涡轮轴内壁积碳清理设备结构设计探讨

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摘要:面向涡轮轴内壁积碳的清理需求，针对现有人工清理工艺存在的去除效率低和一致性差等加工难题，提出了采用磨料刷恒压力抛光清理大深径比涡轮轴内壁积碳的方法，设计了涡轮轴内壁积碳清理设备。用于支撑磨料刷的抛光杆是典型大长径比弱刚性构件，在重力和抛光压力作下产生挠曲变形，导致抛光杆在不同伸长量情况下抛光压力变化，进而造成积碳去除率发生变化。为了保证恒定的积碳去除率，分析了抛光杆挠曲变形量与抛光杆X向进给量及磨料刷X向实际进给量之间的关系，建立了恒压力抛光模型，得出了抛光杆X向进给量的补偿量wx。结果表明:抛光压力F=60N时，抛光杆在悬伸量l=300mm处的X向进给量的补偿量wx1=0．0119mm;l=1615mm处的X向进给量的补偿量为wx2=0．5407mm。

关键词:涡轮轴;积碳清理;恒压力;结构设计

涡轮轴是航空发动机的重要组成零件，也是航空发动机的重要传动部件［1］。航空发动机涡轮轴在高温高压环境下工作过程中，流经涡轮轴表面的燃油焦化沉积形成积碳。积碳的产生会使航空发动机的油耗增加，动力性能下降［2-3］，并降低发动机的使用寿命。因此，需要定期清理涡轮轴表面的积碳。目前，涡轮轴积碳清理方法主要有热强碱液浸泡去除法、超声波清理法和激光清理法［4-6］。热强碱液浸泡去除法主要存在清洗效率低;积碳去除一致性差;浸泡前处理易对涡轮轴表面产生不同程度的划痕;强碱废液处理困难且易污染环境等问题。超声波清理法由于超声波无法穿透涡轮轴壁对其内壁积碳进行清洗且成本较高等问题;激光烧蚀易破坏涡轮轴表面组织结构。因此，上述积碳清理方法已无法满足航空发动机涡轮轴积碳清理的实际生产加工需求。本文针对大深径比涡轮轴内壁(深径比超过13:1)积碳采用磨料刷恒压力抛光清理。加工过程中随着抛光杆悬伸量的增大，抛光杆在重力和外载荷作用下产生的挠曲变形量不断增大，此时磨料刷若依旧沿着原先生成的加工轨迹进行抛光加工，造成加工区抛光压力不断减小［7］，导致积碳清理去除率降低。因此，需要建立恒压力抛光模型，确定抛光杆X向进给量的补偿量，实现涡轮轴内壁积碳恒压力抛光清理。

1涡轮轴内壁积碳清理设备结构设计

1．1磨料刷抛光原理

磨料刷抛光是一种安全、高效的物理积碳清理工艺方法，如图1所示。涡轮轴安装在三爪卡盘上并以转速n1回转，含有磨料的抛光刷轮，通过气动马达驱动以转速n2回转，涡轮轴与磨料刷转动方向相反，磨料刷在抛光杆的带动下压覆在涡轮轴内壁上，并沿机床X向和Z向移动，实现对涡轮轴内壁不同截面处的抛光加工，刷毛中携带的磨料在抛光过程中对涡轮轴内壁表面作用，完成对内壁积碳的清理加工。图1磨料刷抛光原理

1．2总体结构

涡轮轴内壁积碳清理设备设计要求:适应多型号涡轮轴内壁积碳清理加工;涡轮轴内壁积碳清理直径范围54～117mm;涡轮轴最大长度为1553mm。根据磨料刷抛光原理及上述设计要求，对涡轮轴内壁积碳清理设备进行模块化设计，设备主要由床身、工件主轴系统、中心架和内壁抛光装置等组成，如图2所示。图2涡轮轴内壁积碳清理设备工件主轴系统由安装在床身左侧的Z2模组、主轴箱支座、主轴箱组成。工作时，直流电机驱动Z2模组沿Z向移动使主轴箱移至合适位置进行不同型号涡轮轴装夹。内壁抛光装置由支座、X1模组、直线轴承、抛光杆组件、挂架、Z1同步带模组和连接板等组成。

1．3内壁抛光装置

如图3所示，X1模组安装在支座上，Z1同步带模组通过两滑块倒置安装在挂架上，挂架固定在X1模组滑台左右两侧;抛光杆组件穿过两个固定在X1模组滑台上的直线轴承，末端通过连接板与Z1同步带模组连接。X1模组和Z1同步带模组驱动抛光杆组件沿X向和Z向往复移动。抛光杆组件由前段、后段、气动马达、磨料刷组成。为实现最小孔径54mm处积碳的清理，同时使抛光杆具有更好的刚性，抛光杆采用两段式结构。前段外径为50mm，长250mm;后段外径为70mm，长2050mm。前、后段间采用螺纹连接，抛光杆长径比≥32，为弱刚性构件。

2恒压力抛光模型

2．1数学模型

抛光压力的大小主要取决于磨料刷与涡轮轴内壁之间的弹性变形压缩量的大小［8］。涡轮轴内壁积碳抛光清理过程中，抛光杆在外载荷作用下产生的挠曲变形量随悬伸量的增大而增大，造成磨料刷X向实际进给量小于抛光杆X向进给量，抛光压力因此不断下降。因此，分析了抛光杆挠曲变形量与抛光杆X向进给量及磨料刷X向实际进给量之间的关系，建立恒压力抛光模型。磨料刷弹性变形量为ap，涡轮轴以转速n1逆时针转动，磨料刷以转速n2顺时针转动，此时对磨料刷进行的受力分析，如图4所示。将磨料刷与涡轮轴接触弧段S上所受的力平移至磨料刷中心O2处，如图5所示。平移后产生的绕Z轴的扭矩对抛光杆在X向和Z向的挠曲变形无影响。因此，图5中未画出且下文不考虑绕Z轴的扭矩。磨料刷弹性变形量为ap时，其抛光加工状态，如图6所示。由恒压力抛光数学模型式(12)可知，抛光杆X向进给量xp的补偿量为抛光杆X向挠度wx，因此必须建立抛光杆X向挠度方程。

2．2抛光杆X向挠度方程

为了便于抛光杆在力Fx作用下的X向挠度方程计算，将其简化为简支梁计算，如图8所示。其中，G、K为两直线轴承支撑点，EH段为抛光杆前段，GK段为抛光杆后段在直线轴承左侧部分。在抛光杆X向挠度方程计算中将其简化为简支梁，为保证挠度方程wx精确度，通过有限元仿真结果与挠度方程wx计算结果的比较对其进行修正。抛光杆在抛光压力F=40N时，对应不同悬伸量l(其中，最大悬伸量lmax=1615mm;最小悬伸量lmin=300mm)处的变形量云图，如图9所示。在同等条件下根据式(18)计算得到抛光杆X向挠度，将两种结果进行统计分析，如表1所示。

3结论

本文以涡轮轴内壁积碳清理加工为研究对象，提出了采用磨料刷恒压力抛光清理涡轮轴内壁积碳的方法，设计涡轮轴内壁积碳清理加工设备。建立了恒压力抛光数学模型，并确定抛光杆X向进给量的补偿量wx的挠度方程。通过计算仿真得到抛光压力F=60N的补偿量曲线，结果表明，抛光杆在悬伸量l=300mm处的X向进给量的补偿量wx1=0．0119mm，l=1615mm处的X向进给量的补偿量为wx2=0．5407mm。

［参考文献］

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［3］王旭全．积碳对发动机性能的影响［J］．黑龙江交通科技，2008(5):75－76．

［4］陈翊坤．发动机油路零件激光清洗的工艺研究［D］．武汉:华中科技大学，2019．

［5］余相如，朱成绩，荣英侠，等．航空发动机低压涡轮轴再制造清洗技术研究［J］．清洗世界，2014，30(9):36－39．

［6］秦洪运，崔艳敏，王毓，等．发动机低涡轴超声清洗机电气控制系统设计［J］．中国新技术新产品，2015(14):7．

［7］余加伟．六轴四工位抛光机自适应恒压力磨削关键技术研究［D］．武汉:华中科技大学，2017．

［8］纪峰，李福援，刘莹，等．含磨料尼龙刷抛光去毛刺工艺试验研究［J］．新技术新工艺，2006(1):81－83．

［9］朱福康，刘毅，董航，等．直角坐标机器人悬臂结构优化设计与分析［J］．组合机床与自动化加工技术，2017(7):60－63．

［10］郭毓，蔡明仪，蔡杰民．受均布荷载作用五等跨等截面铰接梁内力和挠度方程及其计算系数表［J］．现代机械，2007(2):31－33．

作者：卢成 董志刚 康仁科 朱祥龙 徐会 刘丽娟 单位：大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 中国航发西安航空发动机有限公司盘轴中心