辛明明 周吉 徐蛟龙
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066
摘要：整机平衡试验是发动机研制过程中所需进行的关键试验，其试验效果与发动机整机质量关系密切。在发动机研制过程中，需要使用整机平衡试验的专用工具，使用效果良好。出于工装研制的需要，对其整机平衡试验方案和试验专用工装进行了分析，着重研究了该工装的定心方案和扭矩传递方案，归纳了其试验方案的优点。在整机平衡试验工装中，膨胀衬套是其功能及整套试验方案得以实现的关键零件。根据现有的膨胀衬套技术资料，几乎无法对膨胀衬套进行自主研制设计。本文旨在基于现有的膨胀衬套实物，利用逆向设计技术，通过综合运用理论分析、测绘、有限元分析等技术手段，为膨胀衬套的自主研制设计提供一种可行的解决方案。
关键词：发动机 平衡试验 试验分析 工艺装备
1.引言
整机平衡试验是该发动机制造过程中所需进行的关键地面试验之一，其试验方法和目的为，通过试验设备驱动发动机转轴转动，通过试验设备检测，得到发动机转轴组件的不平衡量。
为顺利完成整机平衡试验，获取了用于整机平衡试验的专用工艺装备，使用效果良好。在对工装进行自主研制设计的过程中，发现该工装功能及整套试验方案得以实现的关键零件之一为工装中的膨胀衬套，在能够获取的技术资料中，对该零件技术细节的描述极其有限，根据其提供的信息，无法完成该零件的自主研制设计。
鉴于此，基于现有的膨胀衬套实物，利用逆向设计技术，通过综合运用理论分析、测绘、有限元分析等技术手段，为膨胀衬套的自主研制设计提供一种可行的解决方案。
2. 整机平衡试验专用工装设计方案浅析
整机平衡试验工装虽结构比较复杂，但按其功能分类，该工装大致可分为三个功能模块，即固定部分，支撑部分和传扭部分，前两部分主要用于固定和支撑发动机；如何将试验设备输出的扭矩传递到发动机的待试验轴上并驱动其转动，即为该工装的核心功能。
传递扭矩是机械上需要经常解决的问题之一，整机试验传扭比较难于实现，法方提供了一种解决方案，将一对膨胀衬套装配在驱动轴上，而后用件固定工具将件滑轮固定住，利用通用内六方手动扳手对件加力螺钉施加外力后，膨胀衬套受轴向外力发生弹性变形，外径的变形使得其与待试验轴内孔之间的配合性质由间隙配合变化为过盈配合，外径变化的同时，膨胀衬套的内孔孔径也同时协调的发生变化，抱紧滑轮，加力结束后，撤掉固定工具。用皮带将试验设备产生的驱动扭矩传递到工装上，并进而通过过盈配合的方式传递到待试验轴上，从而实现了扭矩的传递。
上述分析表明，膨胀衬套是整套实验方案以实现的关键零件之一。
应用传统的设计方法对该零件进行自主研制设计时，也会遇到一些困难：其一，几何参数难以确定；其二，该零件的材料难以确定；其三，零件参数的获得状态难以确定：由上述分析可知，在获得膨胀衬套的设计需求后，逆向设计是适合此工况的设计方法。
3. 膨胀衬套逆向设计
获取膨胀衬套外形参数和功能参数后，以逆向设计理论思想为基础，结合膨胀衬套的产品实际，对膨胀衬套进行逆向设计。
首先，对零件实物进行测绘，零件的外轮廓尺寸可以通过三坐标获得。而后，在万能工具显微镜下对膨胀衬套进行观察，归纳零件内部结构与三坐标测绘结果之间的差异，利用样膏获取膨胀衬套内部参数，并推理确定零件工作外径的精加工状态，即确定原方案中选择的是组合膨胀后磨削外径亦或自由状态磨削外径中的哪种方案，首先在自由状态下对滑轮组件进行打表检测，发现膨胀衬套在自由状态下，外径直线度和跳动良好，为进一步精确的确定膨胀衬套外径在不同工作状态下的跳动量，利用轮廓度仪对胀套在自由状态及不同受力状态下进行检测，自由状态下外径型面的跳动不大于0.0015mm,受力状态下跳动最大值0.015mm在胀套的中部。从数据中可以分析胀套的外径加工并非组合后磨削，应该属于单件外径磨削合格后，装配保证的总图跳动精度要求。因此膨胀衬套的弹性变形的大小成了设计的关键。基于逆向设计的思路，利用三坐标、万能工具显、千分表、轮廓度仪等测绘工具，完成了膨胀衬套的数据收集和测绘工作，基于所收集的数据确定膨胀衬套几何参数。
零件的材料信息通过测绘无法获取；另外，已经获取几何参数其准确性也需要验证，为缩短设计周期，节约设计成本，拟通过有限元仿真的技术手段完成上述工作。按测绘出的几何参数建立膨胀衬套三维模型，利用有限元技术模拟其受力，在仿真中，零件的材料可用杨氏模量、泊松比、密度、屈服强度等一系列参数加以描述，计算其应力和变形，并与零件的服役条件加以比较，从而确定零件的材料，并验证所获取的几何参数是否正确。
由仿真结果分析可知，当对轴向力使外径中部最大膨胀量达到0.012mm时，弧面相对高度差为0.007mm，内径向内的膨胀量为0.0025mm，此数据与轮廓度测量仪检测的数据一致同时也符合已获取资料中精度曲线变化规律；位于胀套的内型面处。但远小于材料的屈服强度满足零件的弹性变形要求。综上，所选取的材料和所设计的几何形状，从理论的角度来看，可以满足需要。
4.结论
1. 分析了整机平衡试验专用工装的工作原理，对其结构组成进行了剖析，分析出了该工装功能得以实现的核心部分及其设计难点，一定程度上了解了其设计理念。
2. 分析了该工装的定心和传扭方案，分析结果表明，过盈传扭在此工况中的应用确有优势和必要性。
3. 此工装的过盈传扭方案中，其关键部件为膨胀衬套，为克服膨胀衬套自主研制过程中所遇到的困难，利用逆向设计技术，通过综合运用理论分析、测绘、有限元分析等技术手段，为膨胀衬套的自主研制设计提供了一种解决方案。
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