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6Oct.2010 航空标准化与质量 总第239期 （接上期） 5 基于导管弹性的过约束补偿 基本约束模型是建立在导管无弹性的假设上 的，实际上所有导管均有一定的容许弹性变形量， 在这种情况下，过约束的情况可以在一定程度上得 到缓解，缓解的程度取决于导管自身的弹性，弹性 越好，对缓解过约束的影响越有利，反之亦然。 导管是通过弹性应变沿导管长度的积分来实现 补偿的，导管的长度、长细比和空间弯曲形状均会 影响其补偿性，且只有在过约束方向上的弹性变形 分量才有意义。 一般来说，影响这种补偿能力的参数有两个， 一个是导管的绝对长度，另一个是长细比。绝对长 度越长，在轴向上的补偿能力越强，长细比越大， 在径向上的补偿能力越强。 提高导管弹性补偿能力的方法，一般是通过 增加导管绝对长度的办法实现的，因为导管的最小 直径是由系统的流量要求要求决定的，一般不能改 变，但在增加导管绝对长度的同时，导管的长细比 也会跟着增加。在国外的飞机（如麦道82）上， 曾经采用螺旋管（如图10）的方式实现补偿，依此 推演，还可以通过采用S形管或蛇形管（如图11） 的方式进行补偿，这要看舱内能够提供什么样的补 偿空间。 尽管有这些方法，但对于飞机和发动机设计来 说，能够提供的补偿空间毕竟是极为有限的，而且 对于管径较大的管道，利用导管弹性进行补偿也是 不现实的，因此，采用刚性连接无论如何都是不良 设计，是在缺乏减约束连接技术的情况下的一种无 奈之举。 所以说，解决管系布设应力问题，开发减约束 连接技术才能从根本上解决问题。 6 基于导管弹性的补约束 刚性导管最佳的6约束状态对于弹性导管来 说，在动态载荷的作用下会出现欠约束现象。导管 中间的欠约束，有时还会引发连接端的过约束。 对直导管，欠约束表现在导管的两个径向，对 平面弯曲的导管则表现在垂直于弯曲平面的方向， 而对空间弯曲的导管则要复杂得多。 在这种情况下，就需要对导管进行补充约束。 对减约束连接来说，机动或振动过载对导管 连接端的主要影响是在径向上的剪力或轴向上的拉 力，数值都比较小，危害不大，危害最大的是在导 管中间的最大弯矩处，所以，采用能在适当的方向 上提供适当约束的卡箍和支架就可以有效解决这一 问题。 李俊昇 文 放 刘 涛 （中航工业综合技术研究所，北京 100028） 摘要 论述了管路连接中约束设计的基本模型和基 本方法，指出了现有减约束连接结构的局限性，为国内 管路标准件的开发指出了发展方向。 关键词 管路连接；约束设计；标准件 中图分类号 V288.1 文献标识码 C 文章编号 10036660（2010）05000604 图10 螺旋管图11 S型管和蛇型管 管路连接中的约束设计(下) 收修订稿日期 2010-05-27 航空标准化与质量2010年第5期 工作研究 7 单根导管在布设中的约束设计 7.1 单根直导管 显然，由于导管连接端至少包含一个轴向强约 束，或者两个径向强约束，因此不太长的直导管的 最佳约束设计为一端4约束，另一端2约束；长直导 管需增加中间的径向弱约束（如图12所示）。 在现有的连接结构中，径向两约束的连接形式 是存在的，如柔性连接和插入式连接都是这样的结 构，图12中A端的4约束连接并没有能完全满足图示 7Oct.2010 Aeronautic Standardization & Quality No.239 要求的结构，但 全球面连接、梁 式密封连接、非 嵌入的压板法兰 连接的弱约束均 符合这样结构的 静补偿要求。因 此采用全球面连 接、梁式密封连接、非嵌入的压板法兰连接配以柔 性或插入式连接可以满足静态下的约束要求，动态 情况下，中间的弱约束连接Syc和Szc是十分必要的。 中间约束的种类也是很重要的，它必须能够在 装配时进行工艺补偿以使静态接近无约束，在动态 下又能正确施加所缺少的那些动态约束，同时又不 会在其他方向上出现过约束，所以，这里又引入了 一个新的课题，就是中间支撑的约束设计问题。长 直导管的中间约束设计比较容易，因为这种动态一 般均是径向的，而弯曲导管则不然，还可能存在其 他方向上的约束需求。 对于两连接端处于两条近似平行的轴线上，且 沿这两条轴线方向上的距离远大于轴线间距的小弯 曲度导管，可以按直导管设计（如图13）。 对于一连接端的轴线与另一端轴线相交或异 这一分析是通过将2约束端的约束进行坐标转换获 得的。 如图15，设基准坐标系为xyz，其中x轴通过2个 连接端、y轴在导管中心线所在平面内，设A端和B 端的本地坐标系分别为xyz和xyz，并 令y 和y轴与y轴共面。 此时对两端的约束进行分解后发现： Sx A、Sy A、SyB在x轴上的分量均不为零，Sx A 和Sy A是共点力，可视为一个强约束，此时，x轴上 的不为零且共线的强约束分量数是2，为过约束。 Rx A在y轴上的分量RyA不为零，Sz A、SzB共同 构成约束偶Ry也不为零，因此存在两个同向转动约 束，也是过约束。 可见，在这种情况下，现有的连接结构，在弯 曲导管上使用时一定是过约束。 目前对小管路来说，相对较好的解决办法是双 端采用一强五弱的梁式密封。此时，应严格控制导 管两连接端间的距离公差和角度公差，其他方向上 的公差则不是很重要。 而对大管路来说，由于缺少类似梁式密封的结 构，较好的解决办法可能是双端两约束加中间约束 支撑。 7.3 单根空间弯曲导管 空间弯曲导管的约束可视两连接端轴线方向进 行设计。 如果两连接端的轴线近似相交，则两端连接结构 的选择可按平面弯曲设计，并适当增加中间约束。 如果两连接端的轴线处于相距较远的两个平面 上，情况就比较复杂，需要具体结构具体分析，但 总的原则是不变的，就是导管的总约束接近6个有 效约束，并适当增加中间约束。 8 多零件的约束 多零件互联时，可以把单个零件按前述方法进 行约束计算，再进行简单算术加减的方法进行初步 图13 端部轴线平行小弯曲导管最佳约束 图14 端部轴线接近相交的小弯曲导管最佳约束 图15 弯曲导管的约束状态 图12 单根直导管最佳约束 面，且交点或异面的垂点靠近另一端的小弯曲导 管，可按直导管设计，此时把2约束连接布置在离 轴线交点较近的一端（如图14）可能较好，如果弯 曲较大，则应增加中间约束。 7.2 单根平面弯曲导管 由于目前的柔性连接只能提供径向的2约束， 所以在弯曲导管上，当采用一个4约束加一个2约束 连接时，会出现在某些方向上过约束，而在另外的 方向上欠约束的现象，因而不满足最佳约束条件， 工作研究 航空标准化与质量2010年第5期 8Oct.2010 航空标准化与质量 总第239期 分析，此时，以约束的总和为零件总数的6倍时为 基准约束数，少于6倍时一定存在欠约束，大于6倍 时一定存在过约束。但等于6倍时，并一不定就是 有效约束，因为约束与约束方向和约束点之间的连 线是相关的，约束等于6倍时，也可能恰好是欠约 束和过约束的数量完全相等所致。正由于这种复杂 性，笔者认为在工程上有必要进行设计简化予以解 决，即对零件进行区域约束控制。 由于约束不仅与零件间的连接方式相关，而 且与零件同安装基体（如飞机或发动机的结构）的 安装方式有关，其中零件同安装基体间的约束关系 具有决定性的作用。在进行区域约束控制时，系统 中的一些强零件（如管接头）采取全约束与基体固 定，此时，其他较弱的零件（如导管）的约束设计 就简单了。 在飞机或发动机的管路系统中，多根导管通过 三通、四通或多通接头互联是十分常见的，此时就 可利用管接头作为区域约束控制的节点。 管路连接有直通路连接和多通路连接多种形 式，中间的管接头是一个对约束影响很大的零件。 管接头的刚度、强度、质量都比导管要高得多，当 其悬空布置时，由于质量的关系，本身就构成一个 很严重的动态载荷源，对与之相连的导管危害极 大，所以，在必须采用这样的连接时，以轻型导管 连接（即省略中间接头，采取管端直接的方式）和 各种永久连接方式（如图16）来减轻集中质量是非 常必要的。 而在笔者主张的区域约束控制设计中，是将管 接头直接刚性安装到结构上，使其成为区域节点， 再对与其连接的导管进行约束设计，一方面可以使 约束分析简化，另一方面也可以有效减少动态载荷 的影响，更可利用刚性固定解决扳手口设计强度不 足的问题。 以一个四通路直导管连接为例。 四通管接头一共有4个连接端，即便4端均采 图16 各种减重连接图17 区域约束控制实例图18 刚支四通管接头 用约束数最少的柔性连接方式，其约束总和也等于 8，还是会出现过约束。 现在飞机设计中，习惯的设计方法是四通管接 头悬空，其四端与导管均采用刚性连接，此时在管 接头上的约束数量将达到24，过约束严重，而且由 于管接头的强度和刚度远高于导管，使这些过约束 全部向导管转移，对本来就过约束的导管来说真是 雪上加霜。 当采用笔者推荐的区域约束控制方案时，四通 管接头将被刚性固定在结构上，通过刚性支承隔离 4端间的传力通路，使其各端间不再相互影响而可 以独立进行约束设计。此时4根导管均可采用4+2的 连接方式，如图17所示。在布置连接端时，除前面 已经介绍过的根据导管的形状进行设计外，由于四 通接头需要与多根导管相连，所以将2约束连接安 排在四通接头附近更好。 为了实现区域约束控制的目的，在管接头的设 计中应增加适合进行刚性固定的结构的比重，例如 带安装法兰的管接头，如图18所示。 9 目前减约束连接的局限性 从前面的分析可以看出，现在常见的减约束连 接中，真正能够完全达到减约束目的的只有柔性连 接，其余连接形式或者只能弱化某些约束，或者对 于因过载造成的过约束仍然无能为力。比如球面连 接和梁式密封连接在动态载荷下，其3个弱约束仍 然发挥作用而造成一定程度的过约束。 要想真正实现管路连接的最佳约束状态，在连 接结构设计上还有相当的潜力可以挖掘。 现在的球面连接和梁式密封连接为金属密封结 构，介质、温度适应性和寿命都无问题，需要考虑 的只是如何在此基础上实现动态减约束。 而现有的两约束连接均采用橡胶密封圈密封， 密封圈本身容易产生低温脆性，影响密封性能，又 不耐高温，因此温度适应性很差，在发动机及附近 航空标准化与质量2010年第5期 工作研究 9Oct.2010 Aeronautic Standardization & Quality No.239 区域的使用受到影响，一般也不适合在空气系统中 使用，另外还存在非金属材料的老化问题，无法满 足与机体等寿的要求。 此外，在约束方向上，现有减约束连接结构也 难以完全满足需要，比如2约束连接目前都只是提 供径向2约束，而球面连接和梁式密封连接所能提 供的弱约束方向也不能满足不同空间布设的全部需 要。在空间比较复杂的导管布设中，还需要能提供 其他方向约束的结构，目前还没有能满足这样要求 的设计问世。 虽然采用软管连接可以在一定程度上解决过约 束问题，但软管本身的重量、温度适应性和寿命都 存在严重的问题，而且在动态载荷下仍会造成过约 束，所以并不是解决问题的好选择。 这些就是现有减约束连接的主要不足，如果能 解决这些问题，加上管道布设时的正确选用，将会 大大降低飞机装配的工艺难度，对提高飞机或发动 机流体系统的可靠性与安全性带来深远的影响。 10 导管的工艺控制 由约束分析，可以引伸出另一个问题，就是如 何在生产中控制导管的加工精度更为恰当。 传统的导管布设设计是采用样机现场采样的方 法，并用导管样板进行检验，随着计算机软件技术 的发展以及矢量弯管技术的出现，导管的加工技术 也提高到一个新的水平。但在国内，无论从设计角 度还是从工艺角度，对导管的精度控制都没有抓住 要点。 由前面的分析可以知道，导管的约束主要是由 导管两端的连接结构提供的。 如图19所示，图中的3根导管形状和长度各不 相同，但两端的位置要求是一样的，所以它们的约 束完全相同。 导管内部的安装应力与导管的工艺误差相关， 但由连接结构的约束特点可以知道，真正造成应力 的误差，实际上只有两个，一个是两个连接端的相 对空间位置，另一个是两个连接端轴线的空间角 度。连接端的位置误差所影响的一般是位移约束， 而轴线角度的误差所影响的一般是转动约束。导管 中间的弯曲状态仅与导管的弹性相关，与约束并无 直接关系。 而现在习惯采用的导管控制检验是使用导管 样板目视进行比对，并不能反应两个管端间的相对 位置误差，而且目视检验的精度本身就很差；在遇 到弹性较差的导管时，轻微的位置误差也会产生严 重的安装应力，例如全球面和梁式密封连接可以对 1.5范围内的角度误差实现补偿，而扩口、无扩口 和法兰连接虽然也允许1.5的安装角度误差，采用 的却是导管弹性补偿的方式，这种补偿对于短粗导 管是无效的。因此，必须严格控制导管两端的位置 和角度误差。 为此，在导管进行布设设计时，通过区域约束 控制技术确定一些区域控制节点，并将节点上的连 接位置参数作为相关零件的关键工艺控制要求是第 一步；在此基础上，制造与管端位置控制点对应的 简单的管端位置度检验样板是第二步；在导管按样 板弯曲预装加工完成后，利用检验样板检验并进行 校正是第三步。通常在按导管样板加工后的导管， 其管端的误差已经被限制在一个很小的范围内，所 以利用管端位置度检验样板校正的量不会太大，而 且导管中间在装配时一般也有3 mm以上的安装空 间，这个空间足够容纳因校正所造成的形状误差