автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Оптимизация относительного углового расположения деталей в роторе ГТД смешанного типа

Введение.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ актуальности проблемы.

1.2. Обзор литературных данных и научных публикаций.

1.3. Конструктивные особенности роторов ГТД смешанного типа.

1.4. Дисбалансы в роторном пакете.

1.5. Типовой технологический процесс сборки ротора смешанного типа

1.6. Анализ существующих методов достижения требуемой точности при сборке роторов ГТД.

1.7. Выводы по главе 1.

1.8. Цель и задачи исследования.

Глава 2. ВИРТУАЛЬНАЯ СБОРКА И ВИРТУАЛЬНОЕ ИСПЫТАНИЕ РОТОРА ГТД.

2.1. Технология виртуальной сборки ротора ГТД.

2.2. Виртуальное испытание.

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В РОТОРНОМ ПАКЕТЕ.

3.1. Анализ существующих математических моделей.

3.2. Математическая модель комплектования деталей в роторном пакете с учётом сборочных деформаций.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ ДЛЯ ВЫБОРА ВАРИАНТОВ РОТОРНОГО ПАКЕТА.

4.1. Традиционные критерии оптимальности для выбора варианта роторного пакета.

4.2. Методика расчёта приведённого изгибающего момента.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В РОТОРНОМ ПАКЕТЕ.

5.1. Обобщённая блок-схема программы оптимизации углового положения деталей.

5.2. Опис ание алгоритма расчёта.

5.3. Описание программы расчёта ротора «Assembly».

5.4. Исходные данные и результаты расчёта.

5.5. Расчёт базовых вариантов ротора.

5.6. Расчёт технико-экономического эффекта использования предложенной методики автоматизированного подбора углового положения деталей роторного пакета.

5.7. Выводы по главе 5.

Глава 6. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА КАЧЕСТВО СБОРКИ РОТОРА ГТД.

6.1. Учёт остаточных дисбалансов рабочих колёс.

6.2. Влияние параметров шероховатости, волнистости и состояния поверхностного слоя контактирующих торцев.

6.3. Влияние параметров макроотклонений контактирующих поверхностей.

6.4. Рекомендации по использованию результатов исследования.

6.5. Выводы по главе 6.

В высокоточных узлах машин при сборке и эксплуатации часто действуют значительные усилия, приводящие к возникновению деформаций, существенно изменяющих величины замыкающих звеньев в таких узлах. В результате возникают трудности с обеспечением требуемой точности размерных цепей. Эта проблема актуальна для многих отраслей машиностроения, но особенно для авиадвигателестроения, где предъявляются высокие требования к точности, а увеличение жёсткости деталей невозможно из-за недопустимости их утяжеления.

Ротор - одна из наиболее сложных и ответственных частей ГТД. Детали роторов изготавливаются более точно, чем другие детали авиационных двигателей. В сборочных узлах - роторах ГТД устанавливаются жёсткие допуски на зазоры, натяги и положения деталей друг относительно друга. Но даже несмотря на столь высокую точность изготовления деталей, сборка таких изделий чрезвычайно трудоёмка и сопровождается эмпирическим подбором деталей и их относительных положений, пригонкой, многократными переборками. Результат этого - чрезвычайно низкая производительность и высокая себестоимость изготовления ГТД, недостаточная эксплуатационная надёжность их.

Наибольшие сложности при сборке современных гибких роторов вызывает обеспечение взаимосвязанных показателей их геометрической точности и уравновешенности. Дополнительные трудности связаны с тем фактом, что все геометрические параметры, а значит, и качество изделия, непрерывно изменяются на протяжении его жизненного цикла. Поэтому необходимо не просто стремиться к достижению при сборке заданной точности, но и к сохранению её в дальнейшем, то есть необходима разработка способов управления качеством ротора с учётом изменений, происходящих в нём. Данная задача может быть решена при наличии адекватной модели конкретного экземпляра ротора.

Качество сборки в настоящее время принято оценивать величиной суммарного технологического дисбаланса, вектора суммарного дисбаланса, а также величинами эксцентриситетов и локальных дисбалансов. Однако эти параметры не определяют однозначно качество ротора, и достижение их минимальных значений не является гарантией наилучшего варианта сборки.

Поэтому данная работа направлена на создание нового метода оценки качества сборки на основании использования критерия оптимальности, учитывающего изменение характеристик ротора при балансировке. Автором предложен новый критерий оптимальности — минимум изгибающих моментов в сечениях ротора, позволяющий описать поведение собираемого изделия в процессе балансировки и эксплуатации. Работа представляет собой продолжение работ учёных Непомилуева В.В. и Ерошкова В.Ю. с кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинской Авиационной Государственной Технологической Академии им. П.А. Соловьёва в области исследования комплекса реально действующих при сборке процессов.

Целью работы является обеспечение качества и повышение технико-экономических показателей сборки ротора ГТД смешанного типа на основе использования критерия оптимальности при выборе варианта относительного расположения деталей в роторном пакете.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод оценки качества варианта роторного пакета при осуществлении виртуальной сборки по предложенному критерию оптимальности, учитывающему уравновешивание в процессе балансировки.

2. Оптимизирована математическая модель расчёта нежёсткой сборочной размерной цепи ротора ГТД смешанного типа.

Практическая ценность:

1. Разработаны алгоритмы и программа оптимизации положения деталей в роторном пакете, позволяющая рассчитывать нежёсткую размерную цепь ротора с учётом сборочных деформаций.

2. Выработаны рекомендации по обоснованному назначению требований к геометрическим характеристикам деталей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложенный метод осуществления виртуальной сборки ротора смешанного типа с использованием критерия оптимальности варианта роторного пакета, учитывающего его поведение при балансировке, позволяет выбрать такие варианты расположения деталей ротора, качество которых будет наилучшим из всех возможных для рассматриваемого комплекта деталей.

2. Оптимизированная математическая модель подбора углового положения деталей в роторном пакете и разработанное программное обеспечение позволяют использовать эту методику как единичном, так и в серийном производстве, когда имеется по несколько деталей одного наименования.

3. На основе проведённого теоретического исследования влияния технологических факторов на качество сборки ротора разработаны практические рекомендации по назначению геометрических параметров деталей.

4. Выполненная работа позволяет повысить производительность и качество изготовления гибких роторов смешанного типа путём организации одноразовой бездоводочной сборки.

1. Аверьянов И.Н. Повышение качества сборки бандажированных ступеней компрессора на основе автоматизированного подбора лопаток / Автореф. дис. . канд. техн. наук. Рыбинск: РГАТА, 1997. - 16 с.

2. Базров Б.М. Расчёт точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984. -256 с.

3. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 1982. — 367 с.

4. Билик Щ.М. Макрогеометрия деталей машин. М.: Машиностроение, 1972. - 344 с.

5. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

6. Бородачёв Н.А. Основные вопросы теории точности производства. М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 416 с.

7. Бреббия К. и др. Методы граничных элементов / Пер. с англ. М.: Мир, 1987.-524 с.

8. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. - 235 с.

9. Воскресенский Е.А., Симонов А.С. К вопросу о статистическом моделировании сборочных процессов с помощью ЭВМ // Исследования в области технологии механической обработки и сборки машин. Тула: ТПИ, 1978. - С. 110118.

10. Гарькавый А.А., Чайковский А.В., Ловинский С.И. Двигатели летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1977. - 312 с.

11. Глейзер А.И. Вероятностные методы решения конструкторско-технологических задач снижения вибраций роторных машин / Автореф. дис. . докт. техн. наук. Самара: СГАУ, 1996. - 34 с.

12. ГОСТ 19534-74. Балансировка вращающихся тел: Термины. М.: Изд-во стандартов, 1976.-46 с.

13. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование: Система классов точности балансировки. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 1977,- 140 с.

14. Гусаров А.А. Балансировка гибких роторов с распределённой массой. М.: Наука, 1974.- 144 с.

15. Гусаров А.А., Деглин Э.Г. Балансировка у пру го деформируемых роторов методом постановки балансировочных грузов на упругих элементах // Колебания и уравновешивание роторов. М.: Наука, 1973. - С. 99-103.

16. Гусев А.А. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиностроение, 1979.-208 с.

17. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надёжности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.

18. Дальский A.M., Кулешова З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988. - 304 с.

19. Дёмин Ф.И., Сурков О.С. Прогнозирование и обеспечение качества сборки колёс турбины ГТД // Качество сборочных единиц машин: Тез. докл. научно-техн. конф. Уфа, УАИ, 1991. - С. 33-34.

20. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-227 с.

21. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твёрдых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 111 с.

22. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.

23. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчёты упругопла-стической контактной деформации. — М.: Машиностроение, 1986. 224 е., ил.

24. Дунаев П.Ф. Размерные цепи. М.: Машгиз, 1963. - 308 с.

25. Дынкин A.JI. Самолёт начинается с двигателя. В 3-х кн. Кн. 3. Рыбинск: Рыбинское подворье, 1999. - 384 с.

26. Ерошков В.Ю. Разработка методологии комплектования деталей в роторных пакетах газотурбинных двигателей / Дис. . канд. техн. наук. Рыбинск: РГАТА, 1999.-201 с.

27. Захаров В.А. Пути достижения заданного качества при сборке ГТД. Куйбышев: КуАИ, 1988. - 67 с.

28. Захаров В.А., Саурди Н.Г. Расчёт сборочных размерных цепей с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984. - 182 с.

29. Иванов В.А. Прогнозирование и обеспечение точности сборки колёс / Ав-тореф. дис. . канд. техн. наук. Куйбышев: КуАИ, 1987. - 20с.

30. Иващенко И.А. Технологические размерные расчёты и способы их автоматизации. М.: Машиностроение, 1975. - 221 с.

31. Захаров В.А. Об уточнении параметров оценки качества сборки гладких цилиндрических соединений с натягом. В кн.: В кн.: Технологические пути повышения качества изготовления авиадвигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1986. -С. 122-127.

32. Качество машин: Справочник: В 2-х т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. М.: Машиностроение, 1995. - 256 с. Т. 2 / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, A.M. Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 430 с.

33. Колдоркина В.А. Метод имитационного моделирования для определения числа однотипных деталей, обеспечивающих сборку изделия без доработки. -В сб.: Совершенствование технологических процессов изготовления авиадвигателей. Куйбышев: КуАИ, 1985. - С. 36-41.

34. Колесов И.М. Исследование связей между формой, поворотом и расстоянием плоских поверхностей деталей машин / Автореф. дис. . докт. техн. наук. -М.: Мосстанкин, 1967. 48 с.

35. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1997.-592 с.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 932 с.

37. Корсаков B.C. и др. Пути повышения эффективности сборочных работ. -М.: НИИМАШ, 1981. 36 с.

38. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

39. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

40. Левит М.Е., Ройзман В.П. Вибрация и уравновешивание роторов авиадвигателей. — М.: Машиностроение, 1979. 447 с.

41. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и её измерение. М.: Изд-во стандартов, 1973.- 184 с.

42. Маталин А.А. Технология машиностроения. Л.: Машиностроение, 1985. -496 с.

43. Научные основы автоматизации сборки машин / Под ред. М.П. Новикова. -М.: Машиностроение, 1976. -472 с.

44. Непомилуев В.В. Обеспечение технологических основ обеспечения качест-васборки высокоточных узлов газотурбинных двигателей / Дисс. . докт. техн. наук. Рыбинск: РГАТА, 2000. - 356 с.

45. Никитин А.Н., Максименко А.И., Демин М.М. Исследование влияния некоторых динамических и сборочных параметров на надёжность работы сложныхмашин // Качество сборочных единиц машин: Тез. докл. научно-техн. конф. -Уфа: УАИ, 1991.-С. 27-28.

46. Николаев В.А. Связи относительного положения деталей с параметрами рельефа сопрягаемых поверхностей. В кн.: Технологические пути повышения качества изготовления авиадвигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1986. — С. 17-25.

47. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. — 5-е изд. -М.: Машиностроение, 1980. 592 с.

48. Новое в расчётах и исследовании точности в машиностроении / Под ред. Б.М. Базрова. М.: Московск. Ин-т нефтяной и газовой пр-ти, 1981. — 199 с.

49. ОСТ 1.41185-72. Ротор компрессора с дисками, имеющими торцевые зубья: Типовой технологический прочес сборки ротора компрессора. — М.: НИАТ, 1972,- 12 с.

50. ОСТ 1.41672-77. Статическая балансировка колёс роторов ГТД путём распределения лопаток в дисках: Метод анализа. М.: МАП, 1977. — 50 с.

51. ОСТ 1.41798-78. Роторы ГТД: Классы точности балансировки. Общие технические требования. М.: Госстандарт, 1978. - 48 с.

52. ОСТ 1.42160-83. Роторы ГТД: Методы контроля дисбалансов. — М.: Госстандарт, 1983. 54 с.

53. ОСТ 1.42167-83. Роторы ГТД: Методы балансировки. — М.: Госстандарт, 1983.-49 с.

54. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / A.M. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

55. Прилуцкий В.А. Технологические методы снижения волнистости поверхностей. М.: Машиностроение, 1978. - 136 с.

56. Прокофьев J1.H. Исследование точности размерных связей поверхностей деталей машин с использованием метода Монте-Карло. В сб.: Прогрессивные методы в технологии производства авиационных двигателей. — Куйбышев: КуАИ, 1984.-С. 46-53.

57. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. — 520 с.

58. Расчёты на прочность в машиностроении / С.Д. Пономарёв, B.JT. Бидерман, К.К. Лихарев и др. М.: Машгиз, 1952. - 420 с.

59. РТМ 1.4.775-80. Сборка и балансировка роторов ГТД: Руководящий технологический материал. М.: НИАТ, 1981. - 125 с.

60. РудзитЯ.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. — Рига: Зинатне, 1975. 216 с.

61. Рыжов Э.В. Контактная жёсткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966.- 195 с.

62. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Фёдоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. — 176

63. Самсаев Ю.А. Основные сведения из теории балансировки роторов // Автоматизация и современные технологии. 1992. - №3. — С. 18-22.

64. Семёнов А.Н. Исследование кинетики износа и технологического обеспечения повышения долговечности упругонапряжённых сопряжений ГТД, работающих в условиях фреттинг-износа / Дисс. . канд. техн. наук. — М.: МАТИ, 1998.- 188 с.

65. Скубачевский Г.С. Авиационные ГТД: конструкция и расчёт деталей. М.: Машиностроение, 1981. - 552 с.

66. Соболь Н.М. Метод Монте-Карло. -М.: Наука, 1985. 78 с.

67. Современные методы и средства балансировки машин и приборов / Под общ. ред. В.А. Щепетильникова. М.: Машиностроение, 1985. — 232 с.

68. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / Колл. авторов; Под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасёва. М.: Машиностроение, 1997. - 416 с.

69. Соколов В.И., Николенко JI.K., Смирнов Д.Е., Душина Т.А. Сборка авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. - 344 с.

70. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М. - Д.: Машгиз, 1955. - 515 с.

71. Соломенцев Ю.М., Косов М.Г., Митрофанов В.Г. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки. М.: НИИМАШ, 1984.-56 с.

72. Солонин И.С., Солонин С.И. Расчёт сборочных и технологических размерных цепей. М.: Машиностроение, 1980. - 110 с.

73. Справочник по балансировке / М.Е. Левит, Ю.А. Агафонов, Л.Д. Вайнгор-тин, А.И. Максименко и др.; Под общ. ред. М.Е. Левита. М.: Машиностроение, 1992. - 464 с.

74. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 / Под ред. А.Г. Коси-ловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

75. Стрелец А.А., Фирсов В.А. Размерные расчёты в задачах оптимизации кон-структорско-технологических решений. М.: Машиностроение, 1988. - 120 с.

76. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жёсткости соединений. М.: Наука, 1997. - 100 с.

77. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С. Колесников, Г.Ф. Баландин, A.M. Дальский и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. -256 с.

78. Трудоношин В.А., Пивоварова Н.В. Математические модели технических объектов. -М.: Высш. шк., 1986. 160 с.

79. Тунаков А.П., Ибрагимов Г.С. Применение метода коэффициентов влияния к доводке осевых компрессоров // Труды КАИ. Вып. 128. Казань: КАИ, 1971. -С. 32-39.

80. Черневский JI.В. Технологическое обеспечение точности сборки прецизионных изделий. М.: Машиностроение, 1984. - 176 с.

81. Шевелев А.С. Исследование точности размерных цепей в авиадвигателе-строении / Автореф. дис. . докт. техн. наук. Казань: КАИ, 1970. - 30 с.

82. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем: искусство и наука / Пер. с англ. -М.: Мир, 1975. 420 с.

83. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. - 210 с.

84. Якобсон М.О.Шероховатость, наклёп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Машгиз, 1956. - 292 с.

85. Степин П.А. Сопротивление материалов: Учеб. для немашиностроит. спец. вузов. 8-е изд. - М.: Высшая школа, 1988. - 367 е.: ил.

86. Shen F.A. Transient flexible-rotor dynamics analysis. Part 1 theory // Transactions of the ASME / Vol. 94. Series B. - № 2. - 1972. - P. 33-42.