邹磊
中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002
摘要:航空发动机转子工作敏感，需要有效地施加拧紧力矩，如果有效力矩施加不到位，转子工作中会出现倍频、分频、失稳等现象。因此，发动机转子压紧螺母装配工艺直接影响到转子压紧安装是否符合设计要求。目前装配中，常用的施加力矩装配工艺主要有直接拧紧和液压拉紧两种方式。前者工艺简单方便，后者更具有有效性，但装配工艺、操作复杂，除非前者有效施加力矩损失较大，一般不建议采取后者的工艺。本文通过一种简单经典的转子结构进行拧紧力矩施加，并进行转子动力特性试验与对比分析，进一步得出哪些结构可以优先考虑直接拧紧，而不会带来太大的力矩损失。
关键词：转子；压紧螺母；力矩；工艺改进
引言
发动机转子盘与轴承内环贴紧并通过压紧螺母对其进行压紧，压紧螺母普通装配模式采用通过力矩扳手直接施加力矩的方式进行，该方法操作不方便，也会因为试验件状态，如配合性质，轴上零件数量等使得转子得不到充分压紧，使得试验过程中出现振动大、倍频、混沌、双稳态[1]~[3]等现象。本文主要介绍某试验件模拟转子压紧螺母采用普通力矩施加装配，造成装配不到位而带来试验出现振动大、倍频现象，并对现象进行了理论分析，通过优化装配工艺为拉压方式，使得转子工作状态得到了改进，并进行了试验验证。为发动机转子压紧螺母施加工艺改进提供技术支撑。
1转子结构简介
本文了设计一种简单经典的转子结构，即前轴承内环安装在轴上并贴紧模拟盘，后轴承内环安装在轴上，并用压紧螺母进行压紧。其中，该转子具有转子轴细长的特点，该简易转子通过前后轴承进行支撑。根据转子设计经验，前轴承内环与轴为过盈配合，模拟盘、后轴承内环均与轴为小间隙到过渡配合，进而保证压紧螺母可以有效地施加在各个零件上，保证零件与轴之间的有效连接与固定，防止转速较大产生松动。
2试验介绍。
转子在直接在转子动平衡机上进行安装与测试，即完成装配后的转子通过前后两个轴承座对轴承进行简易支撑，同时通过浮动轴与转子后端进行连接实现动力传输。由于转子压紧力矩的施加是否有效，可直接在转子工作中，对振动加速度的观察进行得到，一般转子出现松动时，振动加速度直接体现为倍频、分频等现象，且随着转速进一步提高，很容易造成转子失稳，进而出现转子飞出试验机，造成损失。因此，在试验过程中，需测量轴承座的振动加速度。
2.1试验现象
转子完成组装后，通过力矩扳手直接采用拧紧力矩的方式施加140~160N·m的力矩大小，即达到转子预紧力设计的要求。完成装配后的转子，在动平衡机器上进行试验，当该转子运行至一定的工作转速时，由振动传感器测得的振动加速度值达到8.8g，超过安全值，且随转速上升，振动值急剧上升，无法安全试验。通过记录的振动加速度与频谱结果分析，前后轴承座的基频值相对较小，且存在2倍频、3倍频，甚至非整数倍频得成分，频率成分复杂。后转子下台分解发现，低压转子端压紧螺母分解力矩为90N·m，较试验前(153.6N·m)减小了41.41%。可以判断，通过力矩扳手直接采用拧紧力矩的方式压紧细长轴结构的转子，会存在力矩损失较大的现象，进而造成转子在工作过程中，当工作转速到达一定大小时，轴承支撑的振动加速度会出现振动大、倍频等现象。
2.2试验结果分析
为了测试直接拧紧的方式，到底对细长轴结构的转子产生了多少的力矩损失，因此，对转子的拧紧力矩进行了复查。实验中，通过对螺母施加了4次大小不同的力矩后，再用力矩扳手进行转子分解，测得了4组施加力矩与分解力矩，通过表1的对比分析发现，此转子结构存在拧紧力矩损失较大的现象。因此，如果压紧螺母拧紧力矩施加不到位的情况下，会导致转子的支撑部分产生间隙，即产生机械松动。进而造成了转子动平衡试验中，轴承振动加速度频谱中产生了2倍频、3倍频，甚至非整数倍频得成分，如果转速继续提高，就会导致转子出现失稳的严重现象。
表1施加分解力矩对比
1 2 3 4
施加 140 160 180 200
分解 86 94.4 102.6 111.2
力矩损失 38.6% 41% 43% 44.5%
为保证螺母压紧到位(分解力矩满足140~160N·m)，可以预测至少要施加240N·m左右。如果转子轴过于细长，且轮盘较小的情况下，施加较大的力矩时，对于装配操作者极其不便，而且很容易人为地带来转子轴的弯曲损伤，因此，需要对于这类转子压紧螺母的装配方式，需要进行优化与改进。
2.3装配工艺改进
为保证转子端压紧螺母拧紧力矩施加到位，可以通过液压拉紧的方式进行，即采用工装压盘，液压拉轴的方式进行，待加载完成后，松开液压装置，测试转子轴的伸长量，进而判定压紧螺母的拧紧力矩是否施加到位。
因此，对转子轴进行了液压拉紧试验，其中，试验过程中，低压轴上贴应变片以保证拉伸真实。且分解时，需保证转子拧松力矩达到140~160N·m的设计要求。
经过工艺试验对比发现，对转子轴用力矩扳手施加拧紧力矩140Nm时，测得转子轴升长量为01mm，此时拧松力矩只有86Nm;当施加了18Mpa后测得，分解力矩为132N·m，转子轴升长量为0.3mm，且重复打压18Mpa测得转子轴升长量为0.3mm，分解力矩为133N·m，达到了目标力矩值。通过上述试验过程可以看出，采用力矩扳手拧紧的力矩，并不能对此转子有效地施加目标力矩值，同时确定了液压拉紧方式下保证转子轴升长量为0.3mm左右时，才可以对转子装配进行有效的力矩施加。
2.4试验结果
对采用轴承内环压紧螺母装配改进工艺后的转子重新进行动力特性试验，转子能够安全运行通过原有的工作转速，且振动加速度值从原有的8.8g下降到了5.2g，并且消除了倍频及非整数倍频的频率成分。确定了转子力矩的有效施加，保证了转子工作的稳定。
3原理分析
通过液压拉紧的力矩施加，就是通过将转子轴进行拉伸，并确定升长量来控制预紧力，其公式为:
其中，ΔL为转子轴变形伸长量，L为转子轴长度，E为弹性模量，A为转子轴横截面积。即通过控制转子轴的拉伸量，来确定预紧力。
由公式可以看出，液压拉紧的工艺方式通过直接拉长转子轴，并确定最终伸长量来获得有效地力矩施加。但直接拧紧的工艺方法是用螺母先对模拟盘与轴承内环进行压紧变形而产生预紧力，当力矩松开后螺母会对转子轴进行拉伸，模拟盘的压紧量就会变小，进而造成了预紧力的损失。
通过定性分析可以得出，如果转子轴不产生变形，则不会造成预紧力的损失，但由上述公式可以看出，如果转子轴越细长，转子轴变形越大，进而预紧力损失也就越大。
4结论
由于航空发动机转子的环境恶劣，转速高，因此有效地施加力矩，对转子的正常工作及其重要。
通过对简单经典的转子结构进行不同装配工艺下的施加力矩方式，可以看出液压拉紧的工艺方式可以有效地确定施加力矩的有效性，但直接拧紧的工艺方式只适用于较粗，刚性较强的转子轴结构。
参考文献
[1]Ehrich. F. F. Observations of Nonlinear Phenomena in Rotordynamics Journal of System Design and Dynamics 2008，2(3):641-651.
[2]Ehrich. F. P. Bistable Vibrations of Rotors in Bearing Clearance [R]. ASME65-WD/MD-1.
[3]Ehrich. F. F. Subharmonic Vibration of Rotors in Bearing Clearance [R]. ASME66-MD-1.