航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配工藝仿真與預(yù)測研究*

陳 凱 唐湘林 葉 飛 李 軍 鄧升平 王 鵬 寧 勇

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司；2.陸裝駐株洲地區(qū)航空軍事代表室；3.中國人民解放軍陸軍61902部隊(duì)；4.航威渦輪技術(shù)無錫有限公司）

0 引言

隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性等要求的不斷提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造部門一直在開展新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的改進(jìn)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配技術(shù)提出了更多更新的挑戰(zhàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零件在制造過程中的跳動(dòng)、偏心和傾斜等偏差是不可避免的，如果轉(zhuǎn)子裝配不當(dāng)、平衡欠缺等會(huì)導(dǎo)致上述偏差累積成倍增大[1]。在各種載荷及裝配誤差的共同作用下，整個(gè)轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)偏擺和傾斜，出現(xiàn)整機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問題[2]。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問題的普遍性，面向服役過程中也經(jīng)常出現(xiàn)喘振、磨損、提前失效、EGT裕度衰減等，影響因素眾多，排除難度較大[3]。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裝配性能包括裝配精度、不平衡量、連接剛度等方面，是直接影響整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)特征和性能的關(guān)鍵指標(biāo)。裝配工藝仿真技術(shù)是指利用工藝要素模型和仿真技術(shù)，實(shí)時(shí)的模擬和預(yù)測裝配精度、不平衡量等裝配性能的變化規(guī)律。

近年來，隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件裝配技術(shù)得到了迅速提高[5]，國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造在數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)[6-7]、數(shù)字化測量[8-9]以及數(shù)字化預(yù)裝配[10-11]等方面均取得了突破。如陳雪峰等[12]采用振動(dòng)傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)獲得多載波耦合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的脈沖響應(yīng)信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)子裝配導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)行為開展了研究。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子拉桿結(jié)構(gòu)，張子陽等[13]根據(jù)能量方程推導(dǎo)出HHT(Hilbert-Huang Transform)非線性阻尼識(shí)別公式，提出了基于非線性阻尼的裝配檢測方法。基于Powell算法，曹茂國[14]對(duì)轉(zhuǎn)子各級(jí)盤的安裝位置進(jìn)行了工藝裝配優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減小了作用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸上的力和力矩。Macmillan[15]利用各子測試系統(tǒng)得到轉(zhuǎn)子不同位置的應(yīng)力信號(hào)，分析了轉(zhuǎn)子的容損參數(shù)分析公差對(duì)裝配質(zhì)量的影響規(guī)律。在仿真技術(shù)方法方面，Yang[16]通過齊次坐標(biāo)變換的方法建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子誤差傳遞的分析模型，基于該模型優(yōu)化零件的裝配相位以使整體裝配的幾何同軸度滿足要求。單福平[17]建立了包含尺寸和形位公差的剛性裝配模型，以同軸度為目標(biāo)，對(duì)零件安裝角度進(jìn)行了優(yōu)化。劉君等[18]通過矢量堆疊方法預(yù)測轉(zhuǎn)子不同心誤差，并以慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系建立不同心度與不平衡量之間的關(guān)系。

在實(shí)際裝配過程中，裝配變形與制造誤差非線性耦合在一起，服役環(huán)境下的多物理場作用也會(huì)顯著改變連接特性。因此，為有效改善轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性，探索、構(gòu)建轉(zhuǎn)子裝配過程數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)）模型，并對(duì)裝配性能進(jìn)行仿真和預(yù)測變得十分必要。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)裝配技術(shù)

轉(zhuǎn)子裝配是航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中的重要環(huán)節(jié)，其裝配精度的控制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造與維修的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常轉(zhuǎn)子裝配工藝方法有兩種：

方法一：高、低點(diǎn)錯(cuò)位裝配法。

1908年三菱開發(fā)的用于發(fā)電渦輪機(jī)組的“試錯(cuò)”方法。轉(zhuǎn)子間通過相互消除每級(jí)盤的高點(diǎn)來滿足可允許跳動(dòng)范圍的裝配方法。這種裝配方法通常會(huì)造成相對(duì)的彎弓型轉(zhuǎn)子裝配，導(dǎo)致較大的初始不平衡量，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的初彎問題。此外，轉(zhuǎn)子與軸和轉(zhuǎn)子之間的相互配合、軸承的裝配、葉片的分配完全取決于裝配人員，裝配工藝不具有重復(fù)性。含有彎曲的核心機(jī)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的快速衰減。

該方法試圖通過相鄰盤的高點(diǎn)對(duì)調(diào)180°來消除由于質(zhì)量分布不平衡所造成的單個(gè)盤的不平衡量，沒有考慮盤的中心線，完全取決于裝配人員的技巧，是典型的試錯(cuò)方法。其裝配過程通常是多次嘗試，直到“幸運(yùn)地”把轉(zhuǎn)子堆疊到跳動(dòng)極限內(nèi)。因此，其裝配過程是不可重復(fù)的。

方法二：軸承到軸承投影裝配法。

軸承對(duì)軸承的裝配方法是把轉(zhuǎn)子組件中的每級(jí)盤作為獨(dú)立單個(gè)部件，然后基于轉(zhuǎn)子端部軸頸的中心線來調(diào)整這個(gè)單級(jí)盤的方向。在建立堆疊模型的過程中，它從離每級(jí)盤“很遠(yuǎn)”的地方對(duì)中心線進(jìn)行投影，而不考慮每級(jí)盤的實(shí)際中心線的位置，這就會(huì)導(dǎo)致盤的中心線遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的實(shí)際中心線，離軸頸位置越遠(yuǎn)，就越會(huì)導(dǎo)致彎弓型轉(zhuǎn)子裝配。對(duì)已裝配盤轉(zhuǎn)子的不平衡，通過堆疊中的相鄰盤的的位移來消除不平衡量，這種裝配機(jī)制是錯(cuò)誤的，轉(zhuǎn)子堆疊裝配就是彎弓型的，不可重復(fù)的。

圖1 轉(zhuǎn)子裝配成型示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor assembly and forming

這種方法類似于一種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子手動(dòng)裝配工藝，將發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)程序、工具與電子儀表、轉(zhuǎn)子堆疊軟件結(jié)合在一起使用。往往造成轉(zhuǎn)子的初始彎曲。因?yàn)槠潆娮訙y量儀表為2D測量，且測量精度約為±0.000 5英寸（±12.7μm），無論部件是否適合，其轉(zhuǎn)子是基于裝配手冊(cè)所規(guī)定的最大跳動(dòng)極限來進(jìn)行裝配，沒有考慮到部件的適用性。這種裝配工藝也是不可重復(fù)的，所有的修正措施都是在裝配完成之后進(jìn)行的。

近年來，國外GE、羅羅、普惠等三大標(biāo)桿企業(yè)廣泛應(yīng)用高壓轉(zhuǎn)子堆疊優(yōu)化設(shè)備，使裝配精度和效率明顯提升，更為關(guān)鍵的是可以實(shí)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)子零件實(shí)測的幾何跳動(dòng)數(shù)據(jù)，預(yù)測各級(jí)轉(zhuǎn)子間的最優(yōu)安裝相位，大大優(yōu)化了轉(zhuǎn)子組件的幾何特征參數(shù)[19]。

針對(duì)第一代堆疊優(yōu)化軟件，如TAYLOR HOBSON和RPI公司開發(fā)的通用型SPS和IMAP堆疊優(yōu)化裝配軟件，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)應(yīng)用并不普及，只有部分主機(jī)廠所應(yīng)用[20]。然而，有關(guān)第一代堆疊優(yōu)化軟件，由于其數(shù)據(jù)采集量小，堆疊模型形成機(jī)理與實(shí)際裝配偏差，少數(shù)主機(jī)廠所的應(yīng)用效果一般，只是用于提高裝配組件的同心度合格率，沒有達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，更沒有形成涵蓋幾何和不平衡指標(biāo)的雙目標(biāo)綜合優(yōu)化。特別是在零件加工偏差較大或在復(fù)雜跳動(dòng)情況下，還要依賴人工經(jīng)驗(yàn)決策[21]。

圖2 國外轉(zhuǎn)子裝配仿真預(yù)測系統(tǒng)Fig.2 Rotor assembly simulation and prediction system

針對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子高精度裝配需求，美國AXIAM 公司開發(fā)的新一代定制型高性能“超級(jí)堆疊”軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)軸系轉(zhuǎn)子零件裝配約束變形的量化預(yù)測，其所提供的轉(zhuǎn)子堆疊工藝方法基于轉(zhuǎn)子實(shí)際回轉(zhuǎn)中心線進(jìn)行優(yōu)化裝配、對(duì)中和平衡，保證一次裝配完成。將裝配預(yù)測模型軟件，并將其集成于精密轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備，形成第二代轉(zhuǎn)子裝配平臺(tái)系統(tǒng)，在全球58個(gè)客戶和62個(gè)不同發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)開發(fā)了裝配工藝，分別建立了CFM56，V2500，RB211，T700系列及F110，F(xiàn)118，F(xiàn)135，索拉燃?xì)廨啓C(jī)等不同型號(hào)和不同連接結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配方案，并且取得了美國聯(lián)邦航空局，歐洲聯(lián)邦航空局和中國民航總局的適航批準(zhǔn)，實(shí)際使用效果顯著。目前，“超級(jí)堆疊”軟件在國內(nèi)的北京飛機(jī)維修工程公司、上海普惠、四川國際、廈門新宇航等民航維修公司投入使用，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司與航威渦輪技術(shù)無錫有限公司正在中國航發(fā)集團(tuán)內(nèi)首次開展應(yīng)用推廣技術(shù)合作研究。

目前，國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配過程中，主要依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)以及千分表測試反復(fù)進(jìn)行試錯(cuò)調(diào)整，進(jìn)而保證新增加零件的組件能夠滿足同軸度的閾值條件，然后繼續(xù)下一零件的安裝[4]。這種千分表人工手動(dòng)測試方法耗時(shí)耗力，同時(shí)返工的可能性很大，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)子安裝效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，千分表人工手動(dòng)測試方法完成一次合格的轉(zhuǎn)子裝配需要多天且大多數(shù)經(jīng)歷4～5次拆裝，由于安裝需要對(duì)零件反復(fù)進(jìn)行熱加工和冷加工，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零件的可靠性影響很大。

在國內(nèi)，多家航發(fā)單位和院校的裝配技術(shù)人員都開發(fā)了簡易化堆疊模型或軟件，然而堆疊原理簡單、技術(shù)驗(yàn)證不充分、精度沒有得到確認(rèn)、模型修正工作非常欠缺。總體上看，國內(nèi)堆疊優(yōu)化技術(shù)水平非常落后，行業(yè)內(nèi)少數(shù)單位自主開發(fā)的堆疊優(yōu)化軟件剛剛起步，主要特征是：絕大多數(shù)工程技術(shù)人員高度關(guān)注轉(zhuǎn)子裝配工藝參數(shù)優(yōu)化，但核心的高精度裝配仿真模型構(gòu)建、專項(xiàng)試驗(yàn)和模型修正工作，國內(nèi)完全處于空白狀態(tài)[22]。中國航發(fā)商發(fā)制造公司聯(lián)合大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)開展了基于零件實(shí)測幾何數(shù)據(jù)的裝配力學(xué)仿真和預(yù)測技術(shù)研究，但距離形成一定技術(shù)成熟度的工程化應(yīng)用目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)，尚未解決制造誤差較大零部件的裝配精度預(yù)測問題[23-24]。

國內(nèi)外新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)更加趨向于壓比高、結(jié)構(gòu)緊湊、超高精密定位、裝配易變形等特點(diǎn)，不僅對(duì)機(jī)械加工提出了更高的要求，也對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裝配性能控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于當(dāng)前裝配以“試錯(cuò)”工藝手段為主，尚未形成完整的裝配工藝設(shè)計(jì)方法和裝配性能預(yù)測模型，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子裝配工藝難度大、效率低、過程不可控及裝配不穩(wěn)定等突出問題。因此，本研究針對(duì)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的高性能要求，開展裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)以及裝配性能精確預(yù)測研究，為新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供更加先進(jìn)的裝配方法。

2 基于變形補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)子裝配仿真及預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配變形補(bǔ)償原理

基于轉(zhuǎn)子“裝配變形補(bǔ)償和修正”技術(shù)，通過建立精準(zhǔn)的裝配仿真與預(yù)測模型，計(jì)算每級(jí)轉(zhuǎn)子組件實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的最佳匹配堆疊，確定轉(zhuǎn)子總成的幾何/數(shù)學(xué)模型的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心線，在此基礎(chǔ)上計(jì)算轉(zhuǎn)子總成各盤的中心線偏差和雙平面偏差、各部件最佳配合的中心線偏差和雙平面偏差，確定每級(jí)盤的最佳裝配角度與位置，如圖3 所示。根據(jù)計(jì)算出的中心線偏差、雙平面偏差和每級(jí)盤相對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)子總成的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的角度位置來獲得每級(jí)盤的中心線偏差和角度，最終形成最優(yōu)化的轉(zhuǎn)子堆疊裝配方案。

圖3 雙平面偏離和中心線偏離示意圖Fig.3 Schematic diagram of biplane deviation and centerline deviation

基于轉(zhuǎn)子裝配工藝仿真與預(yù)測技術(shù)原理，采用高精度測量、大數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與最優(yōu)化裝配模型生成、專門液壓工裝輔助堆疊、智能測量驗(yàn)證的裝配工藝方案。裝配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)傾斜和中心修正，數(shù)學(xué)的轉(zhuǎn)子變形修正等，用于在工藝要求范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)核心部組件的優(yōu)化裝配、對(duì)中和平衡，一次完成最優(yōu)的幾何平衡與裝配。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配仿真過程中技術(shù)難點(diǎn)

1）高精度、高穩(wěn)定性、多點(diǎn)、快速測量技術(shù)

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裝配結(jié)果的重復(fù)性，高精度的測量數(shù)據(jù)是必不可少的。轉(zhuǎn)子裝配測量系統(tǒng)具備3D高精度測量精度（±0.5微米或更高），能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)在線同時(shí)測量，系統(tǒng)可采集若干組零件幾何數(shù)據(jù)?；诟呔葴y量，大數(shù)據(jù)采集、計(jì)算與最優(yōu)化裝配模型生成，輸出最優(yōu)化裝配方案，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裝配結(jié)果可重復(fù)性。

2）轉(zhuǎn)子傾斜及中心快速修正技術(shù)

測量系統(tǒng)具有3D 傾斜和中心修正，包括測量前設(shè)置基準(zhǔn)的修正，以快速完成測量設(shè)置，轉(zhuǎn)接測量工裝誤差的計(jì)算，轉(zhuǎn)子部件干涉面/點(diǎn)（表面凹坑，螺栓孔，花鍵面等）所造成的無效數(shù)據(jù)的排除修正，以及盤或其它薄壁件在測量裝夾時(shí)所造成的變形修正等。

3）轉(zhuǎn)子雙面偏離測量技術(shù)

雙平面偏差測量是由測量系統(tǒng)特有的部件變形校正系統(tǒng)所執(zhí)行的一種專有測量，它通過數(shù)學(xué)方法來修正消除被測量表面的“翹曲”或“畸變”，將自由狀態(tài)的測量和計(jì)算數(shù)據(jù)（雙面偏離與中心線偏離）修正到裝配約束狀態(tài)，然后建立裝配模型。如CFM56 的3 級(jí)壓氣機(jī)，從而能夠建立更精確的預(yù)測堆疊模型，從而模擬實(shí)際裝配狀態(tài)。

4）轉(zhuǎn)子裝配精密定位

轉(zhuǎn)子裝配定位對(duì)于裝配工藝可重復(fù)至關(guān)重要。因此，在轉(zhuǎn)子各級(jí)盤裝配時(shí)，通過360。壓力均勻分布的液壓裝配平臺(tái)，可以使各級(jí)轉(zhuǎn)子部件均勻完整的貼合，然后通過螺栓進(jìn)行定位，要保證其完整的定位以防止發(fā)動(dòng)機(jī)試車或運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子間發(fā)生位移而造成振動(dòng)。

5）轉(zhuǎn)子裝配數(shù)學(xué)建模及優(yōu)化技術(shù)

基于每級(jí)葉片盤大量的高精度測量數(shù)據(jù)，智能堆疊模型仿真系統(tǒng)確定轉(zhuǎn)子組件共同的、實(shí)際的、轉(zhuǎn)動(dòng)中心線，并基于此共同的、實(shí)際的、轉(zhuǎn)動(dòng)中心線，計(jì)算出轉(zhuǎn)子各級(jí)部件的中心線偏差和雙平面偏差，并最終給出各級(jí)部件的最佳裝配堆疊模型，它確定了每級(jí)盤的最佳裝配角度與位置及進(jìn)一步相關(guān)可參考的螺栓孔序數(shù)或盤齒數(shù)，按照螺栓孔或盤齒序數(shù)的簡單方法進(jìn)行裝配。

基于計(jì)算機(jī)預(yù)測的最優(yōu)裝配模型，將實(shí)際裝配的單元體與原模型進(jìn)行測量驗(yàn)證。這種方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的組合（高壓壓氣機(jī)，低壓壓氣機(jī)，高壓渦輪，低壓渦輪等），同時(shí)對(duì)單元體進(jìn)行測量，然后同樣基于轉(zhuǎn)子組件共同的、實(shí)際的、轉(zhuǎn)動(dòng)中心線，形成軸裝配模型（低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪，高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪等）確定了轉(zhuǎn)子與其軸或其他轉(zhuǎn)子的最佳配合。

6）轉(zhuǎn)子堆疊裝配算法與三維預(yù)測仿真模型設(shè)計(jì)技術(shù)

“最優(yōu)化”轉(zhuǎn)子堆疊算法利用一個(gè)直接的三維“轉(zhuǎn)換矩陣”計(jì)算，建立了基于每組零件的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的平直轉(zhuǎn)子。該裝配預(yù)測模型是利用在兩個(gè)平面上的三維測量數(shù)據(jù)生成的，三維測量提高了精度，第一個(gè)平面是中心線偏差，第二個(gè)是雙面偏差(類似于垂直平面)。

7）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的3D集成校驗(yàn)技術(shù)

3-D 校驗(yàn)和認(rèn)證母規(guī)是美軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)(不是一個(gè)球)用于檢驗(yàn)所有測量探針確認(rèn)的組合(不僅僅是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái))。它對(duì)整個(gè)測量儀表進(jìn)行校驗(yàn)來保證測量精度，包括探針，轉(zhuǎn)臺(tái)，電子元器件，軟件和數(shù)學(xué)運(yùn)算精度。所有的軟件和硬件系統(tǒng)都要檢查其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配工藝仿真與預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司與航威渦輪技術(shù)無錫有限公司聯(lián)合開發(fā)了新一代渦軸轉(zhuǎn)子堆疊裝配工藝仿真和預(yù)測系統(tǒng)，包括：GMS-4040 高精度三維測量系統(tǒng)（如圖4所示）和GMS4000仿真預(yù)測系統(tǒng)（如圖5所示）。

設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)具備3D 高精度測量精度(±0.5 微米)；實(shí)現(xiàn)4 點(diǎn)在線同時(shí)測量，每個(gè)測點(diǎn)能夠采集2 000個(gè)測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以采集8 000個(gè)數(shù)據(jù)。葉片盤端齒和曲面連接配合的轉(zhuǎn)子部件測量系統(tǒng)，包括1或2個(gè)相互配合的端齒（或曲面）規(guī)或曲面端齒平衡工裝。直接測量與之相配合的端齒規(guī)的端面和徑面。通過這種方式的測量，可以從獲取測量轉(zhuǎn)子部件的中心線偏離和雙面偏離數(shù)據(jù)。

在測量過程中，計(jì)算系統(tǒng)可以通過數(shù)學(xué)方法自動(dòng)地從部件與端齒（或曲面）規(guī)的結(jié)合測量中去除掉這個(gè)已知的誤差，以生成正確的測量數(shù)據(jù)，這些測量數(shù)據(jù)通過SmartStack軟件建立轉(zhuǎn)子裝配的最優(yōu)化模型。

通過第一件帶有端齒規(guī)的葉片盤調(diào)心和調(diào)平之后，第二件葉片盤再調(diào)時(shí)只需要簡單微調(diào)即可（找中，找正）。再加上自身所帶的自動(dòng)修正軟件，一件葉片盤一般從設(shè)置（測頭放置，調(diào)心和調(diào)平）到完成測量只需要4分鐘。與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)比較，設(shè)置需要到非常高的精度，才能開始測量，這就需要很長的設(shè)置時(shí)間。

圖4 GMS-4040高精度三維測量系統(tǒng)Fig.4 High precision 3D measurement system of GMS-4040

然后進(jìn)行測量每一個(gè)葉片盤的雙平面偏離和中心線偏離，利用每個(gè)部件的這兩個(gè)偏離數(shù)據(jù)，基于各個(gè)部件實(shí)際的，共同的轉(zhuǎn)動(dòng)中心線原則進(jìn)行計(jì)算，形成這些部件的最佳裝配模型。

圖5 GMS4000裝配仿真預(yù)測系統(tǒng)Fig.5 Assembly simulation prediction system of GMS4000

3 預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)分析與評(píng)估

3.1 轉(zhuǎn)子平直度預(yù)測

將設(shè)計(jì)和開發(fā)的預(yù)測轉(zhuǎn)子堆疊裝配模型預(yù)測結(jié)果與其他公司的轉(zhuǎn)子堆疊裝配模型進(jìn)行比較，如圖6 所示。虛線表示轉(zhuǎn)子單元體的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心線。兩個(gè)生成模型都在中心線附近的相同點(diǎn)開始和結(jié)束。因此，跳動(dòng)測量檢查將在允許的限度之內(nèi)。

其他公司的構(gòu)建模型（在紅色中）總是在轉(zhuǎn)子組件的中間形起“彎曲”。這是由于他們的堆疊方法是將每個(gè)部件投影到轉(zhuǎn)子組件末端的軸承軸頸上。同時(shí)，不同的測量系統(tǒng)、預(yù)測方法、裝配工序和工裝又惡化了實(shí)際轉(zhuǎn)子“轉(zhuǎn)子弓形”彎曲。

圖6 轉(zhuǎn)子裝配平直度比較Fig.6 Comparison of the straightness of rotor assembly

3.2 裝配可重復(fù)性評(píng)估

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子核心裝配工藝具有可重復(fù)性。為了實(shí)現(xiàn)工藝的重復(fù)性，高精度的測量數(shù)據(jù)是必不可少的。本方案測量系統(tǒng)具有至少+/-0.5μm 的三維測量精度。相同的零件其裝配結(jié)果總是相同的?？芍貜?fù)性是裝配優(yōu)化結(jié)果所必需的，也有助于其他好處；如縮短交付時(shí)間、提高生產(chǎn)率、質(zhì)量、性能和降低成本。

其他公司的轉(zhuǎn)子裝配工藝是不可重復(fù)的，相同部件的每次裝配得到不同的結(jié)果，從而產(chǎn)生了“反復(fù)試錯(cuò)”的方法。

3.3 轉(zhuǎn)子裝配效率評(píng)估

本方案中的發(fā)動(dòng)機(jī)核心裝配工藝參照北京飛機(jī)維修工程公司發(fā)動(dòng)機(jī)車間對(duì)V2 500 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的測試，將總裝時(shí)間減少到目前總裝時(shí)間的1/3 左右。本方案每個(gè)零件調(diào)試和測量的時(shí)間需要3-4分鐘，這要?dú)w功于傾斜和中心修正軟件。優(yōu)化的裝配總是在第一次就能通過。由于葉片是數(shù)學(xué)分布，以抵消每級(jí)盤的不平衡量，返工排查時(shí)間顯著減少。針對(duì)止口過盈等部位，本裝配工藝仿真過程中不需要考慮干冰或液氮裝配對(duì)結(jié)果影響。

其他公司的總裝配時(shí)間比發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)裝配時(shí)間要長。由于缺乏傾斜和中心校正軟件，調(diào)試和測量每個(gè)部件通常需要30分鐘以上。并且其裝配支架還在轉(zhuǎn)子裝配過程中引入了變量和額外的時(shí)間。轉(zhuǎn)子裝配總是彎曲而且通常只有部分坐定(遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有優(yōu)化)這會(huì)導(dǎo)致摩擦、振動(dòng)、性能和平衡問題。使用液氮和干冰也會(huì)延長裝配時(shí)間和增加變量。

4 結(jié)論

本文面向新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝配工藝提升的需求，基于轉(zhuǎn)子“裝配變形補(bǔ)償和修正”技術(shù)，通過高精度的大數(shù)據(jù)采集，完成了裝配仿真與預(yù)測方法，形成了最優(yōu)化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堆疊裝配方案，取得的主要成果如下：

1）與傳統(tǒng)的裝配方法相比，新一代轉(zhuǎn)子系統(tǒng)堆疊仿真與預(yù)測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子快速裝配仿真，有效提高了轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量，提高裝配效率，提高裝配合格率。

2）本文提出的轉(zhuǎn)子“裝配變形補(bǔ)償和修正”技術(shù)能夠從工藝參數(shù)控制、過程要求控制、裝配質(zhì)量等方面對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝配過程進(jìn)行管理和優(yōu)化。該技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，并且與國外同類技術(shù)水平相當(dāng)，后續(xù)可將本文裝配仿真方法推廣到整個(gè)中國航發(fā)集團(tuán)各主機(jī)廠所，為各科研型號(hào)轉(zhuǎn)子類零件的高精度、高質(zhì)量裝配開辟新的途徑。