动力传动轴动平衡工艺研究与应用

陈祥鑫 郭勤涛 于丽丽 陈 果

（1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；
2.中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨 150066；
3.南京航空航天大学 通用航空与飞行学院，溧阳 213300）

动力传动轴是直升机传动系统的重要组成部分，可为主减速器和发动机提供动力传输和物理连接，并能够在一定程度上补偿安装及飞行过程中的偏角和位移，同时为发动机提供部分支撑。

某型动力传动轴左端为法兰盘结构，连接着对焊的弹性膜盘，且两段动平衡去重带的中间是空心的管状结构；
最右端是鼓形定心花键，表面为渗碳涂层[1]。平衡时的定位基准是法兰盘外径和花键齿顶，装配时一端是与动力轴的外径有小紧度（0.01 mm 的盈量）的法兰盘，另一端采用花键结构的工装。由于花键的连接存在间隙，而动力轴平衡转速为（6 000±2 000）r·min-1，转速跨度宽，工装连接的误差在平衡时导致不平衡量产生飘移现象，导致平衡不稳定。动力传动轴是动力传动转子，动平衡需在轴的工作全转速下进行，而在高转速旋转时不平衡量值会产生波动。其平衡方法不同于刚性转子的动平衡理论和方法。

基于动平衡理论，针对高速动力传动轴的特性，深入分析动力传动轴的挠曲性及平衡原理，研究动平衡影响因素，积累动力传动轴的平衡经验，通过设备的调整以及轴挠曲特性的分析和摸索，总结出一套成熟的动力传动轴的动平衡工艺方法，实现动力传动轴的动平衡控制。

1.1 定标精度对不平衡的影响

动平衡机选择的原则有以下两点：一是物理参数不超过平衡机的技术规格，二是所选的平衡转速应满足转子的平衡精度eper。

动力传动轴平衡使用的HK4 高速动平衡机是一台精密的进口平衡设备。HK4 平衡机在规定位置（定标贴蜡处，半径为45 mm）贴质量为1 g 的平衡蜡，显示的不平衡量变化为45.2 g·mm（理论应为45 g·mm），误差为0.4%，定标精度能够满足使用要求。

1.2 平衡工装对不平衡的影响

平衡工装的加工精度较高，关键配合面的位置度要在0.01 mm 以内，表面粗糙度应不低于0.8 μm，安装孔和止口要在工艺上保证一刀加工。要考虑轴端顶具的安装位置，或是否需要设计特殊的轴向顶具。工装结构要考虑挂皮带的位置是否足够等。HK4 高速动平衡机配两套摆架，一套法兰式支撑，一套滚轮支撑[2]。从动力传动轴结构上分析，需采用法兰支撑，通过工装与动力传动轴转接。

安装孔同支承轴面的同轴度和安装孔的位置度，直接影响尾轴的动不平衡量。位置度每增大0.01 mm，动不平衡量就增加大约30 g·mm（每个校正面为15 g·mm），达到总不平衡量的33.3%。法兰连接处应保证安装动力传动轴时为小间隙或零间隙配合，减小重装误差设备补偿的准确性，保证动平衡数据的真实性。在HK4平衡机上动平衡时，工装自身的不平衡量可以通过设备的分解补偿功能进行消除。

1.3 动力传动轴与平衡机连接时对不平衡量的影响

动力传动轴平衡时使用的链接螺栓及螺母所产生的动不平衡量为

式中：M表示动不平衡量，g·mm；
m表示质量差，g；
r表示螺栓安装半径，mm。

经过计算，动力传动轴平衡时使用的链接螺栓及螺母引起的动不平衡量为50 g·mm，占总不平衡量的111.1%。

基于平衡工装及夹具自身的不平衡，以及装配间隙、加工误差，动力传动轴的不平衡量必然会带入附加不平衡量，对平衡结果产生影响[3]。因此，在动力传动轴的动平衡操作前，每一次的装配过程都要通过标记、选配等措施，保证平衡螺栓与动力传动轴法兰盘的安装孔位置固定不变，减少附加不平衡量对真实值的影响。

1.4 花键跳动对不平衡量的影响

动力传动轴的外花键跳动和尾轴法兰盘内花键跳动对不平衡量的影响为

式中：M"表示动不平衡量，g·mm；
m"表示尾轴质量，g；
λ表示花键跳动差，mm。

经计算，M"值为75 g·mm，占总不平衡量的166.7%。该因素影响不平衡量比重较大，是关键因素。尾传动轴轴系叠片联轴节自身也有不平衡量（有的不平衡量达到30 g·mm），占总不平衡量的66.7%，因此轴的加工质量是影响动平衡的关键指标。

2.1 左侧法兰连接工装的设计研究

为了保证动平衡的精度，动力轴左端的连接工装与动力轴精密配合，旋转过程中无相对运动。左端的平衡工装是动力轴的旋转动力驱动装置，要保证连接可靠。

该工装与动力轴法兰外径的过盈量为0.01 mm，工装与设备的安装面的跳动值为0.005 mm，与设备的安装孔的位置度为0.015 mm，工装的表面粗糙度为0.8 μm，表面淬火硬度为450～550 HV，淬火深度为5 mm，材料选择42CRMOV4。为了控制螺钉的安装误差，采用精密测量装置，根据孔直径设计高精度的分级连接螺钉。使用时按分级尺寸做好一对一的标记，确保连接螺钉与模片的精密配合。同时，定做一批光洁度好、质量均匀的垫片，最大限度地降低螺钉拆装对不平衡量带来的影响。

2.2 侧花键平衡工装的研究

动力传动轴右侧是带涂层的花键和带涂层的密封槽，动平衡时既要保证平衡精度高，还要确保涂层无磨损，因此设计了4 种工装方案，通过实践进行优选。

第一种，抱轴式动平衡工装设计。该方案工装内部采用涨圈式结构，通过调整杆控制涨圈的涨缩抱紧动力传动轴的花键，可实现平衡工装与动力传动轴之间的无间隙配合，且在达到平衡后涨圈与花间脱开。该工装由于夹紧力的存在，平衡后动力传动轴花键外图层大面积脱落，影响产品的外观质量[4]。为此，在涨圈与花键夹紧处增加铝箔片、油纸等辅助材料，试验后均出现不同程度的撕裂现象。可见，该工装对涂层的磨损不可避免，方案不可取。

第二种，加紧密封槽的动平衡工装设计。该型号动力传动轴共有5 处密封槽，其中靠近花键外的2 处密封槽为精加工面，可以实现精密配合夹紧。经试验验证，抱紧的密封槽在动平衡试验后涂层面脱落严重，且局部露出光亮的基体。因此，该工装对涂层的影响也不可避免，方案不可取。

第三种，花键配合的动平衡工装设计。该型号动力传动轴花键为鼓形，在高速旋转时可以实现自动定心，工装花键光度较高。经试验验证，平衡过程中振动及声响较大，同时涂层存在磨损，因此该设计方案也不是最佳方案。

第四种，半定位半传扭的动平衡工装设计[5]。半定位是在动力轴花键的鼓形最大外径处做一个精密分级的定位套，使轴在旋转过程中定位准，无异常的振动和偏离；
半传扭是在动力轴的花键端部做一段与其相配的内花键，作用是传扭。用此工装进行动平衡时，振动小、测量值稳定，且对动力轴花键的涂层磨损非常小，是最理想的设计方案。

2.3 动平衡转速的研究

动平衡转速选择的原则有以下4 点：一是不超过平衡机的限制转速；
二是不超过转子实际能达到的最高转速；
三是所选的平衡转速应满足转子的平衡精度；
四是避免共振干扰。

动力传动轴规定平衡转速为（6 000±2 000）r·min-1，转速高、跨度宽。由于动力传动轴是挠性轴，转速的选择对动平衡影响较大。这就需要摸索出动力传动轴的共振区，因为共振区的动平衡变化率非常快，如果采用此范围内的转速段进行动平衡，会出现不平衡量不真实现象，并产生突变，易产生角度漂移。同时，接近共振区平衡时容易造成动力轴和平衡机损伤，因此动平衡的转速应避开振动较大的速度区。HK4 高速动平衡机采用的是高速电机，3 000 r·min-1、6 000 r·min-1与电网供电50 Hz 同频共振。平衡转速与电源频率的差异至少为10%，不可选用的转速为2 700～3 300 r·min-1、5 400～6 600 r·min-1。

为了找到动力传动轴的实际动平衡特性，在平衡机上进行2 倍转速模拟，模拟出动力传动轴在平衡机上的共振转速在6 500 r·min-1附近，转速在4 500～8 000 r·min-1。在共振区，动力传动轴的不平衡量随着平衡转速的增加而增大。当平衡转速逐渐增大到临界转速时，不平衡量值趋于无穷大；
当平衡转速超过临界转速且继续增大时，不平衡量反而逐渐减小。综上所述，确定最佳平衡转速为4 000～4 500 r·min-1。

2.4 翻转角度动平衡测量的研究

动力传动轴的平衡技术要求较高，平衡指标比较精准。为了保证动平衡的重复性好，需确保将其翻转3 个角度（0°、120°、240°）时剩余不平衡量合格。而在实际平衡时，每翻转一个120°，平衡量变化1～2 g·mm，随机性的变化明显。引起这种变化的原因是工件与工装、设备安装连接时产生了误差。

为保证该动力传动轴的动平衡量值真实可靠，减少平衡工装引入的动不平衡量，在动平衡操作前，需要对动力传动轴进行翻转补偿。其受力分析如图1 所示，其中A表示平衡工装的受力大小，B表示动力传动轴的受力大小及方向，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表示平衡翻转后平衡工装夹具的受力大小。从图1 可以看出，动力传动轴值的受力大小及方向不变，平衡工装和平衡翻转后平衡工装受力大小不变，平衡角相相差120°。HK4 高速动平衡机可以自动识别为工装引入的不平衡量，并进行补偿。

图1 动力传动轴翻转补偿分析

采取每次轴翻转120°前在平衡设备上进行工装翻转补偿功能的措施，并对每个翻转角度的不平衡量在显示屏的雷达图上的位置进行打点记忆，综合分析不平衡量的变化轨迹。如果轴翻转后不平衡量偏离较大，可以针对性地分析动力传动轴不平衡量偏离大的角相是否有故障，也可通过分析雷达图记录的不平衡量的角向及质量找到一个平均位置进行平衡来综合3 次测量，达到3 次翻转合格的目的。

在翻转补偿操作后，对翻转补偿是否有效进行验证，结果证明该措施明显提高了翻转角度后平衡量波动的稳定性，并提高了3 次翻转的合格率，为平衡工作的顺利进行奠定了基础。

对动力传动轴进行动平衡工艺研究，采用理论计算和平衡试验相结合的分析方法，确定了影响动平衡的主要因素，掌握了动力传动转子动平衡的相关技术，有效保证了挠性转子的动平衡精度，提出了适用于某型动力传动轴动平衡的影响因素理论分析方法和动平衡工艺方法。该方法同样适用于后续相同或相似结构的动力传动轴类产品。

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