

图5为零部件整体的预紧力-变形量对应的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，所述轴系产品进行装配及变形测量的试验设备包括：模拟套筒、应变片、应力应变测试仪、拉力机及德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统；所述拉力机采用10吨拉力机；

所述轴系产品包括：中心轴及套装在中心轴外部的两个以上零部件；

所述模拟套筒安装在中心轴的端部，所述模拟套筒用于模拟套装在中心轴上的轴承；所述模拟套筒的端面安装有应变片作为载荷传感器；

所述轴系产品的中心轴安装在拉力机的平台上，所述拉力机用于对模拟套筒及轴系产品上的零部件进行轴向加载及测量零部件的受压变形量；

所述压紧螺母安装在中心轴的端部，并压紧中心轴上的零部件，在拧紧压紧螺母的过程中，应避免磕碰，以减小螺纹损伤对试验结果的影响；

参见附图1，所述控制方法的具体步骤如下：

第一步，标定载荷传感器的误差：将轴系产品的中心轴安装在拉力机上后，将模拟套筒安装在中心轴上，并将载荷传感器安装在模拟套筒的端面；拉力机的加载端压紧在载荷传感器上，并对载荷传感器进行加载，通过拉力机提供的加载力的示值对载荷传感器进行标定；即对载荷传感器的示值与拉力机的示值进行对比，若两者之间的误差在±2％以内，则表示载荷传感器测量拉力机的加载力准确；若两者之间的误差不在±2％以内，则需要重新校核载荷传感器，直到两者之间的误差在±2％以内；

第二步，总结扭矩T和预紧力F的对应关系：将第一步中的轴系产品的中心轴、模拟套筒及载荷传感器组成的整体从拉力机上拆卸后，安装在德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统上，然后将压紧螺母安装在中心轴的端部，并压紧在模拟套筒端面的载荷传感器上；通过扭矩T拧紧压紧螺母，进而对模拟套筒及其端面的载荷传感器施加预紧力F；所述扭矩T通过德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统检测得到；所述预紧力F通过载荷传感器测量得到，载荷传感器并将测量得到的数据发送给应力应变测试仪显示；通过调节扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线，参见附图2，并对所述扭矩T—预紧力F对应的关系曲线进行拟合，得到，

F＝kT，k为常数；公式(1)

根据扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可确定扭矩T的最大值及其对应的预紧力F的最大值，即工程应用允许的最大预紧力；

其中，通过扭矩T拧紧压紧螺母到最大预紧力的方法有两种，第一种为：逐级均匀增加扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；第二种为：一次施力到扭矩T最大值，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；对比两种方法的扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可知，两个关系曲线完全相同；因此，扭矩T—预紧力F的对应关系与调节扭矩T的方式无关；

第三步，在工程应用允许的最大预紧力的范围内找出轴系产品上影响装配变形的零部件，为后续调整轴系产品的装配间隙做技术支承：将第二步的轴系产品的中心轴从德国Schatz-Analyse螺纹紧固件试验分析系统上拆卸后，再次安装在拉力机上，并将模拟套筒和压紧螺母拆除；对中心轴上的每个零部件分别进行压紧试验，即在每次压紧试验中，中心轴上有且只有一个零部件；所述压紧试验为：将一个零部件A安装在中心轴后，拉力机的加载端压紧在该零部件A的端面上，并对该零部件A施加沿其轴向的加载力A，所述加载力A用于模拟压紧螺母的预紧力F，因此，所述拉力机提供的加载力A应小于或等于第二步得到的工程应用允许的最大预紧力；所述零部件A在加载力A的作用下发生变形，所述零部件A的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力A，得到预紧力F(即加载力A)—变形量H对应的关系曲线；对所有零部件进行压紧试验后，最终得到两种类型的预紧力F(即加载力A)—变形量H对应的关系曲线；一种类型为可拟合为直线的曲线；另一种为可拟合为有拐点的曲线，参见附图3-4，其中，可拟合为直线的曲线对应的零部件为变形体，变形体的受压变形量H随着预紧力F的增大会线性增大；有拐点的曲线对应的零部件为刚性体，刚性体的受压变形量H在预紧力F小于或等于设定值A时，随着预紧力F的增大会线性增大；但在预紧力F大于设定值A时，即使预紧力F增大，刚性体的受压变形量H也保持不变，对装配变形的影响几乎为零；因此，在工程应用允许的最大预紧力范围内影响装配变形的零部件为变形体，通过选配一个或一个以上变形体来控制整个轴系产品的装配变形量；

第四步，总结预紧力F和变形量H的对应关系：将所有的零部件均安装在中心轴上，并将模拟套筒安装在中心轴的端部，并压紧在所有零部件组成的整体上；拉力机的加载端压紧在模拟套筒的端面上，并对模拟套筒施加沿其轴向的加载力B，所述加载力B用于模拟压紧螺母的预紧力F，所述所有零部件组成的整体在加载力B的作用下发生变形，所述所有零部件组成的整体的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力B，得到预紧力F(即加载力B)-变形量H对应的关系曲线；参见附图5，由关系曲线可知，预紧力F小于或等于设定值B时，变形量H为近似线性变化；在设定值B出现转折，之后变形量H较小；因此，可以判断在施加预紧力过程中，当预紧力F小于或等于设定值B时，变形量H随预紧力F变化为线性关系；当预紧力F大于设定值B后，所有零部件均可看做刚性体，产生的变形相对较小，可由各零部件在对应预紧力下的变形量累加计算得出；对所述预紧力F-变形量H对应的关系曲线进行拟合，得到

式中，a，b，c均为常数；

第五步，对公式(1)及公式(2)进行处理，建立压紧螺母的扭矩T—中心轴上的零部件整体的变形量H的对应关系拟合公式，如下：

第六步，根据第三步的找到的变形体及第五步中的扭矩T—中心轴上的零部件的变形量H的关系，通过调节扭矩T或更换变形体来控制出发动机轴系产品的装配变形量H。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，所述轴系产品包括：中心轴及套装在中心轴外部的两个以上零部件；

其特征在于，所述控制方法的具体步骤如下：

第一步，将轴系产品的中心轴安装在拉力机上后，将模拟套筒安装在中心轴上，并将载荷传感器安装在模拟套筒的端面，通过拉力机标定载荷传感器的误差；

第二步，将第一步中的轴系产品的中心轴、模拟套筒及载荷传感器组成的整体从拉力机上拆卸后，安装在螺纹紧固件试验分析系统上，然后将压紧螺母安装在中心轴的端部，并压紧在模拟套筒端面的载荷传感器上；通过扭矩T拧紧压紧螺母，进而对模拟套筒及其端面的载荷传感器施加预紧力F；所述扭矩T通过螺纹紧固件试验分析系统检测得到；所述预紧力F通过载荷传感器测量得到，载荷传感器将测量得到的数据发送给应力应变测试仪显示；通过调节扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线，并对所述扭矩T—预紧力F对应的关系曲线进行拟合，得到，

F＝kT，k为常数；公式(1)

根据扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可确定扭矩T的最大值及其对应的预紧力F的最大值，即工程应用允许的最大预紧力；

第三步，将第二步的轴系产品的中心轴从螺纹紧固件试验分析系统上拆卸后，再次安装在拉力机上，并将模拟套筒和压紧螺母拆除；对中心轴上的每个零部件分别进行压紧试验，找出在工程应用允许的最大预紧力的范围内轴系产品上影响装配变形的零部件，作为变形体；

第四步，将所有的零部件均安装在中心轴上，并将模拟套筒安装在中心轴的端部，并压紧在所有零部件组成的整体上；拉力机的加载端压紧在模拟套筒的端面上，并对模拟套筒施加沿其轴向的加载力B，所述加载力B用于模拟压紧螺母的预紧力F，即加载力B＝预紧力F；所述所有零部件组成的整体在加载力B的作用下发生变形，所述所有零部件组成的整体的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力B，得到预紧力F-变形量H对应的关系曲线；对所述预紧力F-变形量H对应的关系曲线进行拟合，得到

式中，a，b，c均为常数；

第五步，对公式(1)及公式(2)进行处理，建立压紧螺母的扭矩T—中心轴上的零部件整体的变形量H的对应关系拟合公式，如下：

第六步，根据第三步的找到的变形体及第五步中的扭矩T—中心轴上的零部件的变形量H的关系，通过调节扭矩T或更换变形体来控制出发动机轴系产品的装配变形量H。

2.如权利要求1所述的一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，其特征在于，在第一步中，标定载荷传感器的误差的具体步骤如下：

将轴系产品的中心轴安装在拉力机上后，将模拟套筒安装在中心轴上，并将载荷传感器安装在模拟套筒的端面；拉力机的加载端压紧在载荷传感器上，并对载荷传感器进行加载，通过拉力机提供的加载力的示值对载荷传感器进行标定；即对载荷传感器的示值与拉力机的示值进行对比，若两者之间的误差在±2％以内，则表示载荷传感器测量拉力机的加载力准确；若两者之间的误差不在±2％以内，则需要重新校核载荷传感器，直到两者之间的误差在±2％以内。

3.如权利要求1所述的一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，其特征在于，在第二步中，通过扭矩T拧紧压紧螺母到最大预紧力的方法有两种，第一种为：逐级均匀增加扭矩T，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；第二种为：一次施力到扭矩T最大值，得到扭矩T—预紧力F对应的关系曲线；对比两种方法的扭矩T—预紧力F对应的关系曲线可知，两个关系曲线完全相同；因此，扭矩T—预紧力F的对应关系与调节扭矩T的方式无关。

4.如权利要求1所述的一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，其特征在于，在第三步中，所述压紧试验的具体步骤为：

将一个零部件A安装在中心轴后，拉力机的加载端压紧在该零部件A的端面上，并对该零部件A施加沿其轴向的加载力A，所述加载力A用于模拟压紧螺母的预紧力F，即加载力A＝预紧力F，因此，所述拉力机提供的加载力A应小于或等于第二步得到的工程应用允许的最大预紧力；所述零部件A在加载力A的作用下发生变形，所述零部件A的变形量H通过拉力机行程变化测量得到；通过调节加载力A，得到预紧力F—变形量H对应的关系曲线。

5.如权利要求4所述的一种基于预紧力和扭矩关系的轴系产品装配变形的控制方法，其特征在于，在第三步中，找到变形体的具体步骤如下：

对所有零部件进行压紧试验后，最终得到两种类型的预紧力F—变形量H对应的关系曲线；一种类型为可拟合为直线的曲线；另一种为可拟合为有拐点的曲线，其中，可拟合为直线的曲线对应的零部件为变形体，变形体的受压变形量H随着预紧力F的增大会线性增大；有拐点的曲线对应的零部件为刚性体，刚性体的受压变形量H在预紧力F小于或等于设定值A时，随着预紧力F的增大会线性增大；但在预紧力F大于设定值A时，即使预紧力F增大，刚性体的受压变形量H也保持不变；因此，在工程应用允许的最大预紧力范围内影响装配变形的零部件为变形体，通过选配一个或一个以上变形体来控制整个轴系产品的装配变形量。

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