基于矢量投影的多级转子同轴度测量方法研究

摘要

多级转子同轴度测量方法是一种用于航空发动机高压组合转子精密装配测量和位置精度调整的重要手段。因其具有测量速度快、测量精度高、可指导装配、成本低等优点，在航空发动机多级转子装配测量和其他科学研究领域具有重要应用。多级转子同轴度测量精度直接决定发动机装配精度，进而影响发动机高速运转时的振动强度。航空发动机多级转子装配采用止口配合，导致装配后同轴度测量截面被覆盖，无法采用传统方法进行同轴度测量。因此，多级转子同轴度测量问题是提高发动机高压组合转子装配质量的主要障碍。
　　本论文研究目的是解决航空发动机多级转子装配后同轴度误差无法直接测量和调整精度低等问题。本文在建立航空发动机多级转子装配几何模型基础上，分析单级转子定向和定位误差在多级转子装配中的空间矢量投影特性，获得各级转子偏心矢量累积分布函数，实现多级转子同轴度误差的测量，并结合单级转子圆轮廓测量模型及滤波技术，改善单级转子偏心矢量测量准确性，达到提高多级转子装配精度的目的。主要研究内容包括：
　　首先，针对发动机多级转子同轴度无法直接测量且装配精度低的问题，提出基于矢量投影的多级转子同轴度测量方法。依据发动机多级转子装配原理及工艺流程，建立多级转子装配同轴度误差测量模型，通过分析各级转子定位和定向误差在装配过程中的传递过程，获取各级转子偏心矢量累积量的空间分布情况，建立多级转子定向和定位误差与装配后同轴度误差的关系，推导出以各级转子装配相位为变量的目标函数，从而实现发动机多级转子同轴度误差的测量与装配调整。实验结果表明，通过控制各级转子在装配过程中的安装相位，可以获得多级转子装配后同轴度误差且通过旋转各级转子安装相位使其达到最优。
　　其次，针对发动机单级转子同心度误差测量准确性差问题，提出四偏置误差圆轮廓测量模型。深入分析在单级转子圆轮廓测量中误差分量来源，并建立同时兼顾偏心误差、传感器测头偏移误差、传感器测球半径和倾斜误差的圆轮廓测量模型，分析各偏置误差分量对不同半径圆轮廓测量结果的影响，建立四偏置误差分量与单级转子半径尺寸复合的圆轮廓测量关系。此外，针对四偏置误差圆轮廓测量模型提出基于参数优化的偏置误差分离方法。实验结果表明，当偏心误差为25μm，工件半径为11.1mm时，相对于传统 Limacon测量模型，四偏置误差测量模型同心度测量准确性提高了0.6μm。
　　再次，针对发动机单级转子圆轮廓滤波精度低问题，设计非等间隔滤波器。基于上述提出的四偏置误差圆轮廓测量模型，分析四偏置误差下圆轮廓测量模型采样角度的分布情况，并建立单级转子真实采样角度分布函数。从中线滤波角度分析，设计非等间隔高斯滤波器，实验结果表明，与等间隔高斯滤波结果相比，对于半径为10.5mm的工件，偏心角测量准确性提高了5.2°；从包络滤波角度分析，设计非等间隔形态学滤波器，结果表明，与等间隔形态学滤波结果相比，对于半径为10.5mm的工件，偏心角测量准确性提高了5.8°。
　　最后，在偏置误差不同量级的前提下，进行单级转子圆轮廓测量和滤波单元实验，并进行多级转子同轴度测量及装配调整方法的有效性单元测试，同时在此基础上进行多级转子同轴度测量及装配调整综合测试。测量结果显示，随着偏置误差量级增大，相对于未消除偏置误差直接装配方法的测量结果，采用消除偏置误差调整装配方法的同轴度误差减小了69%；对同轴度测量结果进行不确定度分析，结果显示，在台面600mm高度范围内，同轴度测量结果为37μm，同轴度测量扩展不确定度为4μm(k=2）。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外航空发动机多级转子装配测量仪研究现状

1.3航空发动机多级转子装配测量仪关键技术研究现状

1.4航空发动机多级转子装配测量方法发展趋势

1.5本研究领域存在的科学问题

1.6本文的主要研究内容

第2章多级转子同轴度测量方法研究

2.1引言

2.2多级转子装配原理及误差来源

2.3多级转子同轴度测量模型

2.4多级转子同轴度测量方法

2.5多级转子装配调整方法

2.6本章小结

第3章单级转子四偏置误差圆轮廓测量技术研究

3.1引言

3.2单级转子偏置误差来源

3.3单级转子四偏置误差圆轮廓测量模型

3.4偏置误差对单级转子圆轮廓测量的影响

3.5偏置误差与单级转子半径间复合作用关系对测量的影响

3.6基于参数优化的偏置误差分离方法

3.7本章小结

第4章 单级转子非等间隔滤波器技术研究

4.1引言

4.2单级转子圆轮廓测量模型采样角度分布

4.3非等间隔采样角度下高斯滤波器设计

4.4交替对称滤波器

4.5非等间隔采样角度下形态学滤波器设计

4.6本章小结

第5章实验结果及不确定度分析

5.1引言

5.2实验装置及环境

5.3单级转子四偏置误差圆轮廓测量实验

5.4单级转子圆轮廓非等间隔滤波实验

5.5多级转子同轴度测量与装配调整实验

5.6多级转子同轴度测量综合实验

5.7多级转子同轴度测量不确定度分析

5.8本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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