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2018-10-16 11:47 来源:中国质量新闻网

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基于双球法的燃油喷嘴内腔锥角精密测量系统

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核心提示: 在航空发动机中,燃油喷嘴组件(以下简称“喷嘴”)是各个燃油系统的末端部件,主要用于将燃油雾化以加速混合气的形成,并根据发动机的不同工作状态为燃烧室提供合适数量的、具有良好雾化质量的油雾,从而确保燃烧的稳定性和高效性。

在航空发动机中,燃油喷嘴组件(以下简称“喷嘴”)是各个燃油系统的末端部件,主要用于将燃油雾化以加速混合气的形成,并根据发动机的不同工作状态为燃烧室提供合适数量的、具有良好雾化质量的油雾,从而确保燃烧的稳定性和高效性。作为燃烧室的核心零件之一,喷嘴具有尺寸较小、结构精密、技术要求高和制造工艺复杂等特点,并且其尺寸精度和一致性对于发动机燃烧室的燃油分布、燃烧效率和工作稳定性等均具有很大影响。

一般说来,喷嘴是一类复杂而精密的小型零件,材料多为高温合金,其典型的结构特征包括内锥、中心孔和螺旋槽等。其中,内锥是喷嘴内腔中靠近中心孔的一段区域,长度较短,并且呈现为渐缩状的形态特征,因而其锥角又称为渐缩角。该参数对于喷嘴的流量特性、雾滴尺寸和雾化锥角等都有很大影响。因此,开展喷嘴内腔锥角的精密、高效和自动化测量技术研究,已经成为提升燃烧室整体性能的关键环节。目前,关于锥角的概念及测量原理已有明确的定义与解释,但在绝大多数情况下,仍然采用传统手段和方法进行手工测量。例如,对于常规机械零件上的锥角特征的测量和检定,通常采用正弦规和一些辅助量具进行。虽然能够解决某些通用或特定零件的锥角特征检测难题,但均无法实现燃油喷嘴等小型精密零件上的内腔锥角的精确、快速和定量检测,能应用于生产现场并快速准确直观地检测喷嘴锥角的设备尚处于空白状态,这就导致在国内的生产现场只能通过定性判断或修配测试来筛选出合格的喷嘴零件,不仅降低了喷嘴结构尺寸检测的一致性,而且对喷嘴的流量和雾化特性产生了不利影响。

在这样的背景下,航空工业精密所依托自身在精密、超精密制造技术以及精密测量、测试技术等领域的丰富经验和技术积累,在航空发动机燃油喷嘴组件的精密测试技术方面开展了卓有成效的研究,研制出了基于双球法的燃油喷嘴内腔锥角精密测量系统,可以实现内腔锥角的自动化测量,具有较高的性价比,从而为当前我国航空发动机制造过程中存在的喷嘴等复杂零件的测量效率低和精度差等问题提供了一项技术解决方案。

该测量系统的机械本体采用了紧凑的立柱式结构,主要由底座和运动机构等部分组成。其中,底座采用了00级的天然花岗岩平台,其表面经过网格法检验后的平整度达到了3.5μm,以用于整个系统的支撑与安装;运动机构由X、Y和Z三个直线运动轴构成,以用于实现预定的测量轨迹。在控制系统方面,该测量系统采用了主流工控机(上位机)与专用多轴运动控制器(下位机)相结合的二级位置闭环数字复合控制结构,这种多计算机的控制方式既满足了系统的快速性和实时性要求,也增强了配置和操作的灵活性。上位机与下位机组成主从式控制方式,并采用以太网进行通讯。上位机主要负责各轴状态的实时监控、控制命令的发布以及各种信号的反馈和调整等工作,同时也提供图形化的人机界面,以供操作者进行灵活的测量操作,并负责数据导入、数据采集、结果计算和显示等工作;下位机的核心采用PMAC多轴运动控制卡,主要负责接收上位机的运动指令并进行插补运算,以实现伺服运动控制,如电机运行状态的闭环调节、各轴驱动器的实时反馈、运动轨迹路线的规划和计算、回零和限位信号的处理等工作;同时,下位机还具有误差补偿功能,能够对测量系统的直线度误差、垂直度误差等进行补偿,经过补偿的三轴运动平台的综合精度可以达到5μm。

在锥角的测量与计算中,对被测圆锥孔的轴线、母线和端面等几何特征与锥孔测头的相互位置关系要求十分严格,否则就会产生较大的测量误差。因此,在测量过程中,锥孔测头要对准喷嘴的轴线,才能使测头端部顺利伸入喷嘴内腔中并与内锥面完全接触。为了避免测头轴线与喷嘴轴线之间的偏差所带来的测量误差,基于“浮动入孔”技术设计了具有自适应入孔功能的双球锥孔测头,主要由直线位移传感器、浮动夹头、精密滑动轴承、球杆和钢球等构成。其中,浮动夹头能够在XY平面内提供微小的浮动量,浮动范围为0~1.5mm并且连续可调。通过采用浮动夹头可以使测头端部的钢球在XY平面内进行小范围活动,当其进入圆锥孔而接触到内锥面时,可以自动找到正确的轴线,以使测头轴线自动与喷嘴轴线重合,从而提高了测量精度,并且避免了测头端部的钢球的磨损。

在测量过程中,首先将被测喷嘴零件固定在测量系统工作台面上的夹具中,以使被测喷嘴的几何轴线与测量系统的Z轴之间的平行度误差处于允许范围内。然后,运行上位机软件控制各个直线轴的运动以完成测量数据的采集和保存,最后将测量数据代入公式即可计算得到被测喷嘴零件的内腔锥角α。

由航空工业精密所研制的基于双球法的燃油喷嘴内腔锥角精密测量系统,突破了浮动入孔、多轴运动控制、双球锥孔测头标定、数据高效处理以及系统误差补偿等关键技术,可以实现航空发动机燃油喷嘴组件的内腔锥角的高效精密测量,从而为喷嘴等小型复杂零件提供一项尺寸检测的技术解决方案。

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责任编辑:实习编辑 张攀
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