大型超声速风洞全柔壁喷管段的装配工艺

□ 唐淋伟 马东平 谢 晶 尹永涛 丁寿和 庞旭东

1.中国空气动力研究与发展中心 四川绵阳 621000 2.武汉重型机床集团有限公司 武汉 430205

1 装配对象

大型超声速风洞是衡量一个国家试验空气动力学水平的重要标志,其中,大型超声速风洞喷管段是大型超声速风洞的核心部段,也是研制大型超声速风洞的关键工程。

大型超声速风洞喷管段采用二元多支点全柔壁结构型式[1],左右壁为平行壁,上下壁为型面壁。以某新建的1.2 m超声速风洞全柔壁喷管段为例,介绍大型超声速风洞全柔壁喷管段的关键装配工艺,喷管段外形尺寸为长13 320 mm、宽6 280 mm、高7 830 mm。

大型超声速风洞全柔壁喷管段主要由洞体框架和上下柔壁机构组成[2],洞体框架由支座、下梁、左右立柱、左右侧壁、上梁组成,柔壁机构由入口导流板组件[3]、入口固定铰链、上下柔板、柔壁、铰链组、执行机构[4]组成,属于多支点并联驱动机构,如图1、图2所示。柔壁气流背面连接多组铰链,铰链分别与2～18号执行机构连接,柔壁一端与喷管框架气流出口端固定连接。入口导流板气流背面连接多组铰链,铰链与入口固定铰链、1号执行机构连接,入口导流板一端与喷管框架气流入口端固定连接。执行机构安装于框架上梁或下梁的固定支座上,柔壁在执行机构作用下上下运动。入口导流板搭接在柔壁上方,通过燕尾槽滑动副配合运动,补偿因柔壁运动而出现的间隙。

▲图1 大型超声速风洞全柔壁喷管段结构

▲图2 柔壁机构结构

2 技术指标

大型超声速风洞全柔壁喷管段出入口截面间距为12 500±2 mm。入口截面高为2 100±0.2 mm,宽为1 200±0.2 mm,对角线长度误差不大于0.5 mm。出口截面高为1 200±0.2 mm,宽为1 200±0.2 mm,对角线长度误差不大于0.5 mm。

入口法兰平面与轴线的垂直度不大于0.5 mm,出口法兰平面与轴线的垂直度不大于0.1 mm。

左右侧壁全长平行度不大于0.5 mm,且不大于0.2 mm/m,铅垂度不大于0.2 mm。

喷管段任意执行机构撑杆横截面位置处,柔壁与水平面平行度不大于0.2 mm。对马赫数为1.0、2.0、3.0、4.25、4.5的型面进行成型动作验证,柔壁组件行程满足相应马赫数的要求。对马赫数为2.0、4.25的型面反复成型,柔壁型面重复定位精度喉道前不低于0.5 mm,喉道后不低于0.1 mm。

3 关键装配工艺

大型超声速风洞全柔壁喷管段属于重型机械装配[5],安装调整困难,因此先开展部件装配,后进行整体装配。总装时以水平面为安装基准,由下往上以搭积木的方式安装。

3.1 洞体框架

为了确保喷管段这种大型非标设备的主要几何尺寸及形位公差满足要求,合理的结构主体洞体框架装配工艺是关键。

测量时以水平面为安装基准,测量工具主要采用水平仪、倾斜仪,辅助工具为激光跟踪仪[6-7]。

装配时以下梁作为喷管段的安装基准,通过支座下方多套水平、前后可调的垫铁组,确保下梁上的左右立柱安装面水平度不大于0.2 mm,下梁上的左右侧壁定位面与水平面垂直度不大于0.1 mm。

左右立柱与上下梁的安装面在机床上同时加工,确保左右立柱等高。以喷管段气流入口端为前后安装基准,对下梁、左右立柱、左右侧壁、上梁进行组装,装配后应达到左右侧壁间距离1 200±0.2 mm、平行度不大于0.5 mm、铅垂度不大于0.2 mm的安装要求。

对洞体框架各组装零件配作定位销,然后用落地镗床对气流出口端法兰面进行整体加工,如图3所示。通过加工,实现喷管段出入口截面间距离在12 500±2 mm范围内。同时实现由上梁、下梁、左右侧壁组成的入口法兰面平面度达到0.1 mm,与水平面垂直度达到0.2 mm;出口法兰面平面度达到0.1 mm,与水平面垂直度达到0.1 mm。另一方面,达到出入口截面的对角线长度误差不大于0.5 mm的安装要求。

▲图3 气流出口端法兰面加工

洞体框架出口端面整体加工后,将组件分解,作为其它设备安装的基准。

3.2 执行机构支座

上梁、下梁安装柔壁执行机构的支座,两件为一对。每对支座的铰链孔轴线是众多执行机构安装、测量的基准,因此支座的安装精度要求极高。

设计工艺芯棒,芯棒与支座铰链孔的配合精度选取H7/h6。

测量时,每一对支座均用配作的工艺芯棒连接,通过工艺芯棒找出每对支座的铰链孔轴心,测量铰链孔轴心与上梁出口法兰面的平行度,测量工具采用激光跟踪仪。

安装时,通过激光跟踪仪的测量结果,实时调整支座安装位置,待达到安装座轴线水平度不大于0.1 mm,且与上梁入口法兰平行度不大于0.02 mm的安装要求后,固定支座,配作定位销定位。执行机构支座的安装如图4所示。

▲图4 执行机构支座装配

上梁装配支座时,按正常位置安装。下梁装配支座时,为了方便测量和装配支座,需要对下梁翻面,再进行安装。

3.3 柔壁组件

柔壁组件由柔壁、柔壁气流背面铰链组、柔壁气流背面燕尾块构成。铰链组由三套铰链构成,要求铰链组与同截面的铰链孔同轴,与柔壁气流出口端端面的平行度不大于0.05 mm,与柔壁背面的平行度不大于0.05 mm。

设计两件工艺芯棒,芯棒与铰链组上铰链孔的配合精度选取H7/h6。

测量时,芯棒穿过铰链孔,以柔壁气流出口端面为测量基准,测量芯棒与柔壁气流出口端面的平行度,测量工具采用激光跟踪仪。同时用内径千分尺测量相邻两件芯棒的距离,测量方法简便,提高了安装调整铰链座的效率。

安装时,清理、调整安装平台,平台调平,平面度不大于0.1 mm。吊装柔壁平放在安装平台上,柔壁气流背面向上。按图纸要求,安装柔壁气流背面铰链组。铰链组安装到位后,芯棒穿过铰链孔,按前述测量方法边测边调铰链组位置。铰链组调整完成后,配作定位销定位。确保同一截面铰链组铰孔同轴,铰链组铰孔轴线与柔壁气流出口端面的平行度不大于0.05 mm,与柔壁背面的平行度不大于0.05 mm。柔壁组件铰链组的装配如图5所示。

▲图5 柔壁组件铰链组装配

安装柔壁背面气流入口处的燕尾滑动副,难点在于要保证配合面的形位精度和配合精度。

测量时,采用芯棒间接测量燕尾块的定位配合面,如图6所示,测量工具使用激光跟踪仪。

▲图6 燕尾滑动副测量

安装时,将燕尾块的定位配合面与柔壁侧面平行度调整为0.03 mm,待燕尾块固定后,配作定位销定位。安装入口导流板气流背面的黄铜燕尾板,与燕尾块研磨、配合。

3.4 执行机构

喷管段柔壁组件的驱动由多套执行机构共同完成,各套执行机构结构原理相同,尺寸与推力不同。执行机构的精度很高,难点在于如何方便地安装、测量和测试。

执行机构悬挂梁耳轴安装在喷管段上下梁的支座内,下横梁与柔壁气流背面铰链,通过销轴连接。通过油缸驱动的下横梁带动执行机构上下移动,执行机构也可以随悬挂梁耳轴摆动。定位机构左右各有一台电动缸,伺服电机驱动电动缸的梯形丝杠螺母,实现精密定位。在工作行程的起止位置各安装一个行程指示开关。

设计工艺芯棒,芯棒配合精度选取H7/h6。测量工具为水平仪、接杆式内径千分尺。

安装时,用水平仪将工装平台的安装面调水平。执行机构在地面初步装配完成后,吊到工装平台的安装位置。在下横梁铰链内安装芯棒,通过内径千分尺测量悬挂梁与下横梁的平行度。通过手动单独调节定位机构丝杠螺母副,调整悬挂梁与下横梁之间的平行度,达到不大于0.05 mm的要求。在工装平台上测试、记录每套执行机构的性能指标,实现执行机构不带负载时全行程正反向运动检测同步精度不低于0.05 mm,带负载机构单向整体运动定位精度不低于0.05 mm,运动速度为5 mm/s。空载工况下,执行机构运行平稳,无爬行、卡滞、振动、异响,在油缸压力为0～25 MPa时运行可靠。执行机构的装配如图7所示。

▲图7 执行机构装配

3.5 喷管段整体装配

喷管段整体装配前,完成洞体框架的装配、定位、整体加工和分解,柔壁组件的配装,执行机构的配装,洞体框架上梁、下梁与执行机构支座的安装定位。总装时,完成支座、下梁、执行机构、柔壁组件的安装调试,上梁、执行机构、柔壁组件的安装调试,左右立柱、左右侧壁及相关驱动机构的安装调试,整体吊装已经组装好的上梁、执行机构、柔壁组件,并安装喷管段其它零件,整体调试柔壁系统。

(1)柔壁组件的整体吊装。柔壁组件刚性较差,起吊、运输、翻面都很困难。解决方案是刚度转换,根据柔壁的零件特点,设计一套集起吊、翻身、运输、装配为一体的复合工装[8],加工翻面及起吊运输时均使用这一工装,以控制柔壁的变形。柔壁组件的吊装如图8所示。

▲图8 柔壁组件吊装

(2)下梁执行机构的吊装。下梁执行机构吊装困难,需要先用所设计的工装立柱代替支座,将下梁升高约2 m,再用平板运输车将执行机构运输至安装位置的下方,利用两台吊车配合吊装,将执行机构吊装到位。下梁执行机构的吊装如图9所示。

▲图9 下梁执行机构吊装

(3)柔壁组件与执行机构的连接。将柔壁组件吊装至安装位置后,用千斤顶暂时支撑,按照前、后、中间的顺序驱动执行机构运动,与柔壁组件完成连接,连接时用千斤顶找正柔壁。柔壁宽1 198 mm,确保柔壁侧面与左右侧壁定位面的间隙在全长范围内基本均匀,达到1±0.5 mm。柔壁组件执行机构的连接如图10所示。

▲图10 柔壁组件与执行机构连接

4 调试

4.1 单套柔壁

柔壁组件、执行机构与下梁或上梁连接后,需要完成柔壁全行程的调试工作,对设计是否正确进行初步验证,同时可以发现、排除新设备研制所带来的结构、测控、液压系统存在的问题,确保柔壁运动控制逻辑正确[9],机构无卡滞、异响。

型面调试思路为根据空气动力学理论计算给出的喷管柔壁型面离散数据,通过三维软件拟合为一条柔壁的二维理论曲线。采用作图法,基于计算机辅助设计软件,规定好坐标原点,用激光跟踪仪测量实际柔壁拟合得到的曲线,与理论曲线比较。计算每套执行机构和铰链连接处的实际曲线与理论曲线的插值,驱动执行机构将柔壁实际曲线运动至理论曲线。上述过程多次循环,反复迭代。单套柔壁的调试如图11所示。

▲图11 单套柔壁调试

4.2 柔壁整体

完成喷管段的全部零件装配后,通过入口导流板组件入口、柔壁出口与洞体框架之间的垫片,确保喷管段入口高度调节至2 100±0.1 mm,出口高度调节至1 200±0.1 mm。柔壁出口与喷管段出口端面对齐,配作定位销定位。对柔壁进行整体联调,调试顺序为柔壁零位固定、柔壁全行程运动试验、柔壁横向水平度调试、柔壁型面重复精度调试、柔壁型面与理论型面吻合精度调试、柔壁型面对应撑杆行程固化调试。

(1)柔壁横截面水平度调整。通过悬挂梁支座加调整垫板实现,具体方法是在悬挂梁支座上加工螺纹孔,通过顶丝微调支座高度,待柔壁横截面水平度调整为不大于0.2 mm后,测量支座底部间隙,依据测量结果配作垫片,固定支座。

(2)柔壁组件运动方式。执行机构上的电动缸螺母动作到位,油缸驱动下横梁推动柔壁成型。如果各执行机构节点行程合理,那么油缸可推动柔壁到位形成光滑曲线。如果有突变点,那么油缸不能到位。最后油缸高压锁紧,柔壁在内部气流载荷的作用下保持型面的稳定性。

(3)柔壁的安全保护。调试过程中,柔壁的执行机构如果行走不协调,那么很容易拉扯柔壁,导致柔壁材料出现破损问题。因此,必须在柔壁背气流面粘贴应力变化传感器,在柔壁运动过程中实时监测柔壁的受力情况。设定应力最大值,应力变化传感器一旦监测到实际应力超过应力最大值,则柔壁执行机构自动停止运动。

5 结束语

笔者介绍的大型超声速风洞全柔壁喷管段装配工艺应用于某新建1.2 m超声速风洞,装配后喷管段出入口截面间距离为12 500.5 mm;入口截面高为2 100.1 mm，宽为1 200.1 mm,对角线长度误差为0.2 mm,出口截面高为1 200.1 mm,宽为1 200.1 mm,对角线长度误差为0.1 mm;入口法兰平面与轴线的垂直度为0.2 mm,出口法兰平面与轴线的垂直度为0.1 mm;左右侧壁全长平行度不低于0.2 mm,且不低于0.1 mm/m,铅垂度不大于0.1 mm;柔壁与水平面平行度为0.2 mm,柔壁可实现马赫数1～4.5型面的运动,柔壁中线型面重复定位精度喉道前不低于0.5 mm,喉道后不低于0.15 mm。

喉道后柔壁型面重复定位精度为0.15 mm,此指标对于喷管段柔壁这一复杂、重型机构而言已经很高了,装配上已经无法再优化,故项目组勉强接受。从后期风洞流场校测结果来看,这一喷管段产生的流场质量达到了国家军用优秀标准[10]。实践证明,喷管段喉道后柔壁型面重复定位精度为0.15 mm完全满足风洞的设计需求,由此建议后续建设的大型超声速风洞全柔壁喷管段,其柔壁喉道后型面重复精度可参考本项目实践结论。

笔者介绍的大型超声速风洞全柔壁喷管段装配方法科学、合理,研制的相关工装结构简单、实用、可靠性高,安装测量方法科学、精度高,调试技术安全、稳妥,取得了良好的效果,对后续超声速风洞喷管段的建设具有指导意义。