关于航空发动机的有关研究剖析

1、1第一章绪论1.11.1课题背景及研究意义航空发动机作为航空飞行器的动力装置，通过典型的压缩、燃烧加热、膨胀做功和 排气放热热力循环过程，将航空燃油燃烧产生的化学能转换为发动机的机械能，为航空 飞行器提供所需推力。航空发动机作为飞行器的心脏，因结构复杂、可靠性要求高、生 产加工工艺复杂而被誉为现代工业皇冠上的明珠。随着科学技术以及航空工业的不断发展，飞机的动力装置的性能不断提高，自装备了燃气涡轮喷气式发动机的飞机在德国于 19391939年9 9月2727日首次成功试飞以来，航空燃气涡轮发动机开始得到广泛应用和迅猛发 展。而涡轮是燃气轮机的主要部件，其性能直接影响到整机的工作质量。某型航空发动

2、机大修时发现涡轮机匣由于工作环境问题造成轻微变形，导致涡轮机匣外环与转子装配后同心度降低，造成涡轮机匣外环与转子间叶尖间隙不符合设计要 求。从而导致航空发动机效率下降，甚至转子叶片叶尖与机匣外环碰磨等不良现象时有 发生。进行维护修理前，不仅要对涡轮机匣外环中心与转子中心的同心度进行检测，而 且要对涡轮机匣外环内各点相对转子中心的准确半径进行检测，确定碰磨发生位置。通 过作者参与设计的“同轴回转式测量机构”能够对涡轮机匣外环块内轮廓参数进行精确 测量，获得其形位误差数据，经过数学计算后获得涡轮机匣外环块圆心相对于转子圆心 的准确空间位置与涡轮机匣外环块内各点相对转子中心的准确半径，确定需要维修的

3、加工点位置，为进一步对机匣进行修理提供了数据支持。1.21.2回转体测量仪发展概述随着工业、农业以及国防建设等领域地不断发展，回转体工件被广泛应用：大到汽 车、飞机、火箭的发动机零部件，大型轮船的部件以及各种工业生产设备的部件，小到 惯性元件的框架结构、转子结构等都是回转体结构的工件，其在国防和国民经济中占有 较大的比例。回转体工件被定义为由一条母线绕回转轴旋转而得到的结构体，这条母线 可以是直线，也可以是圆弧或者曲线，得到的工件表面形状可以是圆柱面或圆锥面等。 在坐标测量机出现以前，已有一些方法用来测量回转体的空间尺寸，如采用高度尺和量2规等通用量具在平板上测量内外直径、高度等，以及采用专用

4、的量规、验棒、心轴等量 具测量孔的同轴度及位置度，但这些方法效率低、精度不易保证、劳动强度大，人为因 素对于测量结果的影响较大 。常见的回转体工件包括气缸套、陀螺转子、陀螺框架等， 其具体结构会因其具体用途不同而有很大差异2。经典的三坐标测量机拥有 X X、丫、Z Z三个方向的运动导轨，可在空间范围内测出各个被测点的坐标值，根据这些点的空间坐 标值，经过科学运算，即可求出被测工件的几何尺寸、形状和空间位置，但对于回转体 的测量，通用的三坐标测量机的效率相对低下，无法达到生产检测的需求，需要研制出 针对回转体工件的专用坐标测量技术 。国外对于回转体测量仪的研究较早，发达国家如美国、德国、英国、日

5、本等都投入 了大量资金用来发展基于空间坐标的回转体测量技术，坐标测量巨头蔡司(Zeiss)(Zeiss)、三丰(Mitutoyo)(Mitutoyo)、海克斯康(Hexagon)(Hexagon)、雷尼绍(Renishaw)(Renishaw)等全球知名品牌都研制了基于坐标 测量的回转体测量仪4。L.S.L.S. WangWang和D D丄丄eeee开创性地在薄壁件内外径进行测量时使用 了激光扫描的方法，使之成为了一种新的非接触测量回转体内外径的方法5。日本的KeijiKeiji KatakaKataka设计了一种位移变化传感器，其利用激光三角法，通过在待测回转体内、 外表面进行扫描，从而获得

6、回转体的轮廓变化，得到内外径的尺寸以及圆度、粗糙度等 形位误差数据。M.AsadaM.Asada等采用激光对放置于精密转台上的回转体进行扫描，同时用 双目摄像机系统采集信息，最终实现对回转体的三维重构。我国自7070年代开始便开始引进并研制坐标测量机，到现在已经有了很大发展，主 要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、上海机床厂、北京机床研究所等。国内对回 转体测量仪的研究起步虽然较晚，但也取得了一定的成果。大连理工大学研制了一台能 够对旋转体类工件在一次安装的条件下对其内、外轮廓的全部几何参数及轮廓度误差进行检测的精密仪器。该仪器的传感器沿其法线方向对旋转的工件进行极坐标测量，实现 了对组合型

7、复杂旋转体类工件的高精度测量。长春理工大学的徐熙平教授利用线阵CCD-TCD2901DCCD-TCD2901D搭建了能够精确测量回转体直径尺寸的测量系统。中国工程物理研究院电子工程研究所的蒲竞秋将谐波分析技术应用于回转体测量当中，得到了精确的回转体轮廓数据10。31.31.3 主要研究内容本课题的主要研究内容为设计一台可以在装配车间对航空发动机涡轮机匣外环真 实圆心位置与外环块上个点到真实转子旋转中心半径进行测量的检测系统一一同轴回 转式测量机构，如图1.11.1所示。图1.1同轴回转式测量机构简图图1.2线性测微计542系列细长型测量机构通过定心标准件保证立柱与被测工件基准回转轴线同轴，通过

8、磁力吸盘固定在工作平台之上，传感器采用日本三丰 MITUTOYOMITUTOYO制造的线性测微计542542系列细长 型，其不但外观小巧，而且精度能达到 0.50.5呵，如图1.21.2所示。传感器沿L L型标尺滑动 到与被测工件接触后锁死。开始测量时，由低速电机带动L L型标尺与传感器测头围绕立 柱做回转运动，电机内有角度传感器，采集到的数据通过传感器传入电脑之中，经数据 处理后获得测量结果。研制该测量机构在软件方面主要面临两大难题，一是如何取得准确的测量结果，二是如何对测量结果进行分析处理获得需要的最终数据。本文从测量数据采集环节开始到 数据处理得到最终数据给出了完备的全套解决方案。4本文

9、主要研究内容为：使用先进的小波分析方法，对标定后的数据进行高效，合理的滤波降噪。在保证不 影响有效数据的前提下滤除噪声信号。获得较纯净的涡轮机匣外环形位误差信号。根据工程实际对圆度误差评定方法进行改进，使其能够在小圆弧条件下进行较精确 的圆心拟合。最终获得涡轮机匣外环圆心相对于转子圆心的偏心度与偏心角，与涡轮机 匣外环内各点相对转子中心的准确半径，确定碰磨发生位置。对测量机构在数据采集环节可能掺杂的无效数据进行分析归类，对各类误差的产生原理进行分析，建立数学模型，给出对应的标定方法，确保收集到的数据的真实性与有 效性。1.41.4对应研究重点的国内外发展概况1.4.11.4.1小波变换理论及其

10、在机械工件精度检测的应用小波分析是由数学理论中调和分析技术发展而来的一门新兴学科。它的提出不仅拥有坚实的数学理论基础，并且具有广阔的应用前景。一名从事石油信号处理的法国工程 师J.MorletJ.Morlet，在19841984年首先提出小波变换的概念。在这之后于 19861986年，构建基本小波 的统一方法以及多尺度分析方法被数学家 Y.MeyerY.Meyer与S.MallatS.Mallat合作解决。从此以后，大 量的学者涌入这一兴新学科之中，并获得了大量的研究成果。小波变换是一种在时域和频域上进行伸缩和平移等运算的局域变换，在多尺度上对函数或信号进行精细化分析。它可以有效地从信号中提取

11、出特征信息。因其在低频部分， 其具有高的频率分辨率和低的时间分辨率，而在高频部分，其具有高时间分辨率和低的 频率分辨率。近3030年来，小波分析理论经过不断发展，已开始与复分析、算子理论、偏微分方 程、混沌问题、分形理论、逼近论等其他数学分支相互融合，并在信号处理、量子场论、 图像处理、机械故障诊断、语音识别与合成以及通信等技术领域得到了广泛应用。在现实生活中，大多数信号并不是平稳信号，而小波分析相比与其他方法更适用于 处理非平稳信号。对各类非平稳信号利用小波分析的方法进行滤波处理，就是将由不同 频率组成的混合信号分解为小的频段，并对这些子信号进行分析处理，从中提取出有用 信息，这种方法即为多

12、分辨率分析。5目前，小波分析方法被广泛应用于检测机械工件精度的研究。如华中科技大学的陈庆虎运用小波变换进行表面综合形貌分析，将表面误差分离为形状误差、表面波度和 表面粗糙度三种误差，同时得出其分布特点，并给出了“小波基准线”这一新的粗糙度 评定基准线11。文献12,12,错误！未定义书签。提出了运用小波变换计算粗糙表面分形维 数的新方法，应用小波变换和分形理论综合分析了机械加工和机械磨损所产生的粗糙表 面形貌特征1213。文献1414用小波分析法提取发动机缸孔珩磨表面的表面参数，并用小 波变换模极大值对三维内表面进行奇异特征的分解和重构，获得所要求得的形貌参数， 克服了传统滤波技术难以提取表面

13、局部奇异特征的问题14。文献1515研究了基于小波分解和重构的数据处理方法，对传感器采集信号中包含的形貌误差信息进行提取和分析， 取得曲轴表面几何形状误差，使其能够在线测量曲轴非圆磨削中圆度误差15。文献1 16 6应用小波包分解和小波多分辨分析的方法进行表面形貌测量，能够准确地分离出测量信号中的形状误差、波纹度和表面粗糙度等信号成分，从而提出用小波包分析求表面粗糙 度的新方法，定义了“小波包中线”16。文献1717对轴承内圈形状误差、波纹度和表面粗糙度三项误差的分离基于小波包分解与重构技术，从而得到了三种误差的时域特性及频谱特性图17。文献1818提出的评价圆度误差的方法是基于小波变换的多分

14、辨率分析， 该方法主要依据小波变换尺度函数的低通特性来处理圆度测量数据进行，由此来提取轮廓特征，并以此为基础求出其半径和圆心坐标，从而求出圆度误差18。此外，文献1 19 9提出了一种基于小波分析的精细误差分离方法，用来解决激光CCDCCD灵敏度高，干扰噪声容易混入测量数据中的情况，运用谐波分析的思想方法和小波理论中 MallatMallat多频率分 析算法进行误差分离，从而获得较精确的圆柱度误差619。文献2020利用小波变换的消噪滤波方法，滤除高、中频信息和环境噪声的干扰，使得在线检测圆度误差的精度大大提 高20。142142 圆度误差理论与检测技术的研究现状1 1、圆度误差的检测方法在最

15、近1010年当中，圆度误差检测技术得到快速发展，已由传统的人工视觉检测发 展到计算机自动化检测，大大提高了检测效率和精度。依照检测方法不同可区分为接触式检测和非接触式检测:(1)(1)接触检测：“当测量时仪器的测头与工件被测表面直接接触，并有测量力存在时 为接触测量。目前大部分的圆度误差测量为接触测量。如测工件圆度的两点法、三点法、 两点三点组合法，利用圆度仪或触头式三坐标测量机测量工件形状位置误差均为接触测量。传统的检测方法只是近似测量，如“两点法”就是用的游标卡尺、千分尺、光学比 较仪等测量孔、轴直径，从而计算圆度误差，这并不符合圆度的定义，但因方便测量， 所以在生产实践中常被应用，但其效

16、率低，测量精度无法满足要求。在圆度误差测量装 置方面，目前圆度误差测量最有效、最理想的手段仍为圆度仪。但是，操作环境和条件 对圆度仪的准确性影响较大，一般仅限于计量室中使用，无法用于车间现场；此外，圆 度仪作为一种高精度的仪器，价格昂贵，经常地用于一般工件的测量，不利于成本控制； 而且，由于圆度仪的规格所限，只能对中小型工件的圆度误差进行测量。三坐标测量机 对于中小型精密工件的测量也是一种精确有效的测量仪器，但对于轴类工件的圆度误差测量存在不便，对大型、长轴类工件装夹困难。同时，三坐标测量机成本高，不适合车 间现场的在线检测。”21(2)(2)非接触式检测：“非接触式测量主要是指利用光学、声学

17、、电磁学等领域中的基本原理，通过适当的算法将一定的物理模拟量转化为工件表面的坐标点，使得测量时仪 器的传感元件与被测表面不接触。比如通过CCDCCD对圆形截面进行扫描，采样信号经过滤波降噪，图像增强处理，最终获得截面圆的实际轮廓，经过计算圆度误差，圆度误差 的计算结果最终呈现在终端显示设备上。目前对非接触检测圆度误差的研究还处于初级 阶段，技术还不够完善。” 227总结起来，接触式测量仪的优点是技术成熟，操作简便，量程大，可得到被测表面 的连续表面轮廓曲线，伪劣点少、精度高、重复精度高；缺点是测量时触针与被测表面 直接接触，由于存在测量力，容易对被测表面与针尖造成损伤，所以不适用于质地软脆 的

18、精密加工表面的测量；非接触式测量仪器大部分应用光学原理进行数据的采样，其优 点是非接触，不会对被测表面造成损伤，测量速度较快，缺点是无法得到被测表面的连 续轮廓，结构原理较复杂，量程一般相对较小；综上所述，非接触式测量在安全性、可 靠性、快速性和测量易损柔软工件等方面有明显的优势，而接触式测量技术成熟，操作 简便，在精度上也具有优势23 o2 2、圆度误差检测仪器如今，圆度误差测量的最有效手段仍为圆度仪，可将圆度仪按照结构的不同分为主 轴旋转式和工作台旋转式两种：主轴旋转式：被测工件被固定在工台上不动，仪器的主轴带传感器和测头一起旋转。 测量时工件固定不动，可对较大工件的圆度误差进行测量；工作

19、台旋转式：传感器和测头固定不动，被测工件放置在仪器的回转工作台上，随 工作台一起回转，这种仪器适于对小型工件的圆度误差进行测量，常被制成紧凑的台式 仪器，测量原理是当仪器测头与实际被测圆轮廓接触时，就可以通过测头反应出实际被 测圆轮廓的半径变化量，这一变化量经传感器接收，并转换成电信号输入电气系统，经 放大器、滤波器导入微机系统，实现数据的自动处理及结果显示 24 03 3、圆度误差评定对工件轮廓的测量是圆度误差的评定依据，对于同一测量轮廓来说，选择不同的圆 度评定中心，有可能会得到不同的半径差值，即圆度误差值并不唯一。有四种评定圆度 误差的方法：最小二乘圆法（LSCLSC）、最小区域法（MZ

20、CMZC）、最大内接圆法（MICMIC）和最小外接 圆法（MCCMCC）25 o最小区域法对圆度误差的评定是以包含被测圆最小区域的两个同心圆的半径差作 为评判标准。要求被两个同心圆包容的实际被测轮廓上至少有四个与这两个同心圆接触 点成内外相间顺序排列，两个同心圆之间的区域即为最小包容区域，最小区域法的圆度 误差值为两个同心圆的半径差；最小二乘圆法是寻找一个理想的圆，使各被测点到该圆周的距离的平方和为最小。 8将圆心假定为最小二乘圆圆心，继而求出圆度误差。最小二乘圆法的关键在于寻找圆心 和最小二乘圆半径；最小外接圆法是把实际被测轮廓的最小外接圆作为外包容圆，做能将被测轮廓包容的最大内接圆的同心圆

21、，则最小外接圆定义下的圆度误差值即为这两个同心圆的半径 差；最大内接圆法是把实际被测轮廓的最大内接圆作为内包容圆，做能将被测轮廓包容的最小外接圆的同心圆，则最大内接圆定义下的圆度误差值即为这两个同心圆的半径差25国标规定形位误差的评定要遵循最小包容原则，上述方法唯有最小区域圆法复合最 小包容区域法，剩下的三种方法均为近似方法，因此最小区域圆法可以作为是评定圆度 误差值的仲裁方式，从误差理论来讲，以最小二乘圆法作为评判标准是最合理的，因其 圆度误差的数值和中心位置均是唯一的，评判结果不易受到个别较大误差的影响，能反 映实际轮廓的综合情况，且计算简单，结果可靠，容易实现，较为常用，现今，应用最 小

22、二乘法评定形位误差的技术已趋于成熟，在一般精度下可满足需求，因而在生产领域 被广泛应用23。但最小二乘法不符合最小包容原则，其结果仅为近似解，不能满足高精 度评定需要。用最小包容区域进行评定过程中，固然可以根据定义构建出符合的数学模型，但数 学模型的计算求解方法在理论上还无法达成共识，甚至在学术观点上还存有较大的分 歧，目前利用最小包容区域评定的数学方法有很多，其中大部分采用数值分析的方法进 行处理，有不少优化算法在国内发表，并各自验证了能达到其提出的理论精度，但比较 复杂和耗时，受到实际测量的限制，未能在实际生产中得到推广与应用23 0143143 形位误差与表面形貌测量理论概述对形位误差理

23、论及检测的研究在国外发展较早，从研究如何测量工件的直线度误差开始，发展到对平面度、圆锥度、圆柱度、圆度、球度等形位误差的测量评定，至今已 有约一百年的历史。在形位误差的理论研究和测量设备及标准化等方面，欧洲、日本、 北美等工业发达国家和地区均处于世界领先水平26 0我国从上世纪7070年代末才开始较系统的对形位误差进行研究。自形状和位置公差 国家标准颁发以后，关于形位误差测量与评定理论的研究开始迅速发展，已从最初对平 面度、直线度、圆柱度和圆度的评定逐渐发展到对圆锥度、平面孔组位置度、对称度及 9跳动等位置误差项目的评定，研究人员还根据不同类型的工件，对形位误差的各类测量 方法、数据处理方法等

24、进行了开发与研究；在理论研究发面，从建立在单一研究对象的 数学模型逐渐发展称为建立在多个研究对象上的数学模型，从线性模型的建立发展到非线性模型的建立；在评定算法方面，从一开始的最小二乘法原理发展到近似最小条件评 定方法，从对最优化理论中的现有算法进行简单套用渐渐发展到联系形位误差的特点改 进现有算法，以提升运算速度和评定精度，并不断提出多种具有可行性的新算法，并在 理论研究的基础上，按照生产实践需要研制出了多种采用计算机控制的形位误差测量装 置和在线测量系统；在形位误差的分布规律上，由于初期对其认识不清，理论上又存在 分歧，致使对贯彻标准的实施产生了不利影响，经过多年来不少研究者的不懈努力，获

25、 得了比较可靠的结论勿。总体来说，在短短二十多年里国内对形位误差的研究获得了可 喜的成绩，但与世界先进水平尚有很大差距。表面形貌是指工件在加工过程中因诸多因素综合作用而残留在工件表面的各种不 同形貌和尺寸的微观几何形态，表面形貌对工件装配后整体设备的工作性能， 使用寿命, 振动与噪声都有很大影响，因此如何对表面形貌进行测量，标定，评价成为了国内外科 学家们的一项重要研究课题27。1、最小二乘多项式拟合法：“其评定表面形貌的原理是用一多项式函数描述被测表 面，多项式系数由最小二乘法获得，继而得到评定基准。但受限于函数形式和多项式阶 次，最小二乘多项式拟合仅是对表面低频信号的一种近似拟合，无法保证

26、拟合效果，且 无法对三维表面功能进行评定，也很难确定经过多次加工生成的表面的适合基准面。;2 2、滤波法：“滤波评定方法无需用某一具体函数描述表面形貌，它可生成连续变化 的基准轮廓，可与表面原始形貌实现良好匹配。” 27(1)(1)高斯滤波法：“将随机理论应用于表面评定，可在一次滤波过程中同时获得表面 粗糙度和波度信息，但在工程实践中工件表面不仅含有特定频率的正弦波，还包含大量无周期的特征信号。由于傅立叶变换导致的边界效应，使得测量信息无法被充分利用， 而且表面缺陷也会导致滤波基准变形。文献 2828阐述了高斯滤波法在评定三维表面信息 时的不足，为克服这个缺点，提出了稳健高斯滤波原理并给出了算

27、法。” 28数字滤波法：“文献2929用2RC2RC滤波和高斯滤波的算法程序根据不同的截止频率 对圆柱体工件截面的轮廓要素进行处理， 对提取出的轮廓要素的质量和速度在不同滤波10方法和不同截止频率下进行分析29。文献3030在HYQ214BHYQ214B型圆度仪上应用数字滤波技 术后，仪器的测量性能得到了显著改善，提高了检测精度和测量效率，并能实现快速数字 化测量。” 30(3)(3) 小波滤波法：“将采集到的原始信号通过小波变换技术分解到不同的尺度空间， 在不同尺度上对各种表面形状误差进行分离和提取，在时域与频域上都具有良好的局域 化特性。小波滤波改善了旧式滤波方法的缺陷，但由于分界波长和采

28、样频率决定了小波 的分解次数，对于不同的表面加工精度、分界波距和采样频率，其分解次数也不相同。此外，小波分析中小波函数的选择也对其有效性影响较大。文献3131在识别和提取三维表面特征时直接使用小波分析原理，提出了表面奇异特征值的分析和评定方法，宏观的 对三维表面特征进行了描述，并对三维特征的位置分布进行了定量地微观分析。” 313 3、分形法：“对表面形貌用分形维数 D D进行表征，分形维数根据加工工艺和材料的 不同而变化，分形维数D D与加工表面精细度成正比。但并不是全部表面都具有分形特征, 表面的功能特性无法在现有的分形数学模型中体现， 也还没有研究出确定分形参数的方 法。因此分形理论还无

29、法应用于实际应用当中。” 274 4、复合评定法：“小波和分形方法是获取表面特征参数最有效的工具，很多工作表 面都有统计自相似性和自组织性的分形特征，利用小波的多尺度特性，可以观察和分析 不同尺度下的工作表面形貌特征。利用该方法可以确定特征信息的小波分量尺度，其计 算过程是：（1 1）通过分形表面的小波模型，采取最大似然估计法，计算获得分形维数；（2 2） 通过分形维方法，获取特征信息的小波分量尺度；（3 3）从表面形貌信息中分离提取出形状 误差，波纹度和粗糙度等特征信息。文献3232在分形曲线的处理中融入小波变换方法， 较好地得对磨损形态的分形参数与机械磨损表面的形貌进行了细致的描述32。文

30、献3333提出应用小波变换计算表面形貌分形特征参数，并验证了其计算分形维数的精度较高， 与其它计算表面形貌分形维数的方法进行对比试验，结果显示小波变换方法的稳定性和 准确性更佳。” 33112526272829 王金生，郑雪梅，汪超，减少机床热变形方法的研究J,机床与液压，2006,2:88902张红(译)，高精度坐标测量机中的温度变化效应J,精密工程，1991,1:4151杨庆东，陈淼，欧共体对机床热变形的研究 J,制造技术与机床，2000,7:1920张伯霖，夏红梅，黄晓明，高速电主轴设计制造中若干问题的探讨J,制造技术与机床,2001,7:12145夏军勇，热弹性效应和数控机床进给系统热

31、动态特性的研究:D,武汉:华中科技大学,20086S.YANG,J.YUAN,J.NI,The improvement of thermal error modeling and compensation on mach ine tools by CMAC n eural n etworkJ,I ntern atio nal Jour nal of Mach ine Tools and Man ufacture,1996,36(4):527537 Christopher D.MizeaJoh n C.Ziegert,Neural n etwork thermal error compe nsa

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33、 un g-Ha n Yan g,Thermal Error Modeli ng of Horiz on tal Machi ning Center Usi ng Fuzzy Logic StrategyJ,Journal of Manu facturi ng Processes,2001,3(2):12012710Li Guos on g,Study on a Measureme nt and Compe nsatory Con trol System or Cyli ndrical Grin di ngJ,Proceedi ngs of CIRP Co nference on PE&MS,1991,55355811陈庆虎，李柱.表面粗糙度评定的小波基准