航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度的測(cè)量與調(diào)整

王曉梅，張春青

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

振動(dòng)是導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)返廠排故及修后無法正常交付出廠的常見故障，幾乎在所有型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上都發(fā)生過，并且發(fā)生于其整個(gè)使用過程中，是長(zhǎng)期制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要故障之一[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩、轉(zhuǎn)子不平衡量過大以及支承軸承松動(dòng)等都是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)誘發(fā)因素，其中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度不合格而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)靜子碰摩而發(fā)生振動(dòng)故障，約占發(fā)動(dòng)機(jī)故障總數(shù)的60%。引起發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度不合格因素非常多，發(fā)動(dòng)機(jī)工況復(fù)雜及機(jī)件磨損是主要影響因素，但轉(zhuǎn)靜子間裝配間隙過小、機(jī)件裝配過程中清理不仔細(xì)、甚至不同操作者測(cè)量手法、讀表誤差等外在因素也是誘發(fā)機(jī)匣同軸度不合格的客觀原因。

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度不合格的調(diào)整及修復(fù)技術(shù)開展論證研究工作，制定控制措施，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度由支點(diǎn)同軸度和靜子機(jī)匣同軸度2大部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)同軸度又分3段保證，即低壓渦輪后支點(diǎn)相對(duì)高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度、中介機(jī)匣小同心度及低壓前支點(diǎn)相對(duì)低壓后支點(diǎn)的壓氣機(jī)靜子組件支點(diǎn)跳動(dòng)。

以位于渦輪支承組件內(nèi)的低壓渦輪后支點(diǎn)對(duì)中介機(jī)匣組件內(nèi)的高壓前支點(diǎn)的跳動(dòng)為例，闡述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度的檢測(cè)機(jī)理[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度測(cè)量表面如圖1所示。該檢測(cè)通過測(cè)量手段，調(diào)整和控制低壓渦輪后支點(diǎn)軸承安裝座內(nèi)表面M 中心相對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)軸承安裝座內(nèi)表面O 的中心偏移；調(diào)整和控制低壓渦輪導(dǎo)向器蜂窩插件表面和封嚴(yán)篦齒表面N2、N4、高壓渦輪導(dǎo)向器嵌入件表面和漩流器凸峰表面N1、N3及偏心環(huán)密封蓋封嚴(yán)篦齒表面Ф1相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)理論中軸線的相對(duì)跳動(dòng)量。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度測(cè)量表面

2 同軸度測(cè)量原理

某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度是以中介機(jī)匣為基準(zhǔn)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，依次將高壓靜子組件、9級(jí)整流器、帶偏心環(huán)密封蓋及高壓渦輪導(dǎo)向器的換熱器機(jī)匣組件、低壓渦輪導(dǎo)向器和渦輪支承組件依次逐級(jí)豎直地安裝在測(cè)量夾具上，分別擰緊固定后，周向均布8點(diǎn)測(cè)量M、N2、N4、N1、N3及Ф1表面跳動(dòng)值。

同軸度測(cè)量原理如圖2所示。中介機(jī)匣內(nèi)中心點(diǎn)O 與渦輪支承內(nèi)中心點(diǎn)M 所形成軸線即為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際中軸線，保證M 與O 的同心度即可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度的要求。以中介機(jī)匣O 面為基準(zhǔn)（測(cè)具基準(zhǔn)），根據(jù)各測(cè)量面在中軸線方向上距O、M 支點(diǎn)的距離，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際中軸線進(jìn)行理論劃分。實(shí)測(cè)要求渦輪支承軸承座M 面跳動(dòng)相對(duì)基準(zhǔn)O 的中心偏移量不大于0.2mm；N2、N4的偏心量以M 點(diǎn)為中心，偏移不大于0.2mm；N1、N3的偏心量以O(shè) 到M 距離的80%為中心，偏移不大于0.2mm?？紤]轉(zhuǎn)子下沉等諸多因素影響，偏心環(huán)Ф1的中心點(diǎn)位于中心軸向上距離點(diǎn)O 的距離約為O 到M 點(diǎn)距離的46%左右，Ф1的偏心量以M 點(diǎn)實(shí)際偏移量的46%為中心，且該截面的實(shí)際中心位于發(fā)動(dòng)機(jī)軸線基礎(chǔ)上再下移0.2±0.05 mm，且偏移不大于0.15 mm范圍內(nèi)。

圖2 同軸度測(cè)量原理

3 同軸度測(cè)量分析

在專用測(cè)具上，分別以機(jī)匣各測(cè)量面的理論裝配上刻線對(duì)表確定測(cè)量零點(diǎn)，依次測(cè)得各表面的8點(diǎn)實(shí)際跳動(dòng)值，其中1、3、5、7點(diǎn)的坐標(biāo)值確定點(diǎn)在空間XY 坐標(biāo)系下的1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，2、4、6、8點(diǎn)坐標(biāo)值確定理論空間與XY 坐標(biāo)系相差45°的同原心坐標(biāo)系X1Y1下的另1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。以1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)為例：實(shí)測(cè)渦輪支承M 面1、3、5、7點(diǎn)跳動(dòng)值為0.06、0.35、0.16、0.26，對(duì)1、5點(diǎn)，3、7點(diǎn)數(shù)據(jù)分別取差值除以2計(jì)算出點(diǎn)的具體位置數(shù)值，該點(diǎn)空間方向則偏向數(shù)據(jù)大的一側(cè)，即M 點(diǎn)在Y 軸上的偏移量為（0.16-0.06）/2=0.05 mm，方向偏下（5點(diǎn)方向）；在X 軸上的偏移量為（0.35-0.26）/2=0.045mm，方向偏左（3點(diǎn)方向）。由這2個(gè)數(shù)值得到XY 坐標(biāo)系下的1個(gè)點(diǎn)A。同理，由2、4、6、8點(diǎn)的跳動(dòng)值可計(jì)算出X1Y1坐標(biāo)系下的另1個(gè)點(diǎn)B。在空間平面內(nèi)，2個(gè)相差45°的同原心坐標(biāo)系上，連接2個(gè)點(diǎn)A、B，取A、B2點(diǎn)連線中點(diǎn)即為M面的實(shí)測(cè)中心，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，渦輪支承軸承安裝座中心位置如圖3所示。從圖中可見，M 面實(shí)測(cè)中心到基準(zhǔn)中心O 距離不大于0.2mm，且AB 線段不長(zhǎng)于0.04mm。

按組件裝配順序依次倒序分解，分下渦輪支承組件，測(cè)量N2、N4表面相對(duì)跳動(dòng)量；分下低壓渦輪導(dǎo)向器組件，測(cè)量N1、N3表面及Ф1表面的相對(duì)跳動(dòng)量，分別計(jì)算空間點(diǎn)坐標(biāo)值，確定各表面的偏移量。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，N2、N4面中心位置如圖4所示。從圖中可見，N2、N4的實(shí)測(cè)中心相對(duì)M 面實(shí)測(cè)中心偏移不大于0.2mm。N1、N3面中心位置如圖5所示。從圖中可見，N1、N3的實(shí)測(cè)中心相對(duì)C點(diǎn)偏移不大于0.2mm。并且，N1、N2線長(zhǎng)不超過0.15mm，N3線長(zhǎng)不超過0.08 mm，N4線長(zhǎng)不超過0.13mm。

圖3 渦輪支承軸承安裝座中心位置

圖4 N2、N4面中心位置

裝0組偏心環(huán)時(shí)Φ 面中心偏移量位置如圖6所示。從圖中可見，偏心環(huán)的裝配首先選取“0組”偏心環(huán)以確定Ф1表面中心點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)圖紙要求Ф1面實(shí)測(cè)中心相對(duì)D 點(diǎn)的偏移不大于0.15mm，且線長(zhǎng)不超過0.08mm。

合格的偏心環(huán)Ф1面中心偏移量位置如圖7所示。從圖中可見，考慮轉(zhuǎn)子下沉因素，對(duì)于偏移量不合格的偏心環(huán)通過調(diào)整偏心環(huán)上定位孔裝配位置和更換偏心環(huán)組別的方法，保證Ф1面實(shí)測(cè)中心在豎直方向上比D 點(diǎn)低0.2±0.05mm，水平方向偏移不超過0.15 mm，且線長(zhǎng)不超過0.08mm。

圖6 裝O組偏心環(huán)時(shí)Φ 面中心偏移量位置

圖7 合格的偏心環(huán)Ф1面中心偏移量位置

4 同軸度不合格常見故障排除

4.1 機(jī)匣同軸度不合格常見故障

（1）M 點(diǎn)中心不在規(guī)定范圍內(nèi)；

（2）表面N1、N2、N3、N4和Ф1線長(zhǎng)超出規(guī)定值；

（3）表面N1、N2、N3、N4和Ф1點(diǎn)的中心不在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.2 人為因素誤差排除

以上3種常見故障排除首先考慮各大組件間的裝配誤差，排除各安裝邊間裝配間隙和緊固螺釘?shù)臄Q緊力不均衡等問題[3]。具體操作步驟：卸開機(jī)匣安裝邊之間的連接緊固螺釘，機(jī)匣殼體各結(jié)合安裝邊應(yīng)清潔，無劃痕、壓傷及任何機(jī)械損傷，故障排除后重新裝配進(jìn)行機(jī)匣同軸度檢查[4]。

4.3 表面N1、N2、N3、N4及Ф1線長(zhǎng)故障排除

排除人為因素導(dǎo)致的誤差，針對(duì)各測(cè)量表面線超長(zhǎng)故障，通過機(jī)械方法修磨對(duì)應(yīng)機(jī)匣耐磨層的磨損表面，在設(shè)計(jì)圖紙要求范圍內(nèi)，調(diào)整相應(yīng)測(cè)量表面的跳動(dòng)值來調(diào)整各表面的線長(zhǎng)，保證同軸度檢測(cè)精度要求[5]。

4.4 表面Ф1中心點(diǎn)超出故障排除

偏心環(huán)結(jié)構(gòu)如圖8所示。從圖中可見，偏心環(huán)分5個(gè)組別，其中0組偏心環(huán)只有1個(gè)定位孔（第5孔），其余組別的偏心環(huán)有9個(gè)定位孔，每個(gè)定位孔組別間的偏心量變化都有一定規(guī)律。每組偏心環(huán)的第5孔為基準(zhǔn)孔，0組偏心環(huán)無偏心量，其余4組偏心環(huán)之間相差0.1mm，且同一組別的偏心環(huán)選擇不同定位孔均可輕微改變Ф1點(diǎn)中心位置，這樣針對(duì)Ф1點(diǎn)中心不在規(guī)定范圍內(nèi)故障，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心環(huán)變換定位孔裝配位置或更換偏心環(huán)組別可調(diào)整Ф1點(diǎn)的中心位置，保證同軸度精度要求。

圖8 偏心環(huán)結(jié)構(gòu)

5 同軸度不合格深度修理

針對(duì)M 點(diǎn)中心不在技術(shù)要求范圍內(nèi)；表面N1、N2、N3、N4中心點(diǎn)不在規(guī)定范圍內(nèi)，且各測(cè)量面中心點(diǎn)呈現(xiàn)偏向一側(cè)或散亂分布等復(fù)雜情形時(shí)，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際狀態(tài)，分析機(jī)匣組件各表面中心點(diǎn)的位置變換關(guān)系，制定進(jìn)一步深度修理方案。

5.1 位移鉸孔

針對(duì)M 點(diǎn)中心不在規(guī)定范圍內(nèi)，表面N1、N3、N2、N4中心點(diǎn)偏移方向基本與M 點(diǎn)偏移一致時(shí)，采取位移鉸孔方法修復(fù)故障效果最好[6]。通過施加外力，使空空換熱器機(jī)匣與燃燒室機(jī)匣結(jié)合安裝邊處產(chǎn)生輕微位移，將安裝邊上精密螺栓孔重新組合鉸孔擴(kuò)大，換裝加大組別的精密螺栓固定。精密螺栓孔變化和非精密螺栓孔變化分別如圖9、10所示。精密定位螺栓分6個(gè)組別，每組相差0.1mm，根據(jù)實(shí)際裝配情況，機(jī)匣安裝邊孔徑允許最大到Φ6.7。

圖9 精密螺栓孔變化

圖10 非精密螺栓孔變化

采取移動(dòng)空空換熱器機(jī)匣調(diào)整M 面中心點(diǎn)的方法，對(duì)低壓渦輪導(dǎo)向器N2和N4面中心點(diǎn)的偏移量變化影響較大，而高壓渦輪導(dǎo)向器N1和N3中心相對(duì)變化很?。ú怀^0.1mm），偏心環(huán)Ф1面的中心點(diǎn)基本不會(huì)改變。

5.2 鉸非定位螺栓孔

鉸非定位螺栓孔的修理方法僅在空空換熱器機(jī)匣安裝邊上的精密螺栓定位孔已達(dá)到最大組別，且采用其他修理工藝無法保證機(jī)匣同軸度技術(shù)要求前提下實(shí)施的1種深度修理工藝。具體操作方法與機(jī)匣位移鉸孔實(shí)施方案基本一致，判斷出機(jī)匣位移方向后，取空空換熱器機(jī)匣安裝邊上圓周均布的18個(gè)非精密螺栓孔，將孔徑由原Φ6.5擴(kuò)鉸到Φ6.7，使其成為精密定位螺栓孔。

此種修理方案有風(fēng)險(xiǎn)，但是針對(duì)延壽發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度不合格修理方法的補(bǔ)充，此方法的應(yīng)用大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本。

5.3 車加工中介機(jī)匣安裝邊端面

針對(duì)機(jī)匣同軸度的各測(cè)量面中心點(diǎn)散亂分布并且M 點(diǎn)偏離過大，無法通過位移鉸孔修復(fù)故障時(shí)，對(duì)高壓靜子后機(jī)匣安裝邊端面、中介機(jī)匣安裝邊端面進(jìn)行針對(duì)性的跳動(dòng)及尺寸檢查，準(zhǔn)確記錄各安裝邊圓周8點(diǎn)跳動(dòng)值，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析各測(cè)量面中心點(diǎn)的變化及分布規(guī)律，在保證安裝邊最小壁厚2.88mm條件下，對(duì)中介機(jī)匣安裝邊端面進(jìn)行局部車加工，加工后允許安裝邊局部保留有沒加工到的痕跡。此種修理方案是迫使發(fā)動(dòng)機(jī)后部機(jī)匣組件裝配后產(chǎn)生輕微傾斜，進(jìn)而迫使渦輪支承的軸承座中心M 點(diǎn)與各測(cè)量面中心點(diǎn)集中產(chǎn)生位移，再通過輔助調(diào)整措施滿足機(jī)匣同軸度檢測(cè)技術(shù)要求。

中介機(jī)匣安裝邊的去除量非常有限，采用此修理方案滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度檢測(cè)要求風(fēng)險(xiǎn)大，在充分分析和論證條件下，按此方案修理合格的高壽發(fā)動(dòng)機(jī)出廠使用效果良好。

6 測(cè)量設(shè)備改進(jìn)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度的早期測(cè)具是手動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，皮帶傳動(dòng)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，人工記錄并繪制測(cè)量面中心點(diǎn)位置圖。由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣組件立式放置，測(cè)量位置相對(duì)較高，測(cè)量工作至少需2人配合共同完成。在測(cè)量過程中，人工搖轉(zhuǎn)搖臂旋轉(zhuǎn)軸存在轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻、測(cè)量點(diǎn)控制不準(zhǔn)確、被測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定問題；測(cè)量數(shù)據(jù)人工抄錄計(jì)算，手動(dòng)制表易出現(xiàn)人為低級(jí)的綜合性誤差，影響發(fā)動(dòng)機(jī)同軸度故障判定及修復(fù)的準(zhǔn)確率。新結(jié)構(gòu)同軸度測(cè)具底座如圖11所示，從圖中可見，在原工裝基礎(chǔ)上將電機(jī)與搖臂轉(zhuǎn)軸相連，電機(jī)的另一端則連在由電腦控制的主機(jī)上，通過專用控制軟件，接通電源，測(cè)量軸按專用程序均勻轉(zhuǎn)動(dòng)；測(cè)量表?xiàng)U裝上數(shù)顯指示表與電腦相連，測(cè)量頭直接伸到預(yù)測(cè)量位置，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直接記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并同步繪出被測(cè)量面中心點(diǎn)位置圖。

采用電動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)測(cè)具測(cè)量方案，1人便可操作整個(gè)測(cè)量過程，省時(shí)省力，測(cè)量準(zhǔn)確，出圖準(zhǔn)確率高，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)同軸度測(cè)量及同軸度不合格的判斷及修復(fù)周期。

圖11 新結(jié)構(gòu)同軸度測(cè)具底座

7 總結(jié)

（1）造成機(jī)匣同軸度不合格的因素很多，人為因素引起的約占故障總數(shù)的70%～80%。利用新結(jié)構(gòu)電動(dòng)測(cè)具測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度，排除人為干擾因素，提高檢測(cè)精度，大大縮短同軸度測(cè)量和故障判定修復(fù)周期。

（2）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣同軸度不合格故障，更換偏心環(huán)、機(jī)匣位移鉸孔排故方案各有利弊。通過故障特征分析確定排故方案，有效地保證了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量。

（3）在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中增加上述控制措施，可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)試車合格率。

（4）車加工機(jī)匣安裝邊修復(fù)工藝屬于破壞性技術(shù)修復(fù)，風(fēng)險(xiǎn)性大，僅可用于延壽和高壽發(fā)動(dòng)機(jī)同軸度不合格的試驗(yàn)修復(fù)。

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