數(shù)字裝配在透平機(jī)械領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

王卓南 張玉勝 李春興 馬若晨 谷鐵鋒 金 鑫

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，德陽 618000）

裝配是指將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來，經(jīng)過調(diào)試、檢驗(yàn)使其成為合格產(chǎn)品的過程。它是產(chǎn)品制造的最后工序，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、加工的精度均在此環(huán)節(jié)得以驗(yàn)證。傳統(tǒng)的實(shí)物裝配需要將零件按邏輯順序裝配以評(píng)價(jià)制造的合格程度，而數(shù)字裝配則省去了實(shí)物驗(yàn)證過程，將裝配流程規(guī)劃、尺寸測量、通流計(jì)算移植在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 虛擬裝配的定義及其與數(shù)字裝配的區(qū)別

虛擬裝配是指在沒有實(shí)際產(chǎn)品或者物理過程支持的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測模型，通過數(shù)據(jù)表達(dá)輔以可視化，實(shí)現(xiàn)與裝配相關(guān)的工程決策[1]。虛擬裝配在國內(nèi)外飛機(jī)制造行業(yè)應(yīng)用廣泛，在產(chǎn)品可裝配性檢驗(yàn)、裝配碰撞、干涉分析、生產(chǎn)線布局與人機(jī)工程方面發(fā)揮了巨大作用。

數(shù)字裝配通常采用三維掃描技術(shù)，通過測量空間物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值獲得物體表面的點(diǎn)云信息，并將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以直接處理的網(wǎng)格化模型，再將不同的網(wǎng)格化模型擬合到同一基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)基于可視化圖形的虛擬裝配，根據(jù)各零件裝配位置關(guān)系，測量部件的關(guān)鍵要素[2]，如距離、角度、位置關(guān)系等。上述關(guān)鍵要素作為評(píng)判裝配是否合格的依據(jù)，并作為各零件的返修數(shù)據(jù)。數(shù)字裝配的目的和虛擬裝配相同，但是所需獲取的數(shù)據(jù)更為簡潔和精準(zhǔn)。

數(shù)字裝配相對(duì)于虛擬裝配具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先，數(shù)字裝配所需的實(shí)物數(shù)據(jù)更為簡潔。數(shù)字測量僅需通過少量數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，即可獲得規(guī)則特征的關(guān)鍵參數(shù)，相較于動(dòng)輒上億數(shù)據(jù)點(diǎn)的虛擬裝配，規(guī)避了大量冗余數(shù)據(jù)的干擾，使得運(yùn)算速度有了質(zhì)的提升。其次，對(duì)于不合格產(chǎn)品，數(shù)字測量的返修和驗(yàn)證流程更短，可極大地縮短交貨周期。最后，透平機(jī)械裝配最終面向用戶的數(shù)據(jù)是以尺寸公差、形狀公差和定向位置公差為主，與數(shù)字裝配的使用邏輯相匹配。虛擬裝配和數(shù)字裝配技術(shù)路線對(duì)比，如圖1 所示。

圖1 虛擬裝配和數(shù)字裝配技術(shù)路線對(duì)比

2 汽封間隙與相對(duì)內(nèi)效率的關(guān)系

透平機(jī)械是一種具有葉片的動(dòng)力式流體機(jī)械。透平機(jī)械的共通特點(diǎn)是裝有葉片的轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。流體流經(jīng)葉片之間的通道時(shí)，葉片與流體之間產(chǎn)生相互作用力，借以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。以汽輪機(jī)為例，為了提高其熱力性能、安全性能以及熱膨脹系數(shù)等，汽封間隙被設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)精度內(nèi)。間隙過大會(huì)增加漏汽損失，影響機(jī)組熱力性能；間隙過小會(huì)導(dǎo)致機(jī)組動(dòng)靜碰磨，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全性。根據(jù)文獻(xiàn)[3]提供的資料，汽輪機(jī)高壓汽封間隙每增加0.05 mm，級(jí)效率下降0.4%～0.6%。由此不難看出，級(jí)效率變化與汽封間隙變化可以近似表示為

式中：ηoi為應(yīng)達(dá)效率；ηoi'為實(shí)測效率。

汽輪機(jī)實(shí)測效率計(jì)算公式為

式中：h0為入口蒸汽焓；h1為出口蒸汽焓；h1t為理想出口蒸汽焓[4]。

由式（1）和式（2）可求出汽輪機(jī)效率與汽封間隙變化值的關(guān)系。

3 汽封間隙測量方法

在傳統(tǒng)裝配方式中，測量汽封間隙的主要方法有以下3 種。第一，塞尺測量法。待裝入轉(zhuǎn)子后，將塞尺塞入汽封間隙處，不斷增加塞尺的厚度，直到無法塞入為止，此時(shí)將每片塞尺的厚度相加即可求得間隙值。該方法僅適用于測量中分面處間隙。第二，鉛絲測量法。在裝入轉(zhuǎn)子前，將鉛絲沿軸向固定在汽封齒對(duì)應(yīng)的位置上，隨后裝入轉(zhuǎn)子，鉛絲會(huì)因轉(zhuǎn)子重量被壓出一道凹槽，待取出轉(zhuǎn)子后，測量凹槽厚度，即汽封間隙值。該方法前期固定鉛絲工作量大，且無法測量上半部分間隙。第三，膠布測量法。測量前將0.25 mm 厚的白膠布沿軸向粘貼在汽封齒上，每層膠布按2 mm 留出臺(tái)階，在轉(zhuǎn)子相應(yīng)部位涂抹紅丹，隨后裝入轉(zhuǎn)子和定子部件，將轉(zhuǎn)子低速盤轉(zhuǎn)動(dòng)3 ～5 圈并取出，根據(jù)白膠布磨損情況判斷汽封間隙。該方法操作過程煩瑣，憑目測觀察精度較低。上述3 種測量方法局限性較大，均無法高效、準(zhǔn)確地測量出汽封間隙，是制約透平機(jī)械裝配的重要因素[5]。

4 透平機(jī)械數(shù)字裝配關(guān)鍵技術(shù)

透平機(jī)械制造過程分為毛坯、零件、部件、模塊共4 個(gè)層級(jí)，各層級(jí)之間經(jīng)歷由粗到精、由小到大的過程，形成統(tǒng)一的整體。毛坯通過機(jī)械加工形成零件，零件通過定位關(guān)系部裝成部件，部件經(jīng)調(diào)試裝配成模塊。數(shù)字裝配是指通過數(shù)字測量手段在部件層獲取透平機(jī)械各通流部件的獨(dú)立數(shù)據(jù)，通過測算各部件的約束關(guān)系，求解出面向用戶的關(guān)鍵特性參數(shù)表。該技術(shù)涉及關(guān)鍵特性提取技術(shù)、數(shù)字測量技術(shù)和汽封間隙預(yù)測技術(shù)，如圖2 所示。

圖2 透平機(jī)械數(shù)字關(guān)鍵技術(shù)

4.1 關(guān)鍵特性提取技術(shù)

設(shè)計(jì)尺寸的標(biāo)注一般體現(xiàn)在零件或部件層，這兩個(gè)層級(jí)不包含部件間相互位置關(guān)系。通常情況下，部件間相互位置關(guān)系需在部件完成廠內(nèi)裝配后測量，若在不裝配的情況下獲得部件間位置關(guān)系，則必須在部件層提取與之相關(guān)的尺寸?；谠O(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)的封閉尺寸鏈提取技術(shù)，要求在設(shè)計(jì)部門搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點(diǎn)，定義覆蓋全模塊的若干封閉尺寸鏈，并在三維模型上進(jìn)行產(chǎn)品和制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI）標(biāo)注。該技術(shù)還要求工藝部門在編制工藝和檢驗(yàn)計(jì)劃的節(jié)點(diǎn)識(shí)別并提取面向用戶的關(guān)鍵尺寸，如圖3 所示。

圖3 基于設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)的封閉尺寸鏈提取技術(shù)

4.2 數(shù)字測量技術(shù)

透平機(jī)械主機(jī)部分按主要部件可分為轉(zhuǎn)子類部件和定子類部件，其中定子類部件又可分為隔板類、汽缸類和軸承箱類，其相互位置關(guān)系如圖4 所示。高精度測量設(shè)備主要分為激光跟蹤儀、三維掃描儀、關(guān)節(jié)臂和攝影測量系統(tǒng)等。根據(jù)各部件所需測量的關(guān)鍵特征不同，所采用的測量方法和測量設(shè)備也不同。

圖4 透平機(jī)械主要部件位置關(guān)系圖

激光跟蹤儀是一種大尺寸空間坐標(biāo)測量儀器，集干涉測距、自動(dòng)跟蹤、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)軟件及控制技術(shù)于一體[6]，通常用于測量大型部件的精密尺寸，如汽缸中心、轉(zhuǎn)子軸頸、軸承箱平面度等。

三維掃描儀集光、機(jī)、電和計(jì)算軟件于一體，通過測量空間物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，得到物體表面的點(diǎn)云信息，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可直接處理的三維模型，特別適合測量復(fù)雜曲面的關(guān)鍵特征。

關(guān)節(jié)臂是一種基于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)臂的三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，以角度測量基準(zhǔn)取代長度測量基準(zhǔn)，與傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)相比具有體積小、效率高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[7]。關(guān)節(jié)臂的測量效率高，測量精度可滿足透平機(jī)械大部分零部件需求，同時(shí)可配備激光掃描頭，達(dá)到與三維掃描儀相同的使用效果。

攝影測量系統(tǒng)采用高分辨率攝影測量專用相機(jī)，在不同位置和方向獲取被測工件多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)識(shí)識(shí)別與定位、圖像匹配、空間三角交會(huì)及光束法平差后得到待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)[8]。依據(jù)點(diǎn)的三維坐標(biāo)對(duì)工件進(jìn)行幾何尺寸檢測、變形測量等。該方案適用于大型柔性部件在不同工位下的受力分析。

4.3 汽封間隙預(yù)測技術(shù)

汽封間隙預(yù)測通過數(shù)字裝配預(yù)測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字裝配預(yù)測平臺(tái)中，定義一個(gè)龐大的模板庫，模板庫中包含部件庫和典型特征庫兩部分。通過部件庫和典型特征庫的相互組合，代入部件自身定位面形位公差對(duì)裝配的影像因素，形成滿足使用需求的模板。定義模板中的變量、運(yùn)算符，集成部件尺寸數(shù)據(jù)錄入與分析，判斷汽封間隙是否滿足要求。針對(duì)不滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出產(chǎn)生問題的原因及解決方案。

5 基于關(guān)鍵尺寸的汽輪機(jī)數(shù)字裝配實(shí)例

通過上述關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)多臺(tái)已實(shí)施項(xiàng)目的驗(yàn)證，汽封間隙預(yù)測尺寸與現(xiàn)場實(shí)物裝配的誤差可控制在0.04 mm 之內(nèi)，裝配周期較以往縮短36.2%，證實(shí)了本技術(shù)的準(zhǔn)確性和便捷性。

5.1 汽輪機(jī)關(guān)鍵特性提取技術(shù)

基于設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員可定義部件間的位置關(guān)系，將封閉尺寸鏈的概念從零件擴(kuò)展到部件。無論是PMI 的標(biāo)注還是公差尺寸的計(jì)算，均可在設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)完成。技術(shù)人員識(shí)別出面向用戶的關(guān)鍵尺寸，將其錄入數(shù)字裝配預(yù)測平臺(tái)。

5.2 關(guān)鍵部件測量技術(shù)

確定關(guān)鍵尺寸后，需利用高精度測量設(shè)備測量不同類型的部件。需要注意，考慮測量準(zhǔn)確性的同時(shí)，兼顧測量效率和通用性。由激光跟蹤儀配合手持式測量單元對(duì)大型部件如內(nèi)、外汽缸的測量，三維掃描儀負(fù)責(zé)復(fù)雜型面如隔板和轉(zhuǎn)子汽道的測量，關(guān)節(jié)臂負(fù)責(zé)中小型部件如隔板、隔板套的測量。關(guān)鍵部件測量現(xiàn)場，如圖5 所示。

圖5 關(guān)鍵部件測量現(xiàn)場

5.3 數(shù)字裝配預(yù)測平臺(tái)

根據(jù)汽輪機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在模板庫中選擇對(duì)應(yīng)的部件模板，搭建各部件間的相互位置關(guān)系。操作者標(biāo)注需要測算的關(guān)鍵尺寸，由數(shù)字裝配預(yù)測平臺(tái)根據(jù)規(guī)則給定該尺寸的計(jì)算公式和公差范圍。將測量設(shè)備所測得的數(shù)值分別填入各部件所對(duì)應(yīng)的實(shí)測值列，即可計(jì)算出本模塊的關(guān)鍵通流數(shù)據(jù)。關(guān)鍵通流數(shù)據(jù)預(yù)測，如圖6 所示。

圖6 關(guān)鍵通流數(shù)據(jù)預(yù)測

6 結(jié)語

除去加工質(zhì)量與透平機(jī)械裝配質(zhì)量的影響，應(yīng)用透平機(jī)械數(shù)字裝配技術(shù)測量與計(jì)算汽輪機(jī)部件關(guān)鍵特征，可在汽輪機(jī)主要部件裝配之前測算出其通流數(shù)據(jù)，并評(píng)價(jià)裝配后能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也可為后續(xù)的返修方案提供可量化的數(shù)據(jù)。經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證，該技術(shù)的應(yīng)用提高了透平機(jī)械裝配的質(zhì)量和效率，避免了現(xiàn)場裝配時(shí)遇到的通流數(shù)據(jù)超差的問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。