動(dòng)力傳動(dòng)軸動(dòng)平衡工藝研究與應(yīng)用

陳祥鑫 郭勤濤 于麗麗 陳 果

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，哈爾濱 150066；3.南京航空航天大學(xué) 通用航空與飛行學(xué)院，溧陽 213300）

動(dòng)力傳動(dòng)軸是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，可為主減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力傳輸和物理連接，并能夠在一定程度上補(bǔ)償安裝及飛行過程中的偏角和位移，同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供部分支撐。

某型動(dòng)力傳動(dòng)軸左端為法蘭盤結(jié)構(gòu)，連接著對(duì)焊的彈性膜盤，且兩段動(dòng)平衡去重帶的中間是空心的管狀結(jié)構(gòu)；最右端是鼓形定心花鍵，表面為滲碳涂層[1]。平衡時(shí)的定位基準(zhǔn)是法蘭盤外徑和花鍵齒頂，裝配時(shí)一端是與動(dòng)力軸的外徑有小緊度（0.01 mm 的盈量）的法蘭盤，另一端采用花鍵結(jié)構(gòu)的工裝。由于花鍵的連接存在間隙，而動(dòng)力軸平衡轉(zhuǎn)速為（6 000±2 000）r·min-1，轉(zhuǎn)速跨度寬，工裝連接的誤差在平衡時(shí)導(dǎo)致不平衡量產(chǎn)生飄移現(xiàn)象，導(dǎo)致平衡不穩(wěn)定。動(dòng)力傳動(dòng)軸是動(dòng)力傳動(dòng)轉(zhuǎn)子，動(dòng)平衡需在軸的工作全轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，而在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)不平衡量值會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。其平衡方法不同于剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡理論和方法。

基于動(dòng)平衡理論，針對(duì)高速動(dòng)力傳動(dòng)軸的特性，深入分析動(dòng)力傳動(dòng)軸的撓曲性及平衡原理，研究動(dòng)平衡影響因素，積累動(dòng)力傳動(dòng)軸的平衡經(jīng)驗(yàn)，通過設(shè)備的調(diào)整以及軸撓曲特性的分析和摸索，總結(jié)出一套成熟的動(dòng)力傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡工藝方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡控制。

1 動(dòng)平衡影響因素分析

1.1 定標(biāo)精度對(duì)不平衡的影響

動(dòng)平衡機(jī)選擇的原則有以下兩點(diǎn)：一是物理參數(shù)不超過平衡機(jī)的技術(shù)規(guī)格，二是所選的平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足轉(zhuǎn)子的平衡精度eper。

動(dòng)力傳動(dòng)軸平衡使用的HK4 高速動(dòng)平衡機(jī)是一臺(tái)精密的進(jìn)口平衡設(shè)備。HK4 平衡機(jī)在規(guī)定位置（定標(biāo)貼蠟處，半徑為45 mm）貼質(zhì)量為1 g 的平衡蠟，顯示的不平衡量變化為45.2 g·mm（理論應(yīng)為45 g·mm），誤差為0.4%，定標(biāo)精度能夠滿足使用要求。

1.2 平衡工裝對(duì)不平衡的影響

平衡工裝的加工精度較高，關(guān)鍵配合面的位置度要在0.01 mm 以內(nèi)，表面粗糙度應(yīng)不低于0.8 μm，安裝孔和止口要在工藝上保證一刀加工。要考慮軸端頂具的安裝位置，或是否需要設(shè)計(jì)特殊的軸向頂具。工裝結(jié)構(gòu)要考慮掛皮帶的位置是否足夠等。HK4 高速動(dòng)平衡機(jī)配兩套擺架，一套法蘭式支撐，一套滾輪支撐[2]。從動(dòng)力傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)上分析，需采用法蘭支撐，通過工裝與動(dòng)力傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)接。

安裝孔同支承軸面的同軸度和安裝孔的位置度，直接影響尾軸的動(dòng)不平衡量。位置度每增大0.01 mm，動(dòng)不平衡量就增加大約30 g·mm（每個(gè)校正面為15 g·mm），達(dá)到總不平衡量的33.3%。法蘭連接處應(yīng)保證安裝動(dòng)力傳動(dòng)軸時(shí)為小間隙或零間隙配合，減小重裝誤差設(shè)備補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，保證動(dòng)平衡數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在HK4平衡機(jī)上動(dòng)平衡時(shí)，工裝自身的不平衡量可以通過設(shè)備的分解補(bǔ)償功能進(jìn)行消除。

1.3 動(dòng)力傳動(dòng)軸與平衡機(jī)連接時(shí)對(duì)不平衡量的影響

動(dòng)力傳動(dòng)軸平衡時(shí)使用的鏈接螺栓及螺母所產(chǎn)生的動(dòng)不平衡量為

式中：M表示動(dòng)不平衡量，g·mm；m表示質(zhì)量差，g；r表示螺栓安裝半徑，mm。

經(jīng)過計(jì)算，動(dòng)力傳動(dòng)軸平衡時(shí)使用的鏈接螺栓及螺母引起的動(dòng)不平衡量為50 g·mm，占總不平衡量的111.1%。

基于平衡工裝及夾具自身的不平衡，以及裝配間隙、加工誤差，動(dòng)力傳動(dòng)軸的不平衡量必然會(huì)帶入附加不平衡量，對(duì)平衡結(jié)果產(chǎn)生影響[3]。因此，在動(dòng)力傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡操作前，每一次的裝配過程都要通過標(biāo)記、選配等措施，保證平衡螺栓與動(dòng)力傳動(dòng)軸法蘭盤的安裝孔位置固定不變，減少附加不平衡量對(duì)真實(shí)值的影響。

1.4 花鍵跳動(dòng)對(duì)不平衡量的影響

動(dòng)力傳動(dòng)軸的外花鍵跳動(dòng)和尾軸法蘭盤內(nèi)花鍵跳動(dòng)對(duì)不平衡量的影響為

式中：M'表示動(dòng)不平衡量，g·mm；m'表示尾軸質(zhì)量，g；λ表示花鍵跳動(dòng)差，mm。

經(jīng)計(jì)算，M'值為75 g·mm，占總不平衡量的166.7%。該因素影響不平衡量比重較大，是關(guān)鍵因素。尾傳動(dòng)軸軸系疊片聯(lián)軸節(jié)自身也有不平衡量（有的不平衡量達(dá)到30 g·mm），占總不平衡量的66.7%，因此軸的加工質(zhì)量是影響動(dòng)平衡的關(guān)鍵指標(biāo)。

2 動(dòng)力傳動(dòng)軸動(dòng)平衡工藝的研究

2.1 左側(cè)法蘭連接工裝的設(shè)計(jì)研究

為了保證動(dòng)平衡的精度，動(dòng)力軸左端的連接工裝與動(dòng)力軸精密配合，旋轉(zhuǎn)過程中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。左端的平衡工裝是動(dòng)力軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，要保證連接可靠。

該工裝與動(dòng)力軸法蘭外徑的過盈量為0.01 mm，工裝與設(shè)備的安裝面的跳動(dòng)值為0.005 mm，與設(shè)備的安裝孔的位置度為0.015 mm，工裝的表面粗糙度為0.8 μm，表面淬火硬度為450～550 HV，淬火深度為5 mm，材料選擇42CRMOV4。為了控制螺釘?shù)陌惭b誤差，采用精密測(cè)量裝置，根據(jù)孔直徑設(shè)計(jì)高精度的分級(jí)連接螺釘。使用時(shí)按分級(jí)尺寸做好一對(duì)一的標(biāo)記，確保連接螺釘與模片的精密配合。同時(shí)，定做一批光潔度好、質(zhì)量均勻的墊片，最大限度地降低螺釘拆裝對(duì)不平衡量帶來的影響。

2.2 側(cè)花鍵平衡工裝的研究

動(dòng)力傳動(dòng)軸右側(cè)是帶涂層的花鍵和帶涂層的密封槽，動(dòng)平衡時(shí)既要保證平衡精度高，還要確保涂層無磨損，因此設(shè)計(jì)了4 種工裝方案，通過實(shí)踐進(jìn)行優(yōu)選。

第一種，抱軸式動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)。該方案工裝內(nèi)部采用漲圈式結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整桿控制漲圈的漲縮抱緊動(dòng)力傳動(dòng)軸的花鍵，可實(shí)現(xiàn)平衡工裝與動(dòng)力傳動(dòng)軸之間的無間隙配合，且在達(dá)到平衡后漲圈與花間脫開。該工裝由于夾緊力的存在，平衡后動(dòng)力傳動(dòng)軸花鍵外圖層大面積脫落，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量[4]。為此，在漲圈與花鍵夾緊處增加鋁箔片、油紙等輔助材料，試驗(yàn)后均出現(xiàn)不同程度的撕裂現(xiàn)象?？梢?，該工裝對(duì)涂層的磨損不可避免，方案不可取。

第二種，加緊密封槽的動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)。該型號(hào)動(dòng)力傳動(dòng)軸共有5 處密封槽，其中靠近花鍵外的2 處密封槽為精加工面，可以實(shí)現(xiàn)精密配合夾緊。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，抱緊的密封槽在動(dòng)平衡試驗(yàn)后涂層面脫落嚴(yán)重，且局部露出光亮的基體。因此，該工裝對(duì)涂層的影響也不可避免，方案不可取。

第三種，花鍵配合的動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)。該型號(hào)動(dòng)力傳動(dòng)軸花鍵為鼓形，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心，工裝花鍵光度較高。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，平衡過程中振動(dòng)及聲響較大，同時(shí)涂層存在磨損，因此該設(shè)計(jì)方案也不是最佳方案。

第四種，半定位半傳扭的動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)[5]。半定位是在動(dòng)力軸花鍵的鼓形最大外徑處做一個(gè)精密分級(jí)的定位套，使軸在旋轉(zhuǎn)過程中定位準(zhǔn)，無異常的振動(dòng)和偏離；半傳扭是在動(dòng)力軸的花鍵端部做一段與其相配的內(nèi)花鍵，作用是傳扭。用此工裝進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，振動(dòng)小、測(cè)量值穩(wěn)定，且對(duì)動(dòng)力軸花鍵的涂層磨損非常小，是最理想的設(shè)計(jì)方案。

2.3 動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速的研究

動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速選擇的原則有以下4 點(diǎn)：一是不超過平衡機(jī)的限制轉(zhuǎn)速；二是不超過轉(zhuǎn)子實(shí)際能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速；三是所選的平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足轉(zhuǎn)子的平衡精度；四是避免共振干擾。

動(dòng)力傳動(dòng)軸規(guī)定平衡轉(zhuǎn)速為（6 000±2 000）r·min-1，轉(zhuǎn)速高、跨度寬。由于動(dòng)力傳動(dòng)軸是撓性軸，轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)動(dòng)平衡影響較大。這就需要摸索出動(dòng)力傳動(dòng)軸的共振區(qū)，因?yàn)楣舱駞^(qū)的動(dòng)平衡變化率非?？欤绻捎么朔秶鷥?nèi)的轉(zhuǎn)速段進(jìn)行動(dòng)平衡，會(huì)出現(xiàn)不平衡量不真實(shí)現(xiàn)象，并產(chǎn)生突變，易產(chǎn)生角度漂移。同時(shí)，接近共振區(qū)平衡時(shí)容易造成動(dòng)力軸和平衡機(jī)損傷，因此動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)速應(yīng)避開振動(dòng)較大的速度區(qū)。HK4 高速動(dòng)平衡機(jī)采用的是高速電機(jī)，3 000 r·min-1、6 000 r·min-1與電網(wǎng)供電50 Hz 同頻共振。平衡轉(zhuǎn)速與電源頻率的差異至少為10%，不可選用的轉(zhuǎn)速為2 700～3 300 r·min-1、5 400～6 600 r·min-1。

為了找到動(dòng)力傳動(dòng)軸的實(shí)際動(dòng)平衡特性，在平衡機(jī)上進(jìn)行2 倍轉(zhuǎn)速模擬，模擬出動(dòng)力傳動(dòng)軸在平衡機(jī)上的共振轉(zhuǎn)速在6 500 r·min-1附近，轉(zhuǎn)速在4 500～8 000 r·min-1。在共振區(qū)，動(dòng)力傳動(dòng)軸的不平衡量隨著平衡轉(zhuǎn)速的增加而增大。當(dāng)平衡轉(zhuǎn)速逐漸增大到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，不平衡量值趨于無窮大；當(dāng)平衡轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速且繼續(xù)增大時(shí)，不平衡量反而逐漸減小。綜上所述，確定最佳平衡轉(zhuǎn)速為4 000～4 500 r·min-1。

2.4 翻轉(zhuǎn)角度動(dòng)平衡測(cè)量的研究

動(dòng)力傳動(dòng)軸的平衡技術(shù)要求較高，平衡指標(biāo)比較精準(zhǔn)。為了保證動(dòng)平衡的重復(fù)性好，需確保將其翻轉(zhuǎn)3 個(gè)角度（0°、120°、240°）時(shí)剩余不平衡量合格。而在實(shí)際平衡時(shí)，每翻轉(zhuǎn)一個(gè)120°，平衡量變化1～2 g·mm，隨機(jī)性的變化明顯。引起這種變化的原因是工件與工裝、設(shè)備安裝連接時(shí)產(chǎn)生了誤差。

為保證該動(dòng)力傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡量值真實(shí)可靠，減少平衡工裝引入的動(dòng)不平衡量，在動(dòng)平衡操作前，需要對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償。其受力分析如圖1 所示，其中A表示平衡工裝的受力大小，B表示動(dòng)力傳動(dòng)軸的受力大小及方向，C1表示第一次合力的受力大小，C2表示第二次合力的受力大小，A1表示平衡翻轉(zhuǎn)后平衡工裝夾具的受力大小。從圖1 可以看出，動(dòng)力傳動(dòng)軸值的受力大小及方向不變，平衡工裝和平衡翻轉(zhuǎn)后平衡工裝受力大小不變，平衡角相相差120°。HK4 高速動(dòng)平衡機(jī)可以自動(dòng)識(shí)別為工裝引入的不平衡量，并進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)軸翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償分析

采取每次軸翻轉(zhuǎn)120°前在平衡設(shè)備上進(jìn)行工裝翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償功能的措施，并對(duì)每個(gè)翻轉(zhuǎn)角度的不平衡量在顯示屏的雷達(dá)圖上的位置進(jìn)行打點(diǎn)記憶，綜合分析不平衡量的變化軌跡。如果軸翻轉(zhuǎn)后不平衡量偏離較大，可以針對(duì)性地分析動(dòng)力傳動(dòng)軸不平衡量偏離大的角相是否有故障，也可通過分析雷達(dá)圖記錄的不平衡量的角向及質(zhì)量找到一個(gè)平均位置進(jìn)行平衡來綜合3 次測(cè)量，達(dá)到3 次翻轉(zhuǎn)合格的目的。

在翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償操作后，對(duì)翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償是否有效進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該措施明顯提高了翻轉(zhuǎn)角度后平衡量波動(dòng)的穩(wěn)定性，并提高了3 次翻轉(zhuǎn)的合格率，為平衡工作的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)軸進(jìn)行動(dòng)平衡工藝研究，采用理論計(jì)算和平衡試驗(yàn)相結(jié)合的分析方法，確定了影響動(dòng)平衡的主要因素，掌握了動(dòng)力傳動(dòng)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的相關(guān)技術(shù)，有效保證了撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，提出了適用于某型動(dòng)力傳動(dòng)軸動(dòng)平衡的影響因素理論分析方法和動(dòng)平衡工藝方法。該方法同樣適用于后續(xù)相同或相似結(jié)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)軸類產(chǎn)品。