涡轮轴内壁积碳清理设备结构设计与分析

卢 成，董志刚，康仁科，朱祥龙，徐 会，刘丽娟

(1.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中国航发西安航空发动机有限公司盘轴中心，西安 710021)

0 引言

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φ54～φ117 mm；涡轮轴最大长度为1553 mm。

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。

图3 内壁抛光装置

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φ54 mm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φ50 mm，长250 mm；后段外径为φ70 mm，长2050 mm。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。

图4 磨料刷受力分析图

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。

图5 平移后磨料刷受力分析图

根据图 4和图 5可知磨料刷弹性变形量为ap时，磨料刷受力为：

F(t)=F(s-t)

(1)

f(t)=μF(t)=f(s-t)=μF(s-t)

(2)

(3)

(4)

Fx=Fcosα-fsinα

(5)

Fy=Fsinα+fcosα

(6)

式中，F为抛光压力，即支反力的合力；F(t)为接触弧长t点处支反力；F(s-t)为接触弧长s-t点处支反力；f为摩擦力的合力；f(t)为接触弧长t点处摩擦力；f(s-t)为接触弧长s-t点处摩擦力；γ(t)为力F(s)与F(s-t)间夹角；Fx为磨料刷X向所受分力；Fy为磨料刷Y向所受分力；μ为摩擦系数；α为O1O2与X轴夹角。

磨料刷弹性变形量为ap时，其抛光加工状态，如图6所示。

图6 磨料刷抛光加工状态

根据图6建立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式：

(7)

xm=xp-wx

(8)

联立式(7)、式(8)得，磨料刷弹性变形量为ap对应抛光压力为F的恒压力抛光数学模型：

(9)

式中，R1为涡轮轴内孔半径；R2为磨料刷半径；wx为抛光杆X向挠度；wy为抛光杆Y向挠度；ap为磨料刷弹性变形量；xm为磨料刷X向实际进给量；xp为抛光杆X向进给量。

图7 抛光杆Y向变形云图

Fx=Fcosα-fsinα≈F

(10)

Fy=Fsinα+fcosα≈f

(11)

xp=R1-R2+ap+wx

(12)

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。

图8 抛光杆X向挠度计算简图

由材料力学相关知识，在抛光杆X向挠度计算过程中进行分段处理。HK段变形，EH段钢化，确定HK段弯矩方程；HK段钢化，EH段变形，确定EH段挠度方程。根据d2x/d2z=M(z)EI，支座处梁挠度为零的边界条件和梁的连续条件[10]，对弯矩方程积分，可得各段梁的转角方程和挠度方程：

GK段：

(13)

(14)

HG段：

(15)

(16)

EH段：

(17)

根据式(10)、式(15)、式(16)及式(17)求得抛光杆悬伸量为l时，X向挠度方程：

(18)

式中，l为抛光杆悬伸量；l1=250 mm为抛光杆前端长度；l2=320 mm为两直线轴承跨距；E=2.1×1011Pa为弹性模量；I1=1.81×105mm4为抛光杆前段截面惯性矩；I2=7.91×105mm4为抛光杆后段截面惯性矩。

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=40 N时，对应不同悬伸量l(其中，最大悬伸量lmax=1615 mm；最小悬伸量lmin=300 mm)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。

图9 抛光杆X向变形云图

表1 抛光杆X向挠度统计表

根据表 1中抛光杆X向挠度的有限元仿真结果和挠度方程计算结果的误差，确定了挠度方程修正系数k。

(19)

将修正系数k带入式(18)中，得到修正后的X向挠度方程，保证其在抛光杆悬伸量范围内计算结果的误差在5%以内，修正后的抛光杆X向挠度方程为：

(20)

加工前由已知的抛光压力F根据式(20)计算出抛光杆在不同悬伸量l处挠度wx，并将其补偿至抛光杆X向进给量xp中，实现涡轮轴内壁积碳恒压力抛光。

根据上述抛光杆X向挠度方程及相关参数，使用MATLAB计算得到抛光压力F=60 N时，抛光杆X向进给量在不同悬伸量l处的补偿量曲线，如图 10所示。由补偿量曲线可知，抛光杆悬伸量l=300 mm处的补偿量wx1=0.011 9 mm；l=1615 mm处的补偿量wx2=0.540 7 mm。

图10 抛光杆X向进给量的补偿量曲线

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=60 N的补偿量曲线，结果表明，抛光杆在悬伸量l=300 mm处的X向进给量的补偿量wx1=0.011 9 mm，l=1615 mm处的X向进给量的补偿量为wx2=0.540 7 mm。