孫貴青，趙 哲，季益鈴，王 彤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

裝配作為產(chǎn)品制造過程中的終端，是最為重要的制造環(huán)節(jié)之一[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合技術(shù)指標(biāo)，如性能、可靠性等，主要是在零件加工合格后通過最終的裝配工藝過程來實(shí)現(xiàn)和保證。由設(shè)計(jì)確定的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、連接方式、精度等結(jié)構(gòu)要素，對裝配工藝的影響稱為可裝配性[2]?？裳b配性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量和效率，對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和可靠性起到重要作用。目前，國內(nèi)外對可裝配性設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則及評價(jià)技術(shù)研究較多[2-7]，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56、V2500等借助總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、新工藝等設(shè)計(jì)簡化手段，通過減少零部件數(shù)量和采用單元體設(shè)計(jì)來簡化整機(jī)裝配流程，通過開展人機(jī)工程與維修性設(shè)計(jì)來提高裝配質(zhì)量，其可裝配性設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到較高的應(yīng)用水平[8-10]。

與國外相比，國內(nèi)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可裝配性水平相對落后，大多借鑒國外裝配經(jīng)驗(yàn)。從宏觀角度來看，發(fā)動(dòng)機(jī)主要零組件一般不會出現(xiàn)重大問題，故障往往出現(xiàn)在一些細(xì)小、易被忽略的地方，抑或是設(shè)計(jì)者尚未充分認(rèn)識到的問題。本文結(jié)合科研生產(chǎn)實(shí)踐，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行可裝配性分析和總結(jié)，為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 可裝配性案例分析

1.1 分組設(shè)計(jì)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，后幾級葉片通常采用環(huán)形燕尾榫頭固定，即在輪緣上車出1個(gè)環(huán)形燕尾槽安裝葉片，使加工簡單，裝配方便。考慮到葉片在工作中受熱膨脹以及為了有利于安裝分解，葉片榫頭與鼓筒榫槽設(shè)計(jì)為間隙配合，為防止工作狀態(tài)葉片甩開后，緣板出現(xiàn)周向碰摩或較大串動(dòng)，靜態(tài)裝配時(shí)要求葉片周向總間隙M在合理范圍內(nèi)。

葉片首次裝配或更換新葉片后，通常會出現(xiàn)總間隙M小于規(guī)定要求的情況，操作者會將最后1個(gè)葉片（不帶鎖緊槽的葉片）暫時(shí)不裝，將安裝的葉片手動(dòng)排除活動(dòng)間隙后，用卡尺測量空缺位置的緣板間隙，比對最后1個(gè)安裝葉片的緣板寬度，計(jì)算二者差值，即為裝配工序留給加工修磨工序的修磨值，通過修磨值確定對1片或多片葉片進(jìn)行修磨。目前設(shè)計(jì)要求為：如果裝配后不能滿足總間隙M的要求，允許修磨葉片緣板的2個(gè)周向側(cè)面（如圖1所示），但每邊葉片修磨量有上限要求。有時(shí)會發(fā)生葉片修磨過量，導(dǎo)致葉片修磨后仍無法滿足要求，需要更換葉片進(jìn)行重新修磨，造成葉片的損壞或浪費(fèi)。

圖1 葉片周向間隙要求

在V2500、PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)中，高壓壓氣機(jī)葉片分為正常和偏窄2種，主要通過選配偏窄葉片來滿足周向間隙。如V2500發(fā)動(dòng)機(jī)第6級高壓壓氣機(jī)葉片，偏窄葉片比正常葉片窄0.4 mm，周向間隙要求0.20～0.70 mm，因此在操作上先安裝正常葉片，根據(jù)間隙情況換裝偏窄葉片。允許最多使用26片偏窄葉片，能夠完全滿足要求，減少或避免了葉片緣板的修磨。

類似的還有平衡配重塊設(shè)計(jì)，某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪平衡配重塊只有2個(gè)組別（質(zhì)量分別為9 g和17 g），每次使用都需要進(jìn)行大量修磨，以滿足配重需要。當(dāng)修正面的初始不平衡量過小，通過1個(gè)配重塊無法平衡時(shí)，需要在平衡時(shí)加裝更多的配重塊（一般需要2～3件），并配合以合適的角度來消除轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的剩余不平衡量，但配重塊數(shù)量的增加會增大試車振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。在CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)中，高壓渦輪平衡配重塊分別設(shè)計(jì)為6、7種組別（見表1、2），可以做到直接選配使用，不需要額外修磨。

表1 高壓渦輪配重塊前修正面組別質(zhì)量 g

表2 高壓渦輪配重塊后修正面組別質(zhì)量 g

國外在風(fēng)扇增壓級葉片、壓氣機(jī)葉片、平衡配重塊等機(jī)件設(shè)計(jì)上普遍采用分組設(shè)計(jì)方法，避免了修磨，不僅機(jī)件質(zhì)量得到保障，而且提高了裝配效率。

1.2 非均布設(shè)計(jì)

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，4支點(diǎn)軸承外環(huán)安裝在高壓渦輪后軸頸內(nèi)，軸向用4支點(diǎn)軸承螺母緊固，采用鎖緊環(huán)防松方法。鎖緊環(huán)安裝在軸承螺母徑向安裝槽內(nèi)，通過鎖緊環(huán)上的定位銷插入高壓渦輪后軸頸和軸承螺母周向同一個(gè)卡槽內(nèi)防松（如圖2所示）。其中，高壓渦輪后軸頸后端面和軸承螺母后端周向均布12個(gè)卡槽（如圖3所示）。要求軸承螺母擰緊至一定的力矩（1193～1342 N·m）后，用鎖緊環(huán)鎖緊。在實(shí)際裝配中，在規(guī)定的力矩范圍內(nèi)，高壓渦輪后軸頸后端面和軸承螺母后端的卡槽只有1次機(jī)會重合，或者12個(gè)槽全部對上，或者1個(gè)也對不上，旋轉(zhuǎn)角度需為360°÷12÷1=30°，每次都需采用修磨螺母端面的方法解決，既損壞機(jī)件連接性能，又耗費(fèi)人力物力。而在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)類似設(shè)計(jì)中，高壓渦輪后軸頸后端面周向均布12個(gè)卡槽，而軸承螺母后端面周向均布11個(gè)卡槽，螺母旋轉(zhuǎn)1周，有11次機(jī)會可以對正鎖緊，旋轉(zhuǎn)角度只需為 360°÷12÷11=2.73°，這樣可使力矩范圍更窄，也能1次對正成功。

圖2 軸承螺母鎖緊

圖3 軸承螺母

1.3 防錯(cuò)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)功能極其復(fù)雜，如果出現(xiàn)零組件裝配錯(cuò)誤，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)功能，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，如裝配錯(cuò)誤不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能造成機(jī)毀人亡的重大事故[11]。為避免這些情況發(fā)生，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將容易錯(cuò)裝的部件設(shè)計(jì)成僅有1種裝配結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

如某型發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋組件中的進(jìn)油管在裝配過程中不可見，裝配完成后是否安裝正確不可檢查，而后蓋組件螺栓安裝孔為24處均布（無角向位置標(biāo)識），且后蓋組件與相配件及進(jìn)油管接頭處均有膠圈密封，在裝配過程中呈現(xiàn)緊配合狀態(tài)（如圖4所示）。在實(shí)際裝配中，操作者目視預(yù)估了進(jìn)油管角向位置（此時(shí)已周向串動(dòng)了1個(gè)螺栓孔位置），將后蓋組件安裝到相配件上，安裝過程中緊度較大，認(rèn)為是膠圈過緊，用螺釘強(qiáng)行將后蓋組件壓緊，結(jié)果進(jìn)油管接頭未插入油路接嘴，導(dǎo)致支點(diǎn)軸承斷油失效，造成嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。為此在后蓋組件相配件上增加了防差錯(cuò)臺階銷，避免類似故障發(fā)生。

又如某型發(fā)動(dòng)機(jī)第5級整流葉片外環(huán)前后安裝邊結(jié)構(gòu)及尺寸幾乎相同（如圖5所示），整流葉片反方向裝配（進(jìn)氣邊與排氣邊顛倒），也可以裝進(jìn)機(jī)匣，而且即使裝配錯(cuò)誤，在后續(xù)操作中也很難發(fā)現(xiàn)。在科研裝配中及時(shí)發(fā)現(xiàn)了該問題，并在工藝文件中進(jìn)行特殊標(biāo)記，每次裝配時(shí)由工藝人員及檢驗(yàn)人員多次檢查確認(rèn)，在葉片進(jìn)氣邊標(biāo)記區(qū)別。此問題后續(xù)雖沒有再次發(fā)生，但在不可預(yù)知的人為差錯(cuò)轉(zhuǎn)化為缺陷之前，利用防錯(cuò)設(shè)計(jì)手段避免仍是最好方法。

圖4 后蓋組件安裝

圖5 第5級整流葉片安裝

1.4 考慮工裝與工具的設(shè)計(jì)

工裝與工具是實(shí)現(xiàn)零部件到航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配的重要基礎(chǔ)，在目前串行研制模式下，如果設(shè)計(jì)者關(guān)注不足，就會給裝配工藝實(shí)施帶來困擾，很難實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性控制，甚至無法實(shí)現(xiàn)裝配。

如某型發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級第3級整流器后安裝邊配合柱面是內(nèi)止口（如圖6所示），與其配合的平衡工裝只能采用外止口，必然使工裝和第4級轉(zhuǎn)子葉片徑向間隙減小，造成平衡時(shí)第4級轉(zhuǎn)子葉片沒有分解空間，無法調(diào)整第4級轉(zhuǎn)子葉片下的平衡塊，極大影響了平衡精度和平衡效率。而CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)類似結(jié)構(gòu)中巧妙地采用外止口結(jié)構(gòu)（如圖7所示），并且第3級整流器機(jī)匣較短，有效避免了這一問題的發(fā)生。

圖6 某型發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級靜子結(jié)構(gòu)

圖7 CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級靜子結(jié)構(gòu)

類似地，在國內(nèi)某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上有鎖緊螺母，但在轉(zhuǎn)子軸上缺少反扭結(jié)構(gòu)，需要利用整個(gè)單元體進(jìn)行反扭，安裝工裝時(shí)會給傳動(dòng)線路上的其他機(jī)件帶來劃傷風(fēng)險(xiǎn)和磕碰隱患；對需要水平姿態(tài)裝配的某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇帽罩未設(shè)計(jì)工藝吊點(diǎn)（如圖8所示），導(dǎo)致在實(shí)際裝配時(shí)無法安裝吊具；壓氣機(jī)鼓筒內(nèi)連接螺母距離盤心軸線太遠(yuǎn)，而距離鼓筒內(nèi)徑太近，盤心與盤心間距離不足30 mm（如圖9所示），難以使用扳手工具擰緊或分解，操作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能有效地保障裝配質(zhì)量。

圖8 風(fēng)扇帽罩安裝

圖9 壓氣機(jī)鼓筒內(nèi)連接螺母

在國外，對于工裝與工具，尤其對外場保障工具特別關(guān)注。由于發(fā)動(dòng)機(jī)固有設(shè)計(jì)決定著所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和拆卸的保障工具，因此，PW公司從設(shè)計(jì)之初就將可裝配性（維修性）納入F119發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，在開始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)草圖之前采取綜合設(shè)計(jì)。內(nèi)部設(shè)計(jì)大綱規(guī)定設(shè)計(jì)師要認(rèn)識到必須考慮機(jī)械師如何能拆卸和裝配發(fā)動(dòng)機(jī)部件，所以工具也畫在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖上，以確定裝配工具的可達(dá)性，以及對操作者裝配這些部件所要求的技術(shù)水平。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)應(yīng)協(xié)同工作，為設(shè)計(jì)1種容易裝配和拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)的專用工裝而改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的情況時(shí)有發(fā)生。F119發(fā)動(dòng)機(jī)所有外場可更換件所用工具僅是8件標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)工具，與現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)相比，數(shù)目減少60%，質(zhì)量減輕40%。新工具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：采用鋁合金材料、安全系數(shù)為6、工具由1人操作，操作方便，效率極高[12]。

1.5 平衡精度設(shè)計(jì)

在平衡的技術(shù)要求中，存在部分平衡轉(zhuǎn)速要求和剩余不平衡量要求過高或者對初始不平衡量無要求的情況。

如在某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件中，要求整體葉盤靜平衡轉(zhuǎn)速不低于1000 r/min，由于為整體葉盤，不需要利用平衡轉(zhuǎn)速甩開葉片提高平衡穩(wěn)定性。對剛性轉(zhuǎn)子而言，不論其實(shí)際轉(zhuǎn)速，還是動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子本身的臨界轉(zhuǎn)速，因此只要在“低速”時(shí)能保證達(dá)到動(dòng)平衡精度要求，轉(zhuǎn)子在實(shí)際工作轉(zhuǎn)速條件下仍能達(dá)到規(guī)定的精度要求。如果轉(zhuǎn)速過高，對平衡機(jī)而言啟動(dòng)功率、操作時(shí)間、潤滑保養(yǎng)等均比低轉(zhuǎn)速時(shí)要求高，加長轉(zhuǎn)子啟停時(shí)間，還會使有靜撓度的轉(zhuǎn)子在高速下增大其撓度（動(dòng)撓度），從而造成虛假平衡，增加操作危險(xiǎn)性。

SAE ARP平衡標(biāo)準(zhǔn)和GB平衡標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)一般取G6.3，更高的要求達(dá)到G2.5，而剩余不平衡量的設(shè)計(jì)值明顯比依照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的精度高，有的甚至比G1等級還要高，存在優(yōu)化改進(jìn)空間。

如果轉(zhuǎn)子的初始不平衡量過大，會使平衡好的轉(zhuǎn)子內(nèi)部仍存在較大力矩，在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成較大的轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而破壞轉(zhuǎn)子本身的平衡狀態(tài)。這將會引起整機(jī)振動(dòng)過大，還將使轉(zhuǎn)子零部件出現(xiàn)較大的應(yīng)力、變形、連接松動(dòng)等，所以應(yīng)對轉(zhuǎn)子初始不平衡量給出明確要求，通常取剩余不平衡量的10～15倍為宜。

2 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件數(shù)目繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度及性能要求高，型號規(guī)格相似，在生命周期內(nèi)需要多次裝配、分解及維修，且為手工裝配，工作量大，錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象容易發(fā)生。因此，對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種高度復(fù)雜的產(chǎn)品，除了應(yīng)當(dāng)完善嚴(yán)格的工藝規(guī)劃、裝配操作與流程管理外，更應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)初期對產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析，總體上提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低成本，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)和制造周期。

3 展望

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可裝配性，以下3方面將是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制的重要發(fā)展方向。

（1）結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，要求最大程度減少產(chǎn)品數(shù)量，盡可能地簡化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并進(jìn)行各部件間的結(jié)構(gòu)優(yōu)化整合，便于零部件的加工生產(chǎn)和使用管理，大幅度縮短產(chǎn)品的研制生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的制造裝配效率，易于保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能穩(wěn)定性和工作壽命。

（2）連接自動(dòng)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的人工手動(dòng)裝配方法會使航空發(fā)動(dòng)機(jī)連接面貼合度不均勻，易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)手動(dòng)裝配更易產(chǎn)生誤操作，對工作安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，且生產(chǎn)效率極低?；谧詣?dòng)化連接技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用固定力矩和扭角進(jìn)行安裝，可實(shí)現(xiàn)連接面平穩(wěn)貼合，并可永久存儲裝配數(shù)據(jù)，從而大幅度提高裝配效率，更可為發(fā)動(dòng)機(jī)排故和研制提供重要支持。

（3）虛擬預(yù)裝配設(shè)計(jì)。采用虛擬裝配技術(shù)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝數(shù)字化模型，在設(shè)計(jì)階段即可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程，設(shè)計(jì)者無需通過實(shí)物樣機(jī)就能對發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行多角度、全方位的分析與驗(yàn)證，從而使大量的設(shè)計(jì)、工藝、甚至使用維護(hù)問題在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)并解決，以達(dá)到提高研制質(zhì)量、縮短研制周期的目的。