CN115826407B - 一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机转子装配领域，为一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，通过对鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差进行分类，并按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行初始不平衡量的控制，并进一步确定前修正面允许的初始不平衡量、后修正面允许的初始不平衡量；按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行许用剩余不平衡量的控制，并进一步得到前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量；最后对前后端形位公差进行控制，给出的控制标准更符合工程实际，在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的鼓筒轴旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

Description

一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法

技术领域

本申请属于航空发动机转子装配领域，特别涉及一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法。

背景技术

旋转惯性激励是航空发动机转子的主要激振源之一，旋转惯性激励的主要来源是转子工作中的不平衡量。转子平衡控制的目的是既要保证转子质心偏移所带来的离心力在规定范围之内，也要保证由于转子主惯性轴倾斜所带来的惯性力矩在规定范围之内。特别是航空发动机转子一般工作在超临界状态，质心偏移和主惯性轴倾斜在低转速和高转速所表现出的影响不同。鼓筒轴由于结构几何构型和尺寸限制，刚度相对较弱，在高转速工作中不可避免会发生弯曲变形。鼓筒轴连接压气机转子和涡轮转子，自身的惯性主轴倾斜以及对压气机转子和涡轮轮子的惯性主轴倾斜对整机振动有重要影响，因此在转子平衡过程中，需依据鼓筒轴旋转惯性激励控制方法对鼓筒轴进行检测和控制。

目前采用的鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法的缺点在于：

以往对鼓筒轴的不平衡量仅局限于采用低速动平衡对其剩余不平衡量进行控制，并未控制初始不平衡量。在进行动平衡时，以往仅控制质心偏移量来控制旋转惯性激励。因转子平衡转速远低于发动机实际工作转速，而控制质心偏移量只能控制工作于亚临界状态转子的旋转惯性激励，无法对工作于超临界状态的转子旋转惯性激励进行有效控制。若转子惯性主轴存在偏斜，则会发动机出现振动随转速提高而增大的现象。

因此，按目前的鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，无法起到通过装配工艺控制旋转惯性激励的作用，无法有效的改善航空发动机整机振动情况。

发明内容

本申请的目的是提供了一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，以解决现有的装配工艺难以对鼓筒轴旋转惯性激励进行有效控制。

本申请的技术方案是：一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，包括：判断鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差大小，对相位差大小进行分类，根据不同类别分别确定鼓筒轴初始不平衡量的影响因素，根据影响因素确定初始静不平衡量，并进一步确定前修正面的初始不平衡量、后修正面的初始不平衡量；根据初始不平衡量的相位差类别，分别对剩余不平衡量的不同平衡精度进行控制，保证剩余不平衡量前后修正相位与初始不平衡量相位相同或相差180°，得到许用剩余静不平衡量、前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量；获取前后端柱面的垂直度、前后端端面的平面度或前后端的同轴度，设置垂直度、平面度和同轴度阈值，判断垂直度、平面度和同轴度是否在设定的阈值范围内，若是，则完成设计。

优选地，所述鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位差分为三类，第一类为鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位相等，误差20°；第二类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位相反，即为相差180°，误差20°；第三类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量相位既不相等也不相反，当为第三类时，则重新进行装配。

优选地，当为第一类时，判定初始不平衡量影响因素为基准找正误差，初始静不平衡量U控制为：

前修正面的初始不平衡量控制为：

后修正面的初始不平衡量控制为：

式中，为鼓筒轴壁厚最小处的半径，d为找正误差，L为鼓筒轴的轴向长度，为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，/>为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离。

优选地，当为第二类时，判定初始不平衡量影响因素为基准找正误差、螺栓孔加工误差或铣花边误差，初始静不平衡量U控制为：

前修正面的初始不平衡量控制为：

后修正面的初始不平衡量控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，/>为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速。

优选地，当为第一类时，许用剩余静不平衡量控制为：

前修正面许用剩余不平衡量控制为：

后修正面许用剩余不平衡量控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，/>为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速。

优选地，当为第二类时，许用剩余静不平衡量控制为：

前修正面许用剩余不平衡量控制为：

后修正面许用剩余不平衡量控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，/>为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速。

优选地，所述垂直度阈值为，所述平面度阈值为/>，所述同轴度阈值为/>。

本申请的一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，通过对鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差进行分类，并按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行初始不平衡量的控制，并进一步确定前修正面允许的初始不平衡量、后修正面允许的初始不平衡量；按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行许用剩余不平衡量的控制，并进一步得到前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量；最后对前后端形位公差进行控制，以控制鼓筒轴的质量分布、同轴度等特性，与现有的只控制质心偏移量的控制方法相比，给出的控制标准更符合工程实际，在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的鼓筒轴旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请整体流程示意图；

图2为本申请鼓筒轴结构示意图；

图3A为本申请鼓筒轴同轴度较高时的加工结构示意图；图3B为鼓筒轴同轴度较低时的加工结构示意图；

图4为本申请鼓筒轴结构尺寸示意图。

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。

一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，影响鼓筒轴工作中旋转惯性激励的关键因素包括初始不平衡量及相位差、剩余不平衡量及相位差和同轴度前后端形位公差，本申请分别对上述几项参数进行控制。

如图1所示，包括：

步骤S100，初始不平衡量控制

压气机后轴颈主要加工工艺为车加工，如图2所示，加工工序为先车后内径，随后根据内环基准车加工外径。在加工外径前找内整环基准时，可能会因为工装安装等使内/外环出现不同心的现象，进而造成压气机后轴颈壁厚轴向不均匀，如图3A-B所示，其中，r为鼓筒轴壁厚最小处的半径，R为鼓筒轴壁厚最大处的半径、0为鼓筒轴壁厚最大处的圆心，O’为鼓筒轴半径最小处的圆心。

由加工时基准找正误差引气的质量不均匀相位近似相等，因此结合前后端相位制定了初始不平衡量控制标准，具体的控制方法为：

判断鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差大小，对相位差大小进行分类，根据不同类别分别确定鼓筒轴初始不平衡量的影响因素，根据影响因素确定初始静不平衡量，并进一步确定前修正面的初始不平衡量、后修正面的初始不平衡量。

优选地，将鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位差分为三类：

1、第一类为鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位相等，误差20°，可以认为初始不平衡量完全由加工时误差基准找正误差引起，允许找正误差为d（um）（壁厚最大处H（um）与最小处h（um）差值为e（um），即），对应初始静不平衡量为U（g·mm），按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面的初始不平衡量/>为（g·mm），后修正面的初始不平衡量/>为（g·mm），如图4所示，则：

式中，r为鼓筒轴壁厚最小处的半径，d为找正误差，L为鼓筒轴的轴向长度，为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，/>为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，B为鼓筒轴的径向长度。

2、第二类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位相反，即为相差180°，误差20°，此时主惯性轴与旋转中心处于同一平面内，但初始不平衡量来源无法判定是由加工基准找正误差、螺栓孔加工误差或铣花边误差造成，因此需按照平衡品质级别G40进行控制，对应允许的初始静不平衡量为U，按照质心到修正面的距离进行近似分配，得到前修正面允许的初始静不平衡量为，后修正面允许的初始静不平衡量为/>，得到：

式中，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速。

3、第三类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量相位既不相等也不相反，该种情况下无法调节有效调节初始不平衡量，也就难以调节周向不均匀问题，因此当为第三类时，则重新进行装配，并再次进行测量，直至相位差属于第一类或第二类范围内，并按照第一类或第二类的要求进行装配。

通过对初始不平衡量进行控制，保证在加工外径前找正内环基准时，两者的基准能够尽可能的重合，保证不会因为工装安装等原因使内外环出现不同心的现象，进而保证压气机后轴颈壁厚的轴向均匀性，为后续的进一步装配提供了保障。

鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位相同或相反两种情况下，鼓筒轴的质量分布不相同，因此需要采用不同的平衡品质级别进行控制，当相位相反时，要求的平衡品质级别更高。

步骤S200，剩余不平衡量控制

根据初始不平衡量要求，仅允许前后修正面相位相等或相差180°（误差20°）的情况，结合上述两种的初始不平衡量相位差提出剩余不平衡量要求。

根据初始不平衡量的相位差类别，分别对剩余不平衡量的不同平衡精度进行控制，保证剩余不平衡量前后修正相位与初始不平衡量相位相同或相差180°，得到许用剩余静不平衡量、前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量，具体为：

1、当为第一类时，则要求剩余不平衡量前后修正面相位相等（误差20°），平衡精度等级G40，对应许用剩余静不平衡量为（g·mm），前修正面许用剩余不平衡量为/>（g·mm），后修正面许用剩余不平衡量为/>（g·mm），得到：

2、当为第二类时，则要求剩余不平衡量前后相位相等或相差180°（误差20°），平衡精度等级G6.3，对应许用剩余静不平衡量为（g·mm），前修正面许用剩余不平衡为/>（g·mm），后修正面许用剩余不平衡为/>（g·mm），得到：

由于对鼓筒轴的初始静不平衡量按照相位的不同采用了不同的平衡精度级别进行控制，这样在压气机后轴颈平衡精度较高的基础上进行剩余不平衡量控制，保证鼓筒轴的安装精度，由于初始不平衡量控制时需要采用不同的控制标准，因此剩余不平衡量同样需要采用不同的控制标准进行控制。

步骤S300，前后端形位公差控制

获取前后端柱面的垂直度、前后端端面的平面度或前后端的同轴度，设置垂直度、平面度和同轴度阈值，判断垂直度、平面度和同轴度是否在设定的阈值范围内，若是，则完成设计。

前/后端面柱面与端面的垂直度影响鼓筒轴与前/后转子件的同轴度，进而影响整个转子的质量分布，通过对垂直度进行控制，保证转子件的同轴度与整个转子的质量分布满足设计要求，垂直度阈值控制为。

前/后端端面平面度影响鼓筒轴与前/后转子件的连接稳定性，若连接稳定性差，转子在高转速工作时连接结构会产生损失及位移，进而产生附加不平衡量，引起附加不平衡激励，为了避免产生附加不平衡量和附加不平衡激励，对平面度进行控制，设置平面度阈值为。

前段与后端的同轴度可以近似反映加工轴线与基准的倾斜误差，影响鼓筒轴的质量分布，为了保证鼓筒轴的质量分布满足设计要求，同轴度阈值控制为。

本申请通过对鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差进行分类，并按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行初始不平衡量的控制，并进一步确定前修正面允许的初始不平衡量、后修正面允许的初始不平衡量；按照不同的类别分别采用不同的平衡品质级别进行许用剩余不平衡量的控制，并进一步得到前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量；最后对前后端形位公差进行控制，以控制鼓筒轴的质量分布、同轴度等特性，与现有的只控制质心偏移量的控制方法相比，给出的控制标准更符合工程实际，在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的鼓筒轴旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

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 (2)

1.一种减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，包括：

判断鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位差大小，对相位差大小进行分类，根据不同类别分别确定鼓筒轴初始不平衡量的影响因素，根据影响因素确定允许的初始静不平衡量，并进一步确定前修正面允许的初始不平衡量、后修正面允许的初始不平衡量；

根据初始不平衡量的相位差类别，分别对剩余不平衡量的不同平衡精度进行控制，保证剩余不平衡量前后修正相位与初始不平衡量相位相同或相差180°，得到许用剩余静不平衡量、前修正面许用剩余不平衡量和后修正面许用剩余不平衡量；

获取前后端柱面的垂直度、前后端端面的平面度或前后端的同轴度，设置垂直度、平面度和同轴度阈值，判断垂直度、平面度和同轴度是否在设定的阈值范围内，若是，则完成设计；

所述鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位差分为三类，第一类为鼓筒轴前后端初始不平衡量的相位相等，误差20°；第二类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量的相位相反，即为相差180°，误差20°；第三类为鼓筒轴前后端的初始不平衡量相位既不相等也不相反，当为第三类时，则重新进行装配；

当为第一类时，判定初始不平衡量影响因素为基准找正误差，初始静不平衡量U控制为：

U＝∫r²2ddL

前修正面的初始不平衡量U_A控制为：

后修正面的初始不平衡量U_B控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，L_A为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，L_B为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离；

当为第二类时，判定初始不平衡量影响因素为基准找正误差、螺栓孔加工误差或铣花边误差，初始静不平衡量U控制为：

前修正面的初始不平衡量U_A控制为：

后修正面的初始不平衡量U_B控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，L_A为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，L_B为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速；

当为第一类时，许用剩余静不平衡量U′控制为：

前修正面许用剩余不平衡量U′_A控制为：

后修正面许用剩余不平衡量U′_B控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，L_A为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，L_B为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速；

当为第二类时，许用静不平衡量U′控制为：

前修正面许用剩余不平衡量U′_A控制为：

后修正面许用剩余不平衡量U′_B控制为：

式中，L为鼓筒轴的轴向长度，L_A为前修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，L_B为后修正面至鼓筒轴质心的轴向距离，m为鼓筒轴质量，Ω为工作转速。

2.如权利要求1所述的减小鼓筒轴旋转惯性激励的控制方法，其特征在于：所述垂直度阈值为≤0.02mm，所述平面度阈值为≤0.01mm，所述同轴度阈值为≤0.03mm。