УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ ПОЛОГО ВАЛА, В ЧАСТНОСТИ, АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
MEASURING DEVICE FOR INNER DIMENSIONS OF HOLLOW SHAFT, NAMELY AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается средства, позволяющего производить измерение внутренних размеров полого вала.
В турбинных установках, в частности в авиационных газотурбинных двигателях, валы, связывающие роторы компрессора и турбины, являются основными деталями, которые вращаются с большой скоростью и способны выдерживать значительные нагрузки, при этом они должны оставаться относительно легкими. Процесс их производства заключается в высверливании продольной полости в детали, изготовленной методом ковки, внешняя поверхность которой была предварительно обработана. После осуществления операции высверливания возникает необходимость произвести контрольное измерение внутренних размеров вала, в частности, для того, чтобы внести в случае необходимости соответствующие поправки и обеспечить толщину стенки в пределах допустимых допусков.
Известные заявителю обычные средства проверки размеров высверленной полости требуют значительного времени для выполнения измерений и обеспечивают только частичный контроль, составляющий около десятка точек измерения на 1500 мм длины вала. Известное средство обеспечивает контроль с использованием типового устройства трехмерного измерения. Указанные средства требуют, в частности, выполнения полостей, чтобы обеспечить измерения в зонах, представляющих собой изогнутые или наклонные участки, являющиеся труднодоступными, что делает операцию сложной и продолжительной.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства измерения, способного осуществлять контроль размеров внутри вала после высверливания в нем продольной полости.
Другой задачей является обеспечение возможности операций контроля детали, находящейся еще на обрабатывающем станке, без ее установки на специальном измерительном приборе.
Другой задачей является обеспечение возможности производить измерения быстрее, чем раньше, и в большом количестве точек.
Другой задачей является получение возможности вносить поправки в первоначальную расточку во время чистовой обработки.
Указанные задачи решены путем создания системы измерения внутреннего размера цилиндрической полости вдоль длины, например, полого вала газотурбинного двигателя, характеризующейся тем, что она содержит измерительный блок, установленный с возможностью съема на подвижном кронштейне, перемещающемся внутри полости вдоль оси, при этом блок содержит узел измерения размера, формирующий сигналы, соответствующие измеренной величине, и средство записи и хранения указанных данных.
Предпочтительно, блок содержит измерительный узел типа механического щупа, перемещающегося между отведенным положением и положением деформации щупа на внутренней поверхности полости. Такая конструкция позволяет обеспечить точную установку блока внутри полости, не опасаясь при этом повредить измерительный узел.
Согласно другому отличительному признаку, узел устанавливается при помощи средств управления, причем источник питания встроен в измерительный блок.
Кроме того, после высверливания полости в металлической цилиндрической заготовке подвижный кронштейн является осью, образующей опору режущей головки обрабатывающего станка.
В соответствии с другим отличительным признаком, обрабатывающий станок снабжен пультом автоматического управления, при этом этот пульт содержит средство управления положением оси соосно и/или под углом, а также средство управления измерительным узлом. Предпочтительно, передача сигналов управления с пульта управления в измерительный блок осуществляется по беспроводной связи, например при помощи инфракрасных лучей.
Согласно другому отличительному признаку, устройство содержит средство считывания записанных в блоке данных.
Другие признаки поясняются приведенным ниже описанием варианта осуществления изобретения, который не носит ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает измерительный блок (продольный разрез) согласно предлагаемому изобретению, установленный внутри пустотелой части вала турбины в первом положении;
фиг.2 - блок внутри вала турбины (продольный разрез) в ее удаленной части согласно изобретению;
фиг.3 - часть измерительного блока с устройством измерения, где использован метод проверки поверхности щупом, согласно изобретению;
фиг.4 - блок-схема процесса управления измерительной системой, согласно изобретению.
В описываемом варианте деталью, в которой необходимо произвести контрольное измерение внутреннего размера, является вал турбины. Вал 1 изготовлен путем ковки металлического бруса и придания ему заданной внешней формы. Затем производится обработка внешней стороны детали. После этого она устанавливается на подставке 2 и обрабатывается методом высверливания от ближнего конца 11 до противоположного конца 14 вала, который называется удаленным. Обрабатывающий станок 3 содержит ось 31, вращающуюся вокруг своей оси вращения и перемещающуюся вдоль оси ХХ посредством привода 32, снабженного соответствующими средствами приведения в движение. Эти конструктивные элементы показаны на фиг.4.
Для высверливания вала 1 на удаленном конце оси 31 имеется соответствующий режущий инструмент. После завершения высверливания он извлекается.
На фиг.1 и 2 показан вид вала в разрезе. Диаметр центральной полости между двумя концами 11 и 14 не одинаков. Диаметр имеет постоянный размер на первом входном участке 11; на втором участке 12 он последовательно увеличивается, образуя внутреннее пространство, имеющее форму усеченного конуса; затем на третьем, самом длинном, участке 13 сохраняет постоянную величину; на четвертом участке 14 он уменьшается и приобретает более сложную форму.
Внешняя сторона вала имеет по существу форму цилиндра, а на участке 15, перед входом 11, - форму фланца. Фланец предназначен для соединения вала с ротором турбины (не показан).
Система согласно предлагаемому изобретению была разработана для контроля поверхности внутренней полости, в основном на труднодоступных втором 12 и третьем 13 участках.
Система согласно предлагаемому изобретению содержит измерительный блок 40, имеющий трубчатую форму частей 41 и 42. Диаметр удаленной части 41 несколько меньше диаметра ближней части 42. Понятие «ближний» обозначает часть, расположенную ближе к устройству 32 приведения в движение, а определение «удаленный» обозначает часть, расположенную дальше от устройства 32 приведения в движение.
Диаметр трубчатой части 41 обеспечивает ее прохождение через отверстие участка 14 вала. Диаметр части 42 обеспечивает ввод блока 40 на участке 11 вала. В данном случае он больше диаметра отверстия участка 14. После размещения блока внутри вала ось блока 40 будет совпадать с осью XX вала. Средство 421 крепления предназначено для установки блока 40 на оси 31 двигателя 3 с возможностью его замены. Указанное средство размещается на оси 31 таким же образом, как и режущий инструмент, который будет заменен блоком.
Между участками 41 и 42 блок содержит измерительный узел 43, использующий метод проверки поверхности щупом, который имеет форму рычага в виде треугольника, шарнирно установленного на оси, расположенной перпендикулярно оси XX. Отвод 431 треугольника на своем свободном конце снабжен шариком щупа. Другой отвод 432 соединен с электрическим натяжным домкратом 44, который встречно взаимодействует с натяжной пружиной 45. Для приведения измерительного узла 43 для контроля поверхности щупом в исходное (отведенное) состояние домкрат работает на натяжение, противодействуя силе пружины 45. После ослабления усилий пружина вытягивает отвод 432 и заставляет выйти отвод 431, снабженный шариком щупа, за пределы пустотелого кожуха блока 40.
Рейка 46 также механически соединена с отводом 432. Она предназначена для точного измерения перемещения измерительного узла 43. Для этого она электрически подсоединена к средству 461 записи и хранения данных. В качестве примера можно привести рейку, производимую фирмой Heidenhain.
Полая часть 41 содержит электрический аккумулятор 47, предназначенный для обеспечения электропитанием домкрата 44, когда он приводится в действие. На его свободном конце установлено промежуточное устройство 48 приема сигналов инфракрасного излучения, предназначенное для преобразования сигналов инфракрасного излучения соответственно в электрические сигналы управления домкратом и записи определяемых рейкой 46 величин.
Блок содержит средство 49 электрического подсоединения к соответствующему внешнему устройству, при помощи которого можно осуществлять подзарядку аккумулятора 47, а также передавать содержащуюся в средствах 461 хранения данных информацию на внешние устройства считывания.
На фиг.4 изображена схема управления системой, согласно которой пульт 100 управления обрабатывающего станка соединен с двигательной установкой вала 31 для его установки как по оси, так и под заданным углом к оси ХХ. Пульт 100 управления соединен также с устройством 110 управления инфракрасными лучами, которое расположено на оси ХХ напротив промежуточного устройства 48.
Система также содержит кронштейн 120 для измерительного блока 40, устанавливаемый рядом с контрольно-обрабатывающим устройством, на котором можно разместить и соединить средство 49 коммутации с соответствующим средством 122 коммутации на кронштейне 120 и обеспечить подзарядку аккумулятора 47 и считывание имеющейся в средстве 461 хранения данных информации.
Кронштейн 120 соединен со средством вычислительной техники, например персональным компьютером 130, в котором установлена программа обработки данных.
В зависимости от результатов анализа величин представляется возможным осуществить передачу команды на обработку на пульт 100 управления, чтобы внести необходимые поправки в процесс обработки. Такие корректирующие действия считаются возможными, поскольку вал находится на обрабатывающем станке. Это является преимуществом системы.
Порядок функционирования системы следующий.
После завершения полного высверливания вала 1 из него извлекается режущая головка, а затем выполняется демонтаж сверлильного инструмента. Обработанный таким образом вал 1 турбины остается на кронштейне 2 для контроля и измерения внутренних размеров согласно изобретению. Проводится замена инструмента на измерительный блок 40 согласно настоящему изобретению.
Устройство содержит станину 10, образующую подставку для обрабатываемой детали 1. Деталь 1 удерживается на конце кольцом 2, в которое она вводится и при помощи которого точно размещается в пространстве. Деталь удерживается вдоль длины.
Измерительный блок 40 установлен на валу 31 режущей головки вместо режущего инструмента. На краю станины, противоположном средству приведения в движение режущей головки, и на продолжении оси ХХ размещена система управления инфракрасными лучами 110 конструктивных элементов измерительной головки.
Таким образом, в измерительный блок 40 команды поступают с пульта 100 управления.
Когда блок располагается на режущей головке, аппарат приводится в движение посредством прибора дистанционного управления. Управление всеми процессами осуществляется с пульта 100 управления. Суть первого этапа состоит в эталонировании аппарата по оси абсцисс Х, т.е. вдоль оси ХХ, и оси ординат Z, перпендикулярной оси ХХ.
Пульт 100 управляет работой устройства 32 приведения в движение и устанавливает блок 40 на самом удаленном по глубине конце (фиг.2).
Используя управление инфракрасными лучами и промежуточное устройство 48 приема сигналов, измерительное устройство 43 отводится. В результате этой операции происходит отключение электропитания домкрата, пружина натяжения 45 отклоняет (поворачивает) отвод 431. Он начинает упираться шариком на внутреннюю стенку вала. Такому положению устройства 43 на рейке 46 соответствует величина по оси Z. При этом положение по оси Х известно.
Программой запускается последовательность действий по управлению перемещением блока 40 в направлении ближнего конца 11 согласно определенным точкам, которые следуют друг за другом на расстоянии по оси, равном, например, 0,1 мм, и с различным угловым положением, например четырьмя угловыми положениями (0°, 90°, 180°, 270°). В этих строго определенных точках при помощи рейки 46 производится измерение величины Z. По завершении этих действий из вала извлекается блок 40, который затем устанавливается на кронштейне 120 для считывания всех данных, измеренных по оси Z, содержащихся в памяти 461. Эти данные передаются в компьютер 130, где проводится их анализ. Основываясь на полученной информации, оператор может предпринять соответствующие действия, например подать команды с пульта 100 управления, оснащенного средствами цифрового программного управления, по управлению процессом обработки поверхности и корректировки толщины оболочки.
Другими словами, для функционирования системы требуется специальное программное обеспечение, позволяющее управлять и использовать записанные в блоке 40 данные. Блок 40 управляется программой, которая посредством инфракрасного излучения получает команды с пульта 100, при этом с пульта 100 осуществляется управление процессом синхронизации часовых карт между осью 31 и измерительной головкой 40.
Обработка данных осуществляется не на обрабатывающем станке, а на персональном компьютере 130, который сопоставляет величины, полученные в результате произведенных блоком 40 измерений, с теоретическими расчетами. Такое сравнение дает картографическое представление измеренных параметров 131 с указанием величин сторон, выходящих за пределы установленных допусков. Такое измерение служит также основой 132 для балансировки детали при ее чистовой обработке, в основном для обработки внешней поверхности, которая должна быть концентричной относительно блока 40.