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多级盘转子装配不平衡量预测与优化

刘洪慧 刘亮 李明华 东晓 孙清超

刘洪慧, 刘亮, 李明华, 东晓, 孙清超. 多级盘转子装配不平衡量预测与优化[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1298-1305. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200447
引用本文: 刘洪慧, 刘亮, 李明华, 东晓, 孙清超. 多级盘转子装配不平衡量预测与优化[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1298-1305. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200447
LIU Honghui, LIU Liang, LI Minghua, DONG Xiao, SUN Qingchao. Prediction and Optimization of Assembly Unbalance of Multi-stage Disc Rotor[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1298-1305. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200447
Citation: LIU Honghui, LIU Liang, LI Minghua, DONG Xiao, SUN Qingchao. Prediction and Optimization of Assembly Unbalance of Multi-stage Disc Rotor[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1298-1305. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200447

多级盘转子装配不平衡量预测与优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200447
基金项目: 

中央高校基本科研业务费项目 DUT19LAB17

辽宁省兴辽英才计划项目 XLYC1808016

详细信息
    作者简介:

    刘洪慧(1996-), 硕士研究生, 研究方向为先进加工工艺与数字化制造装备, 554532568@qq.com

    通讯作者:

    孙清超, 教授, 博士生导师, 博士, qingchao@dlut.edu.cn

  • 中图分类号: V263.2

Prediction and Optimization of Assembly Unbalance of Multi-stage Disc Rotor

  • 摘要: 多级盘转子装配是航空发动机转子制造过程中十分重要的一环,其中装配不平衡量的大小直接影响整机振动水平。为了对多级盘转子进行初始不平衡量的预测与优化,通过端面跳动及径向跳动等参数计算获得各单件的表示矩阵,经过堆叠计算获得在以回转轴线为轴的坐标系内的装配体空间位姿,进而获得各单件及整体的静、偶不平衡量,同时获得相对回转轴线位置的各单件质心分布情况,建立装配不平衡量预测模型; 基于预测模型以静、偶不平衡量及质心分布为目标,以装配相位为设计变量利用遗传算法进行多目标优化。结果表明:与原始装配方案相比,根据预测模型进行遗传算法优化之后的初始静不平衡量降低至5.11%,偶不平衡量降低至7.09%,质心分布范围降低至14.29%,优化效果显著,装配质量提升明显,并且与不考虑质心分布的优化相比证明能有效控制质心范围,与穷举法优化相比证明能有效的节约时间,对航空发动机的装配工艺的进步有一定的工程指导意义。
  • 图  1  不平衡量类型

    图  2  单件偶不平衡量计算

    图  3  单件的表征方法

    图  4  轴承处不平衡质量矩计算

    图  5  整体不平衡量计算

    图  6  遗传算法NSGA-Ⅱ优化过程

    图  7  高压模拟转子模型

    图  8  结果对比

    图  9  质心分布范围及延回转轴线投影对比

    表  1  质心位置

    零件 x y z
    1 -0.001 35 -0.000 90 79.928
    2 -0.004 65 0.000 26 259.007
    3 -0.006 04 0.002 51 382.005
    4 -0.007 43 0.004 01 534.981
    5 -0.004 04 0.002 90 901.574
    6 -0.000 28 0.000 28 1 061.393
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    表  2  各单件静不平衡量

    零件 大小/(g·mm) 相位/(°) Z轴位置/mm
    1 13.5 -146.2 79.928
    2 32.6 176.7 259.007
    3 79.4 157.4 382.005
    4 165.2 151.6 534.981
    5 264.4 144.2 901.574
    6 2.0 135.1 1 061.393
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    表  3  各单件偶不平衡量

    零件 大小/(g·mm2) 上相位/(°)
    1 1 203.3 -146.2
    2 -2 274.0 120.3
    3 -695.1 129.5
    4 -2 347.8 133.4
    5 -1 444.6 -30.5
    6 88.7 -44.9
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    表  4  整个装配体不平衡量

    类型 大小 相位/(°)
    静不平衡量 544.1 g·mm 151.6
    偶不平衡量 36 997 g·mm2 112.9
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    表  5  非劣解组

    个体 x1 x2 x3 x4 x5 F1 F2 F3
    1 0 210 170 45 60 115.26 119 0.001 7
    2 0 220 150 45 60 74.78 2469 0.001 1
    3 0 220 140 45 60 56.74 3631 0.001 1
    198 350 250 120 60 40 37.80 3806 0.001 0
    199 350 250 120 45 60 9.56 7769 0.000 9
    200 350 230 120 75 40 51.92 11 187 0.000 9
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    表  6  优化结果

    x1 x2 x3 x4 x5 F1 F2 F3
    初始 0 0 0 0 0 544.1 36 997 0.008 4
    优化 40 250 110 45 60 27.84 2 622 0.001 2
    优化/初始 5.11% 7.09% 14.29%
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    表  7  结果对比

    x1 x2 x3 x4 x5 F1 F2 F3
    初始 0 0 0 0 0 544.1 36 997 0.008 4
    随机1 110 270 60 195 100 664.1 96 583 0.008 1
    随机2 70 320 210 300 160 500.6 49 768 0.006 2
    随机3 130 150 180 75 140 314.5 75 689 0.004 7
    优化 40 250 110 45 60 27.8 2 622 0.001 2
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    表  8  两优化方法比较

    方法 静不平衡量/(g·mm) 偶不平衡量/(g·mm2) 质心分布/mm
    不考虑质心分布的优化 6.31 1 220 0.001 86
    考虑质心分布的优化 27.84 2 622 0.001 16
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    表  9  遗传算法与穷举法对比

    静不平衡量/(g·mm) 偶不平衡量/(g·mm2) 质心分布/mm 时间/s
    穷举法 12.64 2449 0.00119 12600
    遗传算法 27.84 2622 0.00116 7.54
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  • 收稿日期:  2020-10-21
  • 刊出日期:  2022-08-25

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