本发明专利技术公开了一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法及装置，所述检测方法具有如下步骤：获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系，测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移，判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象，确定预紧力不合理螺栓，及预紧力偏差值。本发明专利技术可快速、准确判断螺栓预紧状态，测量过程中不需要破坏螺栓结构，精度高于当前直接测量短螺栓长度的方式，消除了传感器进给误差导致的盘面轴向位移偏差，减少了紧固过程中盘面坐标基准偏移的影响，消除了多次测量的重复定位偏差。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空发动机装配技术，具体涉及一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法及装置。
技术介绍
航空发动机低压涡轮是将低压涡轮盘的动力传递给风扇的一种结构，它的工作转速高，传递扭矩值大。低压涡轮轴盘的装配工作主要由螺栓拧紧操作组成，拧紧力大小、拧紧顺序、拧紧次数等紧固工艺参数会对螺栓的预紧力大小产生影响，继而对于轴-盘连接界面接触应力、盘面变形及低压涡轮轴同轴度、低压涡轮轴盘动刚度及动力学稳定性等产生显著影响，不合理的紧固工艺将降低航空发动机低压涡轮轴运行可靠性。目前装配现场是通过监测拧紧螺栓时的扭矩值来控制螺栓的预紧力的大小，难以准确保证各螺栓轴向力的一致性。螺栓预紧过程中，输入能量只有大约10％转化为螺栓的预紧力，其它约90％转化为螺栓-被连接件接触端面及螺纹牙面摩擦损耗，端面及牙面摩擦系数的微小波动将导致螺栓轴向力的不一致性；预紧过程中施加扭矩常使螺栓达到弹性-塑性临界状态，扭矩与预紧力不再符合线性关系，更对预紧力精确控制提出了难题；即使采用扭矩-转角符合控制策略，不同螺栓间端面摩擦系数、牙面摩擦系数的差异性也将导致螺栓轴向力出现随机性；航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓数目达数十个，目前主要采用人工拧紧方式，某些螺栓也容易发生拧紧力不足的问题。测试预紧过程中螺栓伸长量是精确控制预紧力的方法之一，但航空发动机低压涡轮轴盘用螺栓属于短螺栓，考虑到测试仪器的误差，采用超声测长仪等设备也难以准确测定该类螺栓预紧力。航空发动机低压涡轮轴盘连接预紧力测试方法未见相关文献。现有螺栓预紧状态测试技术有以下几种方法：1)CN 105241598公开了《一种发动机转子预紧力测量方法及系统》，在发动机转子的中心拉杆上选取与其它零件不会干涉的横截面作为测量截面，在测量界面的圆周外沿上设置光纤光栅应变传感器，发射光信号给光纤光栅应变传感器并接收光纤光栅应变传感器反射的光束，根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力。但该发动机转子连接结构为中心拉杆，与低压涡轮轴盘螺栓连接方式有所不同，针对低压涡轮轴盘连接结构数十个螺栓布置光纤光栅传感器困难，且难以保证低压涡轮轴各个螺栓与被连接件不发生干涉。2)CN 102519652 B公开了《一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法》，通过在螺栓上安装测量辅助装置实现预紧力间接测量；CN 103439035 B公开了《一种螺纹紧固件预紧力测量方法及其测量装置》，通过在紧固件和被紧固物体之间安装一个螺纹紧固件预紧力测量装置实现测量；CN 103616118 B公开了《螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法》，通过在螺栓光杆段的外表面上贴附应变片，在螺栓头上开设第一通孔，导线通过第一通孔，将应变片和测量机构进行连接实现预紧力测量；CN 103884463公开了《复合材料连接结构预紧力在线监测方法》，将应变传感器埋入到金属螺栓中，应变传感器与应变仪的测量通道相连，测试螺栓承受的预紧力；CN204493395U公开了《一种智能螺栓》，包括内部开设有通孔的螺栓本体，光纤光栅传感器本体通过固定螺塞固定设置在螺栓本体的通孔内。但是，航空发动机低压涡轮轴盘装配过程中，不允许在紧固件和被连接件之间安装压力传感器，因为安装压力传感器一方面将影响连接件、被连接件刚度比，同时也影响结合面压力分布及使用过程的可靠性；低压涡轮轴盘连接用螺栓也不允许在螺栓头等部位制孔，及在螺栓中置入传感器，以避免影响螺栓使用可靠性；低压涡轮轴盘连接结构中螺栓的密集排布也决定难以连接附加装置测试螺栓轴向力。3)CN 104791351公开了《紧固件预紧力的光学测量》，该紧固件包括头部、杆，以及具有外表面和在所述外表面中轴向延伸的通道，光学透射的应变敏感材料填充所述通道，通过将光发送到被填充的通道入口同时对所述紧固件施加扭矩，测量被填充通道的出口处的光电频率，根据测得频率确定所述紧固件上的预紧力；US 6,829,944 B1公开了一种紧固件拉力测量系统，其通过测量紧固件头部变形，根据该变形量与紧固力的函数关系测定紧固力，紧固件头部变形测量可采用光学测量、电容式传感器、光学图像、气动测量及压缩电阻式测量方式；Sayed A.Nassar,Aidong Meng等提出了应用散斑干涉技术，通过监测被连接件位移监测螺栓紧固力的方法。但是，航空发动机低压涡轮轴盘连接用螺栓不允许在其表面制作轴向延伸通道；另一方面，航空发动机轴盘连接结构中，法兰结构中密集排布数十个螺栓，螺栓间距仅为数毫米，被连接件受力、变形状态体现为多螺栓与被连接件的综合作用，不同螺栓之间互为约束，被连接件变形机理、变形分布形态等与Sayed A.Nassar,Aidong Meng等研究的单螺栓结构有所不同。航空发动机低压涡轮轴盘连接结构厚度为数毫米，装配过程中，预紧力作用下航空发动机低压涡轮轴盘盘面将发生微小变形，但低压涡轮轴盘连接结构为多螺栓连接结构，多螺栓之间相互影响，且相邻螺栓间距仅为数毫米，盘面变形综合体现为载荷作用下变形量的传递与约束作用。另一方面，航空发动机低压涡轮轴盘连接结构为外圆直径为数百毫米的法兰面，使用数十颗螺栓进行连接，针对整个盘面进行位移量测试效率低下，如何快速、准确判定各螺栓预紧状态也是实际应用中需要解决的问题。
技术实现思路
鉴于现有技术应用于航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓预紧力测试方面的缺点和不足，结合多螺栓密集作用下薄壁件变形规律，专利技术一种快速、准确检测航空发动机低压涡轮轴盘连接螺栓预紧力的方法及装置。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，其特征在于，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，所述检测方法具有如下步骤：S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……nmax-1、nmax；S13、在编号3～nmax-2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n1、n2、n3、n4，按逆时针方向临近n1的第一颗螺栓标识为n0，按顺时针方向临近n4的第一颗螺栓标识为n5；S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：a)四颗螺栓预紧力均为预期值；b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；S15、第一传感器对、第二传感器对和第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，其特征在于，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，所述检测方法具有如下步骤：S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……nmax‑1、nmax；S13、在编号3～nmax‑2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n1、n2、n3、n4，按逆时针方向临近n1的第一颗螺栓标识为n0，按顺时针方向临近n4的第一颗螺栓标识为n5；S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：a)四颗螺栓预紧力均为预期值；b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；S15、第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对同时与低压涡轮轴盘接触，同时保证六个传感器轴线在同一个平面内，通过所述第二传感器对获取不同工况下n0‑n1、n1‑n2、n2‑n3、n3‑n4、n4‑n5中间区域低压涡轮轴盘上下盘面位置(x2,y2)的相对位移值u(x2,y2)＝ua(x2,y2)‑ul(x2,y2)，其中，ua(x2,y2)、ul(x2,y2)分别为(x2,y2)位置上、下盘面位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x1,y1)和(x3,y3)的相对位移值u(x1,y1)＝ua(x1,y1)‑ul(x1,y1)和u(x3,y3)＝ua(x3,y3)‑ul(x3,y3)，根据测试结果建立盘面相对位移差与预紧力大小之间的关系：(Δu12,Δu13)＝g(Fn1,Fn2,Fn3,Fn4,x1,y1,x2,y2,x3,y3)，其中，Δu12＝u(x1,y1)‑u(x2,y2)，Δu13＝u(x1,y1)‑u(x3,y3)，Fn1为施加到n1上的预紧力，Fn2为施加到n2上的预紧力，Fn3为施加到n3上的预紧力，Fn4为施加到n4上的预紧力；S16、针对不同工况条件、不同预紧力作用下的n0‑n1、n1‑n2、n2‑n3、n3‑n4、n4‑n5中间区域各个位置(Δu12,Δu13)进行测试、分析，结合牙面摩擦系数、端面摩擦系数偏差引起的螺栓轴向力偏差及低压涡轮轴盘紧固性能要求，确定判定螺栓预紧力不足或偏大的阈值：C(Δu12,Δu13)＝g(Fn1,Fn2,Fn3,Fn4,x1,y1,x2,y2,x3,y3)；S2、测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构上下盘面相对位移：S21、做待测螺栓与相邻螺栓连线的垂直中心线ab，其中，a、b两点分别为测试装配过程中或装配后的低压涡轮轴盘结构的法兰结构边缘，设c为ab中点，d、e、f、g为ab上的参考点，记待测螺栓编号为nc；S22、保证ab垂直于六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线所在的平面，沿ab移动所述第二传感器对，分别于a‑d、f‑g、e‑b范围内均匀采集3～5个位置点的盘面相对位移值u(x2,y2)＝ua(x2,y2)‑ul(x2,y2)，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x1,y1)和(x3,y3)的相对位移值u(x1,y1)＝ua(x1,y1)‑ul(x1,y1)和u(x3,y3)＝ua(x3,y3)‑ul(x3,y3)，计算获得各采集位置点的盘面相对位移差(Δu12,Δu13)，各采集位置点的相对位移差的集合ΔU构成描述待测螺栓预紧力的特征量，ΔU＝{Δu12_1,Δu12_2,...,Δu12_n,Δu13_1,Δu13_2,...,Δu13_n}；S23、为判断低压涡轮轴盘结构中所有螺栓预紧状态，依次获取编号为1、3、5……nmax‑1，或2、4、6…..nmax的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合；S3、判断各待测螺栓或相邻螺栓是否存在预紧力不足或偏大现象：根据获取的编号为1、3、5……nmax‑1，或2、4、6…..nmax的螺栓的各采集位置点相对位移差的集合，对于待测螺栓，ΔU中若50％以上位置点的盘面相对位移...
【技术特征摘要】
1.一种基于气缸型接触式位移传感器组的航空发动机低压涡轮轴盘紧固力检测方法，其特征在于，所述气缸型接触式位移传感器组包括沿直线等间距排列的第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对，所述间距等于位于低压涡轮轴盘表面上的螺栓部分的外沿所在圆的直径与位于低压涡轮轴盘表面上的相邻两个螺栓部分的间距之和，第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对均包括两个相对设置的、检测低压涡轮轴盘的相对位移值的气缸型接触式位移传感器，六个所述气缸型接触式位移传感器的轴线位于同一平面内，所述检测方法具有如下步骤：S1、获取低压涡轮螺栓预紧力与上下盘面相对位移大小、分布的关系：S11、对低压涡轮轴盘上的各螺栓进行拧紧，选择端面摩擦系数、牙面摩擦系数及轴向力一致的螺栓，并记录其在低压涡轮轴盘上的位置；S12、制作与所述低压涡轮轴盘相同的低压涡轮轴盘试件，按十字交叉法对试件上的螺栓进行拧紧，并对与步骤S11所述位置相对应的螺栓进行编号，记为1、2……nmax-1、nmax；S13、在编号3～nmax-2的范围内依次选取四颗螺栓，按顺时针方向分别标识为n1、n2、n3、n4，按逆时针方向临近n1的第一颗螺栓标识为n0，按顺时针方向临近n4的第一颗螺栓标识为n5；S14、对选取的四颗螺栓按以下四种工况施加预紧力：a)四颗螺栓预紧力均为预期值；b)一颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；c)相邻两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；d)间隔一颗螺栓的两颗螺栓预紧力不足或偏大、其它螺栓预紧力为预期值；S15、第一传感器对、第二传感器对和第三传感器对同时与低压涡轮轴盘接触，同时保证六个传感器轴线在同一个平面内，通过所述第二传感器对获取不同工况下n0-n1、n1-n2、n2-n3、n3-n4、n4-n5中间区域低压涡轮轴盘上下盘面位置(x2,y2)的相对位移值u(x2,y2)＝ua(x2,y2)-ul(x2,y2)，其中，ua(x2,y2)、ul(x2,y2)分别为(x2,y2)位置上、下盘面位移值，同时，第一传感器对和第三传感器对分别获取对应低压涡轮轴盘上下盘面位置(x1,y1)和(x3,y3)的相对位...
【专利技术属性】
技术研发人员：马跃，黄伟强，姜英杰，孙伟，孙清超，张伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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