航空发动机关键装配技术综述与展望

黄杰

摘要：发动机设备被广泛应用在各种机械工程中，有关部门对发动机装配技术要求十分严格。航空发动机是典型的高复杂度、高精密性、高集成度机械系统，其高性能、高安全性、高寿命需求以及日益增长的批量化生产需求对生产质量和效率提出了很高要求。航空发动机装配技术是解决上述问题的核心技术，相关研究得到国内外科研机构及相关企业越来越多的关注。在总结航空发动机典型装配工艺与技术体系的基础上，详细论述了航空发动机尺寸和质量估算方法及特点、自动化装配工艺装备等主要研究方向，并对未来航空发动机装配精密化、数字化、智能化的发展趋势进行了阐述。

关键词：航空；发动机；装配技术；展望

引言

航空发动机是极为复杂、涉及多学科、集成诸多尖端技术的工程机械系统，其研制水平是国家科技实力、工业基础、综合国力的集中体现。在中国航空发动机集团有限公司（简称中国航发）成立、“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项实施之后，我国航空发动机自主研制能力取得显著进展，但因绝对难度大、启动时间晚而与世界顶尖水平存在较大差距。根据WorldAirForces2021相关数据，在数量上，我国军用飞机不到航空强国的1/4；在构成上，我国战斗机中的二代机占比超过45%，而发达国家基本淘汰了二代机。随着我国经济实力的增强与国际地位的提升，一些国家将中国视为竞争对手，相应的国际形势发生明显变化。国防实力是大国博弈的基础和支撑。我国应尽快突破国产航空发动机关键核心技术，促进航空发动机产业链、供应链的自主可控和科技自立自强，以此增强空域控制权并保障国家安全。

1航空发动机尺寸和质量估算方法及特点分析

航空发动机尺寸和质量估算方法主要有两种：一是利用统计数据拟合的经验公式计算法；二是根据部件简化构型计算发动机部件质量的构型法。用于估算发动机质量的经验公式称为质量模型，是一种自上而下的分析，它基于已有的发动机设计数据，通过回归分析，确定设计参数与质量之间的函数关系。这种方法的优点是速度快、算法简单，但当设计参数明显偏离数据样本时，其估算精度可能会降低。构型法是一种自下向上的分析，通过部件的形状、尺寸和材料等计算部件质量，进而得到发动机整机质量。这种方法的精度较高、适用性广，但计算量大、算法复杂。航空发动机尺寸和质量估算技术由经验公式法向构型法发展，由整机级向部件级细化发展。

2自动化装配线设备构成

发动机装配线是对发动机各零部件顺序装配的流水线工艺过程，每个工位之间是流水线生产。装配线工艺装备主要包括5个类型：①总成和分总成装配线（总装线和分装线）；②移载翻转设备；③自动拧紧设备；④专用装配设备；⑤检测设备。为了更细化总装线的装配内容，又将总装线分为预装线、内装线、外装线。在总装线和分装线上，国内普遍采用柔性输送线输送工件，并在线上配置自动化装配设备，提高效率。柔性输送线主要有摩擦辊道和启停式动力辊道两种。装配线上的自动化设备主要有工业机器人、桁架、机器人专用机械手、自动打号机、各式专用拧紧机、转台、回转力矩检测设备、活塞凸出量检测设备以及其它专用装配设备等，可大大提高装配线的装配能力。

3发动机自动化装配关键技术

随着社会环境的日新月异，更加现代化的社会环境造就了更加先进的技术成果，在日常生活生产当中随处可见智能化、自动化的技术成果表现，为人们的工作生活等创造了更加良好的体验与助力。作为与人民大众生活息息相关的关键性行业，发动机与变速箱在装配过程当中的质量与工作效率等关乎到其最终的使用效果，在逐渐发展的过程当中也需要应用到更加先进的技术成果提高工作质量与效率。具体来讲，在现阶段大多数的工业生产制造当中，广泛应用到的自动化技术设备之一就是基于装配机器人的存在，能够对生产线上的众多设备零件等实施装配，以更加优良的自动化成果保障最终成品质量。而在实际当中，常见应用到的自动化装配机器人则以ＳＣＡＲＡ平面关节型机器人为代表，或是垂直型多关节机器人以及直角坐标机器人等，应用到发动机与变速箱的装配流程当中也能够相应的形成更加良好的质量效果。

而作为一种典型的精密型装配机器人，平面关节型机器人以更加精准且速度更快的装配优势稳居现阶段最受欢迎的自动化装配技术成果地位。而垂直型多关节机器人其自动化装配成果主要是能够借助更加宽泛的自由度，能够在有限的空间中对发动机以及变速箱等以各种任意姿势实施定位装配，灵活度相对较高。而国外的先进科学技术更是创造出了更加先进的自动化机器人成果，双臂机器人的形成，相较于以往应用到的各种单臂机器人，针对于在装配过程当中涉及到的更多的复杂装配动作等，在质量保障下，双臂机器人能够实现更加良好的运作效果。双臂机器人的自动化技术主要是表现在双臂的运动轨迹能够更加协调的进行规划，对于操作力以及力矩控制等都能够实施更加良好的控制效果。经过多年的技术研发之后，明确发现双臂机器人在汽车行业装配环节当中的应用具有较大的可行性，进而不断研究在实际应用当中双臂机器人能够涉及到的环节。双臂机器人在发动机与变速器的自动化装配当中，通过系统设定固定参数，进而实现柔性拧紧的自动化效果，根据计算表明，基本上每一台机器人都能够形成１～４个拧紧轴。能够自动更换筒套或自动伺服变轴距等，能够应用到更多的混线柔性产品当中。同时应用到机器人能够对变速箱以及发动机装配当中涉及到的多个不同的零件实施柔性胶涂抹，并能够同时对多个平面进行涂胶，在完成自动化的涂胶处理之后，同时也能够对零件平面胶头进行清理，并油浸保护，进一步保障装配效果，同时也能够延长其自身的使用寿命。

4展望

测量技术是实现航空发动机状态感知的关键技术，在装配过程的绝大多数环节都有测量工艺要求。但是，航空发动机零部件众多、结构复杂、封闭型腔体多，高复杂度、高封闭性、紧凑的结构特性导致其装配过程间隙、预紧力、涂层状态等几何状态、力学性能、表面完整性工艺参数的测量难度大。现有测量技术主要存在两方面的不足：测量能力与测量数据利用率。测量能力的不足体现在：①对复杂封闭结构的适应性差，难以实现装配状态下的间隙等参数测量；②对精密零部件的形貌、尺寸等测量精度不足，亟需突破大尺寸零部件微米级测量技术；③对航空发动机多状态装配过程的跟踪测量与数据匹配能力不足，导致装配状态的变化规律不清。在测量数据利用率方面，一是人工采集记录的方式导致数据量以及数据的可信度不足，难以全面、准确反映装配状态；二是尚未建立全面的测量数据与工艺参数的映射关系，难以基于测量数据实现装配状态的分析预测与工艺优化。因此，发展数字化、精密化先进测量技术，研发面向航空发动机结构与装配工艺的辅助测量工装，实现测量数据的高效、高准确度采集与利用，对航空发动机装配技术进步具有重要意义。后续可从以下方向开展研究工作：①微米级高精度高效率形貌测量与建模技术；②航空发动机复杂狭小结构内部可达的柔性机器人技术；③装配结合面应力应变间接测量技术；④面向装配现场的螺栓拧紧测量技术等。

结语

随着科学技术的发展，自动化装配技术成为未来发展的主流，对工业产生了深远的影响。作为一名设备技术维修人员，要继续研究学习，不断向新科技、新领域迈进，才能真正驾驭未来自动化设备，确保设备的可靠运行。

参考文献

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