劉洪慧,劉亮,李明華,東曉,孫清超
(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116024)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的重要因素,其中轉(zhuǎn)子不平衡量過(guò)大是引起的不平衡力是影響整機(jī)振動(dòng)的關(guān)鍵因素之一。而多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子裝配后的初始不平衡量過(guò)大,會(huì)給后續(xù)平衡工藝帶來(lái)困難,同時(shí)在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng),所以在裝配過(guò)程中控制初始不平衡量的大小十分重要。
國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,李常有等[1]通過(guò)振動(dòng)信號(hào)和不平衡響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行不平衡量的預(yù)測(cè)。張冬梅等[2]和紀(jì)福森[3]通過(guò)改進(jìn)平衡工藝和分步平衡精度控制,有效降低了整機(jī)振動(dòng)。隨著研究深入,大家通過(guò)圓度儀圓柱度儀測(cè)量的跳動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,Whitney等[4-5]建立了基于齊次坐標(biāo)變換的公差表示方法。文獻(xiàn)[6-10]通過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)子空間的矢量投影特征實(shí)現(xiàn)多級(jí)轉(zhuǎn)子直線裝配誤差傳遞的分析,文獻(xiàn)[11-12]結(jié)合偏心偏斜預(yù)測(cè)方法采用小位移旋量通過(guò)齊次坐標(biāo)變換建立了轉(zhuǎn)子裝配精度預(yù)測(cè)模型。優(yōu)化方面,曹國(guó)茂[13]和李立新等[14]分別利用Powell法和遺傳算法對(duì)多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子裝配相位進(jìn)行優(yōu)化,有效降低了不平衡量引起的力和力矩。吳法勇等[15-17]通過(guò)分析多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同心度、垂直度與不平衡量的堆疊機(jī)理及裝配參數(shù)對(duì)不平衡量的影響關(guān)系進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化,極大降低了裝配后的初始不平衡量。
目前對(duì)裝配不平衡量的分析中存在一定不足。沒(méi)有考慮實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線的位置,裝配體空間位姿表達(dá)不夠清楚,對(duì)各種不平衡量的分析計(jì)算不夠清晰,很少考慮位姿引起的偶不平衡量,很少區(qū)分裝配后轉(zhuǎn)子整體的靜、偶不平衡量情況,優(yōu)化過(guò)程沒(méi)有考慮各零件質(zhì)心分布情況。
本文使用齊次坐標(biāo)變換,根據(jù)回轉(zhuǎn)軸線的位置確定轉(zhuǎn)子的空間位姿,分析了轉(zhuǎn)子裝配后的初始靜、偶不平衡量及質(zhì)心分布情況,得到了多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子裝配不平衡量預(yù)測(cè)模型,然后介紹了一種基于預(yù)測(cè)模型以初始靜、偶不平衡量及質(zhì)心分布為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化方法。
轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)上一般都使其相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線完全對(duì)稱,但是由于加工、裝配等一系列因素,裝配后的轉(zhuǎn)子總不能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力上的完全對(duì)稱,也就是說(shuō)存在一定的不平衡量,這種不平衡量一般稱作初始不平衡量。由于不平衡量影響因素較為復(fù)雜,通常通過(guò)平衡機(jī)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)(動(dòng)平衡)來(lái)測(cè)量,而本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的零件端面跳動(dòng)及徑向跳動(dòng)數(shù)據(jù),以及零件自身的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素計(jì)算預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的初始不平衡量。
所有的回轉(zhuǎn)體的不平衡量都能表示成靜不平衡量和偶不平衡量疊加的形式,如圖1所示,其中質(zhì)心的偏移形成靜不平衡量,零件的偏斜,即基準(zhǔn)軸線與回轉(zhuǎn)軸線的夾角形成偶不平衡量。
圖1 不平衡量類型
靜不平衡量[18-19]:靜不平衡量等于不平衡質(zhì)量與該質(zhì)量中心(質(zhì)心)到回轉(zhuǎn)軸線距離的乘積,方向與質(zhì)心相位方向相同。
U=e·m
(1)
偶不平衡量[18-19]:力偶不平衡是由兩個(gè)大小相等、方向相反的不平衡慣性力所引起的,力偶不平衡量的大小可以表示為
M=mra
(2)
式中:m為不平衡力偶中質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量;r為質(zhì)點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的距離;a為兩質(zhì)點(diǎn)垂直旋轉(zhuǎn)軸平面的距離。由于這些參數(shù)難以求出,這里使用下面的方法進(jìn)行計(jì)算。
圖2 單件偶不平衡量計(jì)算
毛榮寶[20]對(duì)圓柱體偶不平衡量計(jì)算,這里對(duì)普通回轉(zhuǎn)體由位姿引起的不平衡量進(jìn)行推導(dǎo)。應(yīng)用等效動(dòng)力系統(tǒng)方法, 用7個(gè)質(zhì)點(diǎn)等效原系統(tǒng),回轉(zhuǎn)體繞回轉(zhuǎn)軸線一周的情況完全相同,設(shè)一周4個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量和距離分別是m1和a;理想回轉(zhuǎn)軸線上的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和距離分別設(shè)為m2、b和m3、c;中心點(diǎn)質(zhì)量為m0;各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ix、Iy、Iz。使Y軸和Z軸在回轉(zhuǎn)軸線與實(shí)際慣性軸線去掉靜不平衡量后所組成的平面內(nèi),X軸垂直于該平面。
根據(jù)偏斜角θ可以求得力偶距m0,進(jìn)而獲得偶不平衡量大小為
(3)
偶不平衡量方向與去掉靜不平衡量后的實(shí)際慣性軸線相對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的相位相同。
描述裝配體空間位姿的方法有很多,本文采用齊次坐標(biāo)變換的方法[11]來(lái)描述,即用一個(gè)4×4的矩陣來(lái)表示坐標(biāo)的變換,即
(4)
單件:對(duì)于單件來(lái)說(shuō)可以使用上下兩結(jié)合面及上下止口圓心連線來(lái)表示。通過(guò)止口處徑向跳動(dòng)的擬合獲得圓心位置;通過(guò)結(jié)合面端面跳動(dòng)的擬合獲得平面位置。為了更清晰的表示零件,這里通過(guò)平移變換使下圓心O1與基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合,通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換使下平面與基準(zhǔn)XOY平面重合,這樣就可以通過(guò)表示上零件原點(diǎn)及平面的空間位姿表示這個(gè)零件。單件的表征方法如圖3所示。
圖3 單件的表征方法
單個(gè)回轉(zhuǎn)體零件的空間位置和姿態(tài)可表示為
(5)
裝配體:裝配體的空間位姿可以表示成各個(gè)單件堆疊的形式,即通過(guò)任意一點(diǎn)局部坐標(biāo)系的位置都能由一級(jí)一級(jí)的旋轉(zhuǎn)與平移變換得到其對(duì)于整體基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置。在齊次坐標(biāo)變換中即左乘旋轉(zhuǎn)平移綜合變換矩陣。若以第一級(jí)轉(zhuǎn)子下端面坐標(biāo)系為整體基準(zhǔn)坐標(biāo)系可以表示為
(6)
若考慮裝配相位:相當(dāng)于從第二級(jí)轉(zhuǎn)子開(kāi)始每級(jí)轉(zhuǎn)子多乘一個(gè)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣,即
(7)
此時(shí),第n級(jí)轉(zhuǎn)子質(zhì)心在基準(zhǔn)坐標(biāo)系(即第一級(jí)轉(zhuǎn)子下結(jié)合面坐標(biāo)系)下的位置為
(8)
若轉(zhuǎn)換到以回轉(zhuǎn)軸線為Z軸的坐標(biāo)系,則相當(dāng)于再左乘一個(gè)軸線變換矩陣M0,即
(9)
整體靜、偶不平衡量影響裝配后振動(dòng)的大小,能直接反映裝配體的裝配質(zhì)量。本文通過(guò)空間位姿、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素對(duì)轉(zhuǎn)子裝配后的不平衡量進(jìn)行計(jì)算。
這里進(jìn)行如下假設(shè)[14]:
1) 部件的慣性軸為直線,且和單件兩結(jié)合面的圓心連線重合。
2) 部件的質(zhì)量分布均勻,即不考慮加工不均引起的不平衡量。
3) 部件是剛性裝配,兩件結(jié)合面處圓心重合。
通過(guò)1.1節(jié)的靜、偶不平衡量計(jì)算方法及1.2節(jié)中的裝配堆疊后的空間位姿可以得到每個(gè)單件的靜、偶不平衡量,進(jìn)而可以計(jì)算兩端軸承處的不平衡質(zhì)量矩,如圖4所示。
圖4 軸承處不平衡質(zhì)量矩計(jì)算
將每一級(jí)轉(zhuǎn)子靜不平衡量Dn矢量分解到左右軸承L、R處,然后疊加:
(10)
式中:an為轉(zhuǎn)子質(zhì)心距左端軸承的距離;l為兩軸承之間距離。
將每級(jí)轉(zhuǎn)子偶不平衡量C1矢量相加分解到兩軸承位置L,R得到質(zhì)量矩為:
(11)
則每個(gè)軸承處的質(zhì)量矩為:
EL=DL+CL
ER=DR+CR
(12)
左右兩軸承處的不平衡質(zhì)量矩,可以分解為方向相同的靜不平衡量,和大小相等方向相反的偶不平衡量,即對(duì)整個(gè)裝配體的靜、偶不平衡量。
圖5 整體不平衡量計(jì)算
對(duì)整體靜不平衡量表示為
DA=EL+ER
(13)
對(duì)整體偶不平衡量表示為:
CAL=(b-z)EL+(a-z)ER
CAR=(z-b)EL+(z-a)ER
(14)
式中:z表示整體質(zhì)心位置;a、b表示左右兩軸承位置;CAL和CAR大小相等方向相反,不平衡量相位使用其中CAR的方向表示。
質(zhì)心分布情況表示裝配體各個(gè)單件質(zhì)心位置的分布范圍,質(zhì)心分布情況不止通過(guò)影響裝配體不平衡量影響裝配質(zhì)量,同時(shí)在工作的過(guò)程中,由于質(zhì)心不在同一條直線會(huì)給各零件結(jié)合面帶來(lái)附加的彎矩,其次質(zhì)心分布更分散在轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中如果發(fā)生變形時(shí)還會(huì)引起較大的附加不平衡量。所以在裝配體不平衡量預(yù)測(cè)的同時(shí),各單件的質(zhì)心分布情況也值得考慮分析。
參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1101-2012[21]中同軸度誤差的定義方法,以基準(zhǔn)軸線(根據(jù)實(shí)際情況以回轉(zhuǎn)軸線為基準(zhǔn)軸線)為軸線,以包容各質(zhì)心截面提取質(zhì)心點(diǎn)的最小圓柱面半徑t表示質(zhì)心分布情況。
t=max(δ1,δ2,…,δn)
(15)
式中δ表示質(zhì)心到基準(zhǔn)軸線(回轉(zhuǎn)軸線)的距離。
至此就得到了完整的轉(zhuǎn)子不平衡量預(yù)測(cè)模型,即通過(guò)圓柱度儀測(cè)試的跳動(dòng)數(shù)據(jù)等計(jì)算獲得在回轉(zhuǎn)軸線坐標(biāo)系下的單件靜、偶不平衡量,整個(gè)轉(zhuǎn)子裝配體的靜、偶不平衡量及質(zhì)心分布情況。
多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子主要采用螺栓連接,上下連接件相對(duì)相位不同直接影響裝配后的初始不平衡量。進(jìn)行裝配相位的多目標(biāo)優(yōu)化可以找到滿足目標(biāo)要求的最佳裝配相位,實(shí)現(xiàn)裝配后各個(gè)因素綜合性能達(dá)到最佳,從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量的目的。
評(píng)價(jià)多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子的裝配質(zhì)量的因素有很多,包括同心度、同軸度、不平衡量等,本文根據(jù)不平衡量預(yù)測(cè)模型選擇3個(gè)優(yōu)化目標(biāo),包括整體的靜不平衡量和偶不平衡量的大小,還有各零件質(zhì)心分布情況。三者都是影響裝配質(zhì)量的重要因素,這3個(gè)值越小裝配后的轉(zhuǎn)子質(zhì)量越高,所以目標(biāo)函數(shù)取它們的最小值,即:
(16)
式中:F1表示轉(zhuǎn)子整體靜不平衡量大小;F2表示轉(zhuǎn)子整體偶不平衡量大小;F3表示質(zhì)心分布情況;多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子共有n級(jí);xi表示第i+1級(jí)轉(zhuǎn)子的安裝相位;R=[R1,R2,…,Rn]T表示轉(zhuǎn)子的基本數(shù)據(jù)包括質(zhì)量、高度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等;ε=[ε1,ε2,…,εn]T表示轉(zhuǎn)子的跳動(dòng)數(shù)據(jù);函數(shù)f表示轉(zhuǎn)子裝配不平衡量預(yù)測(cè)模型的計(jì)算過(guò)程。
設(shè)計(jì)變量:多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子由多個(gè)單件逐級(jí)堆疊而成的,每一級(jí)轉(zhuǎn)子都有自己的安裝相位,所以以第一級(jí)轉(zhuǎn)子以外的單件裝配相位為設(shè)計(jì)變量,設(shè)計(jì)變量的總個(gè)數(shù)取決于多級(jí)轉(zhuǎn)子的級(jí)數(shù)。
x=[x1,x2,…,xn-1]T
(17)
式中n是轉(zhuǎn)子總級(jí)數(shù)。
約束條件:由于多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子主要由螺栓連接,所以裝配相位主要由連接上下單件的螺栓孔數(shù)量限制,若多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子第i級(jí)和第i+1級(jí)間的連接螺栓有mi個(gè),則第i+1級(jí)的裝配相位取值為
(18)
可以看出設(shè)計(jì)變量為離散型變量,是裝配相位優(yōu)化的主要約束條件。綜上,得到的優(yōu)化方程為:
(19)
裝配相位優(yōu)化屬于離散變量的求極值問(wèn)題,優(yōu)化算法有很多,這里選擇一種效率較高且結(jié)果可以滿足要求的一種多目標(biāo)遺傳算法(NSGA-Ⅱ),算法流程圖如圖6所示。
結(jié)果篩選:經(jīng)過(guò)遺傳算法NSGA-Ⅱ優(yōu)化獲得最終種群,由于3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)沒(méi)有明確的優(yōu)劣關(guān)系,理論上最終的種群中所有值即為優(yōu)化非劣解組(即沒(méi)有任何一個(gè)個(gè)體的3個(gè)目標(biāo)值均小于另一個(gè)),這里為了得到唯一確定優(yōu)化結(jié)果,需要進(jìn)一步的篩選,即進(jìn)行優(yōu)中選優(yōu)。需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇,本文的篩選函數(shù)設(shè)置為:
(20)
式中M表示結(jié)果中的中位數(shù)。
本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓模擬轉(zhuǎn)子(圖7)為例,對(duì)轉(zhuǎn)子裝配不平衡量進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化。該模擬轉(zhuǎn)子由前軸、一級(jí)盤(pán)、二級(jí)盤(pán)、三級(jí)盤(pán)、渦輪盤(pán)和后軸等6個(gè)單件組成,轉(zhuǎn)子相鄰兩級(jí)盤(pán)間采用法蘭盤(pán)連接、止口過(guò)盈配合定位、螺栓鎖緊的結(jié)構(gòu)形式。為更接近實(shí)際情況,這里假設(shè)整個(gè)轉(zhuǎn)子上下兩測(cè)量處徑向跳動(dòng)擬合圓圓心連線為整體回轉(zhuǎn)軸線,即不平衡量計(jì)算及質(zhì)心分布的基準(zhǔn)軸線。
圖7 高壓模擬轉(zhuǎn)子模型
首先通過(guò)測(cè)試的端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)數(shù)據(jù)及測(cè)量位置和測(cè)量半徑等信息計(jì)算表示每個(gè)單件的4×4表征矩陣。經(jīng)過(guò)堆疊裝配,計(jì)算獲得每個(gè)結(jié)合面處擬合圓心的位置;根據(jù)假設(shè)求回轉(zhuǎn)軸線位置,即首末兩圓心連線。再旋轉(zhuǎn)裝配體使Z軸與回轉(zhuǎn)軸線重合,即在堆疊過(guò)程中,左乘矩陣M0。
(21)
進(jìn)而計(jì)算獲得各個(gè)單件裝配后在回轉(zhuǎn)軸線坐標(biāo)系的質(zhì)心坐標(biāo),如表1所示。
表1 質(zhì)心位置
根據(jù)質(zhì)心坐標(biāo)及質(zhì)量數(shù)據(jù),計(jì)算得到靜不平衡量,如表2所示。
表2 各單件靜不平衡量
根據(jù)單件軸線與回轉(zhuǎn)軸線的位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算得到各單件裝配后的偶不平衡量,如表3所示。
表3 各單件偶不平衡量
根據(jù)各個(gè)單件靜、偶不平衡量,計(jì)算對(duì)于整個(gè)裝配體的靜、偶不平衡量,如表4所示。
表4 整個(gè)裝配體不平衡量
利用Python geatpy工具包進(jìn)行裝配相位優(yōu)化。種群規(guī)模200,算子變異概率0.1,算子交叉概率0.9,最大進(jìn)化代數(shù)1 000。
得到的最終非劣解組如表5所示。
表5 非劣解組
其中x1、x2、x3、x4、x5為第2~6級(jí)轉(zhuǎn)子單件的裝配相位,x1、x2、x3有36個(gè)裝配相位取,相鄰位置相差10°;x4有24個(gè)裝配相位,相鄰位置相差15°;x5有18個(gè)裝配相位,相鄰位置相差20°;F1為裝配后整體初始靜不平衡量大小,g·mm;F2為初始偶不平衡量大小,g·mm2;F3為單件質(zhì)心分布情況,mm。
經(jīng)過(guò)結(jié)果評(píng)價(jià)選出來(lái)的最優(yōu)結(jié)果如表6所示。
表6 優(yōu)化結(jié)果
與初始相位裝配和隨機(jī)裝配對(duì)比,結(jié)果如表7和圖8所示。
表7 結(jié)果對(duì)比
圖8 結(jié)果對(duì)比
由表7和圖8可知,優(yōu)化方案對(duì)比初始和隨機(jī)裝配明顯降低了裝配之后的靜不平衡量、偶不平衡量以及零件質(zhì)心分布范圍。其中對(duì)比初始狀態(tài)靜不平衡量降低至5.11%,偶不平衡量降低至7.09%,零件質(zhì)心分布范圍降低至14.29%,優(yōu)化效果明顯。
與不考慮質(zhì)心分布的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比,結(jié)果如表8所示。
表8 兩優(yōu)化方法比較
兩種優(yōu)化方法的質(zhì)心分布范圍及延回轉(zhuǎn)軸線投影對(duì)比,如圖9所示。
圖9 質(zhì)心分布范圍及延回轉(zhuǎn)軸線投影對(duì)比
如圖9所示,考慮質(zhì)心分布優(yōu)化對(duì)比未考慮質(zhì)心分布的優(yōu)化相比,前者能明顯控制質(zhì)心分布范圍,但同時(shí)靜、偶不平衡量也隨之升高,工程實(shí)際中需要考慮具體情況選擇合適的優(yōu)化方法。若只關(guān)注裝配不平衡量引起的振動(dòng),則不考慮質(zhì)心分布;若考慮質(zhì)心位置引起的零件結(jié)合面彎矩和發(fā)生變形后的不平衡量情況,則可以選擇考慮質(zhì)心分布的優(yōu)化方法。
遺傳算法優(yōu)化結(jié)果與窮舉法優(yōu)化結(jié)果對(duì)比,如表9所示。
表9 遺傳算法與窮舉法對(duì)比
使用窮舉法最終獲得的非劣解一共103個(gè),按照上述優(yōu)化方法的使用相同的最終篩選方式進(jìn)行選擇,最終結(jié)果見(jiàn)表9。靜、偶不平衡量及質(zhì)心分布范圍對(duì)比,兩種優(yōu)化方式優(yōu)化結(jié)果差距不大,而在所用時(shí)間方面,使用遺傳算法優(yōu)化效率提升明顯,說(shuō)明此優(yōu)化方法準(zhǔn)確高效,有實(shí)際工程意義。
1) 本文提出一種新的多級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子裝配不平衡量預(yù)測(cè)模型,能有效的根據(jù)質(zhì)量、跳動(dòng)數(shù)據(jù)等條件,預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子各個(gè)單件及裝配體在回轉(zhuǎn)軸線坐標(biāo)系下的初始靜、偶不平衡量。
2) 該模型在不平衡量預(yù)測(cè)的同時(shí),可以根據(jù)實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線位置的預(yù)測(cè)各個(gè)單件的質(zhì)心分布情況。
3) 基于轉(zhuǎn)子不平衡量預(yù)測(cè)模型以裝配相位為設(shè)計(jì)變量,以轉(zhuǎn)子裝配體初始靜、偶不平衡量及質(zhì)心分布為優(yōu)化目標(biāo)使用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。結(jié)果表明:可以有效降低裝配后的初始靜、偶不平衡量同時(shí)控制質(zhì)心分布情況,并與窮舉法優(yōu)化效果對(duì)比,證明該方法可以保證準(zhǔn)確度同時(shí)節(jié)約大量時(shí)間。