带键锁紧型螺纹衬套的设计与应用.doc

上海交通大学硕士学位论文带键锁紧型螺纹衬套的设计与应用姓名:黄南申请学位级别:硕士专业:动力工程指导教师:顾力强;熊焰20080501上海交通大学工程硕士学位论文摘要 带键锁紧型螺纹衬套的设计与应用摘 要螺纹衬套是为保护有色金属螺纹孔而发展起来的螺纹紧固连接件,在航空发动机上得到广泛应用。 本文根据某型发动机研制的实际需求,设计了一种新型带键锁紧型螺纹衬套,通过结构设计分析、力学性能参数的计算、成型工艺的研究,论证了该螺套的连接可靠性、通用性及实用价值。并用大量试验进一步优化了设计尺寸、力学性能参数,试制出了合格的产品,经发动机台架试验多次拆装无松动,满足发动机设计要求。 螺套内螺纹能用机械方法收口变形形成自锁功能是该产品的一个重要特征,但自锁力矩稳定性差,造成产品废品率高、研制周期长。本文通过试验与设计参数的对比,分析了螺套收口形式、收口尺寸、原材料性能、热处理硬度等诸多影响自锁性能的因素,找到了各因素之间的协调关系,为自锁收口区的设计参数优化提供了依据。 带键锁紧型螺纹衬套可根据安装部位的不同工况,选择不同的材料和结构尺寸,形成不同规格的尺寸系列,具有通用性,可编制成标准,推广使用,具有广阔的应用前景和实用价值。关键词:紧固件,螺纹衬套,锁键,设计与应用I 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACTDESIGN AND APPLICATION OF INSERT,SCREW THREAD ? LOCKED IN,KEYLOCKED ABSTRACT Insert with screw thread, which are fastening connecting elements to protect internal thread holes of nonferrous metal, have been widely used in aero engineAccording to actual requirements of aero engine development, a new type of Insert, screw thread ? locked in, keylocked, is designed. Through performing structural design analysis, calculation for mechanical performance parameters and research on forming technology, connection reliability, universality and application values are approvedDesign dimensions and mechanical performance parameters are further optimized through a large number of tests and qualified products are manufactured. After bench tests there is no looseness through many times of disassembling and assembling, so the design requirements for the aero engine are satisfied Internal threads can be self-locked by mechanical contracting deformation, but the stability of self-locking moments is not good, so the rate of the wasters is high and development period is long. In this paper by contrasting test with design parameters, many factors affecting the self-locking performance, including healing form of bushes, contracting dimensions ,material characteristics ,heat treatment hardness are analyzed, II 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT correlation between all factors is found out, which provides the basis for design parameters optimization for self-locking healing areaInsert, screw thread ? locked in, keylocked, can apply to different material and structural dimensions according to different mounting dimensions. Different series of dimensions can be formed and its standards can be drawn out and widely used, which has broad application foreground and utility valuesKEY WORDS: fasteners;Insert with screw thread;locking keys;design and applicationIII 上海交通大学 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:黄南 日期:2008 年 5 月 15 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打“”)学位论文作者签名:黄南指导教师签名:顾力强日期:2008 年 5 月 15 日 日期:2008 年 5 月 15 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 选题背景及研究意义 螺纹连接件是紧固件中最重要的类型, 具有预紧、联接、紧固、密封等功能,可拆卸,易维修,通过标准化可实现大批量专业化集中生产,在机械制造、航空航01天、工程建筑、家用电器等各种机械和结构中被广泛采用 。 在航空发动机的设计过程中,由于结构、使用和维修等原因,要求提供更多的高可靠性紧固件能适应被连接件的结构、材料特性以及复杂的受力要求。航空发动01-02机工作环境特殊,螺纹连接的可靠性变得尤为重要 。例如,某航空发动机的主机匣上设计有方便发动机进行地面台架试车的运输安装节,需要与包装箱或试车台架稳固连接。主机匣毛坯结构复杂,采用铝合金材料精密铸造,加工周期长,成本较高。若直接往机匣内螺纹孔内拧入钢制螺钉,由于拧紧过程中钢螺钉的螺纹和铝基体螺纹直接接触,在轴向力的作用下相对运动,很容易将铝制螺纹擦伤压损,导致连接失效,发动机无法正常工作。如果在机匣螺孔中嵌入一个钢制螺纹衬套,使螺钉不与机体螺纹接触,而与硬度高、表面质量好的螺套相摩檫,就能保护机体螺孔不受损伤。 螺纹衬套正是为保护这类有色金属螺纹孔而发展起来的螺纹紧固连接件,已在航空发动机上得到广泛应用。但随着航空科技的不断发展,航空发动机性能不断提高,现行使用的整体式过盈螺纹衬套和钢丝螺套均存在一定安全隐患,不能满足发动机日趋苛刻的工作条件。如何设计一种既能提高连接可靠性,又轻巧实用的螺纹衬套是本论文要研究的问题。 紧固件虽小,但它就安全来说,却是至关重要的。因小小的紧固件使用不当而造成的各种损失经常发生,轻者增加维修时间、影响生产效率,重者还会发生重大设备人身事故。另一方面,紧固件数量繁多,约占整台发动机零件数的 50%,甚至更多。因此,设计新型紧固件时,在满足强度要求的前提下还应尽可能地轻,才能适应发动机不断提高的功重比,确保飞机安全、高效飞行。一台发动机的紧固件设03-04计对提高发动机的寿命、降低成本、减轻重量、缩短整机研制时间关系重大 。 紧固件产业是一项基础性产业,从一个侧面代表了一个国家的工业水平。我国虽然已经成为紧固件生产大国,但低附加值产品比例较大,防松紧固件技术和产品起步晚,起点低,在新型紧固件方面的设计水平和工艺水平较为落后,与欧美等国第 1 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论家相比还有较大差距。早在七、八十年代,欧美等先进科技大国都纷纷投入资金,开发各种性能优异的紧固件,特别是航空航天用的高科技、高附加值紧固件。如美国Fairchild公司于80年代就己经研制成功多种类型的带键锁紧型螺纹衬套,包括05重型系列和轻型系列等等,每种类型的螺套都形成了较完整的尺寸规格系列 。而在我国,这项研究才刚刚开始。几年前,航天11所虽已尝试采用这种新型螺纹衬套,但一直装用进口件,至今未实现国产化。 基于某发动机型号研制的要求,本论文拟对这种带键锁紧型螺纹衬套进行结构设计和工程应用研究,研制出国产件,各项性能指标达到美军标相关标准的要求,满足发动机装机试制的需要。有效避免欧美国家对我国的技术封锁,减少对产品进口的依赖,有利于促进国产紧固件的系列化发展。1.2 国内外研究现状及存在的问题 1.2.1 整体式过盈螺纹衬套的应用 整体式过盈螺纹衬套是最常见的一种保护衬套,主要靠螺套的外螺纹与机匣螺孔间的过盈量来保证连接,基本结构见图1。其内螺纹要求符合普通螺纹国家标准系列,外螺纹则按过盈螺纹设计。整体螺纹衬套一般采用结构钢加工,本身强度高、耐磨性好,对机体的螺纹具有保护作用,在我国及俄罗斯等国家应用较广。图 1 整体式过盈螺纹衬套基本结构简图 Fig.1 Structural diagram of the entirety insert with screw excess thread第 2 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论整体式过盈螺纹衬套结构简单,但它与外螺纹的连接不具有自锁性能,防松可靠性较差。从加工和装配的情况看,整体螺纹衬套的连接方式也存在许多不利:加工过盈螺纹需分组选配,在安装和分解过程中常发生因过盈量过大而损坏机匣体内螺纹的情况;如减小螺套与机匣螺孔间的过盈又不能保证连接的可靠性。因此,整体式过盈螺纹衬套的应用受到不少限制。1.2.2 钢丝螺套的应用 钢丝螺套是近年来航空发动机上应用较为广泛的螺纹连接件之一,八十年代初作为新型紧固连接件从法国引进,现在我国已自行研制成功并形成了标准系列。 钢丝螺套用高强度、高精度、高表面光洁度和耐腐蚀的菱形截面钢丝绕制而成,截面对角为 60,主要由钢丝螺套体、引导、安装柄三个部分组成。如需安装端面06超过钢丝螺套的较长螺钉,则需在安装柄上加工折断槽 。 图2所示为带折断槽的锁紧型钢丝螺套简图。 Notch to be on edge of first coilLocking sideof insert图2 锁紧型钢丝螺套简图 Fig.2 Insert , Screw thread, Screw locking melical coil钢丝螺套在自由状态下的外径较安装后的直径大些,安装时施加于尾段的力矩使钢丝螺套直径缩小而旋入安装基体的螺纹孔内。当转矩或旋转停止后,钢丝螺套就如同弹簧作用一样伸展固定于基体内螺孔中。同时,它能够按使用需要绕制一圈第 3 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论或多圈多边形锁紧圈,当螺钉进入多边形锁紧圈时,弦边向外弯曲而使螺栓受到压力,此压力作用在螺栓螺纹型面间,增大了防松的静摩擦力,从而起到对相配外螺纹连接件的锁紧防松目的。 同上述整体型螺纹衬套相比,它具有体积小、结构紧凑、重量轻等优点。但钢丝螺套安装时需要用专用工装,安装柄的去除较困难。且其在材料、规格品种、表面处理等方面存在着很多的局限性和不足,使应用受到了很大的影响。 另外,但由于钢丝螺套仅依靠其自身弹性张力固定在机体螺纹孔内,无其他锁紧措施,螺套在基体螺纹孔内的弹性张力小于螺钉拧入、拧出力矩,常常导致螺套连同螺钉一起转动,螺套从机体螺纹孔内被拧脱出来,容易造成机体螺纹孔的损坏,使螺纹连接的可靠性降低或失效,产品的质量和安全也因此受到影响。1.2.3 带键锁紧型螺纹衬套的研制 随着发动机功重比水平的不断提高,紧固件的连接方式也在不断完善和改进。一种由欧美国家研制开发的新型带键锁紧型螺纹衬套首次在我所研制的发动机上使用。如何研制出各项性能指标达到美军标相关标准要求的国产件,满足发动机装机试制的需要,是本课题力求实现的目标。 带键锁紧型螺纹衬套由螺套基体及嵌装在基体键槽中的2个或者4个锁键组成,选用优质不锈钢或高温合金材料制造,具有连接强度高,寿命长,可靠性高,使用方便的特点,克服了上述两种螺套所存在的缺陷和不足,既可用于航空发动机有色金属机体的保护和连接,也可用于钢机体和复合材料的连接。 该螺套旋入规定的螺孔后,可形成高强度、高耐磨的标准内外螺纹,提高螺纹孔的连接强度和耐磨性,对基体材料起保护作用,增强螺纹连接的承载能力和疲劳强度。螺套内螺纹的自锁功能能锁住相配外螺纹零件,不需另加锁片等锁紧装置。其规格、形式和加工性比钢丝螺套灵活,材料的选择受加工方式的影响小,可根据发动机使用部位的工作情况灵活选用,因此,带键锁紧螺套的应用范围更为广阔。 发动机设计中如大量使用这种新型紧固件能提高连接可靠性,优化结构设计,减轻结构重量。第 4 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论1.3 本论文研究的主要内容 1.3.1 研究目标 1.研制出国产的带键锁紧型螺纹衬套,各项性能指标达到或超过美军标相关标准的要求,解决型号急需; 目前我国紧固件的设计和生产技术水平及标准化的发展水平与国外先进技术和标准相比,各方面有着明显的差距。所以,积极采用国际标准和国外先进标准是我们国家的一项基本政策。国际标准和国外先进标准是各种先进、复杂技术的汇集和综合,能够提供大量技术信息和经验。采用和推广这些标准,并不断转化为我们自07己的标准和产品,便可以与世界新的技术保持同步 。 2.编制相关的技术标准,推广应用到其它型号;使本项目所研制的带键锁紧型螺纹衬套推广应用的最有效途径是编制相应标准,为设计人员的选用提供依据,为专业化生产提供技术支持,满足我所型号研制的迫切需要。 3.寻求研制思路,为以后研制其它类型的高可靠性紧固件奠定基础。1.3.2 研究内容本课题的主要研究内容包括以下方面: 1.螺套基体及锁键的选材 紧固件虽然尺寸简单,但冶金质量、疲劳性能不容忽视。因此,合理选材是08提高其疲劳强度的主要措施之一,是紧固件设计的关键所在 。2.螺套基体及锁键的结构设计结构设计是本论文研究的主要内容,利用Unigraphics 绘图软件进行三维实体建模和ANSYS有限元软件进行分析,确定螺套基体和锁键的结构、尺寸、机械性能要求、热处理和表面处理要求。 3.螺套力学性能技术参数的计算 力学性能技术参数是螺套性能考核试验的依据,因此,如何正确计算力学性能技术参数是本课题的关键。 4.确定试验项目、试验方法、试验规范 第 5 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 为评定带键锁紧型螺纹衬套的各项机械性能,确定了相应的性能考核试验项目、试验方法、试验规范。 5.螺套基体及锁键的成型工艺研究螺套体壁薄,内、外螺纹精度及同轴度要求高;锁键键槽太小,各尺寸精度不易保证;锁键强度要求高,切削加工方法无法达到设计指标。因此,螺套体及锁键的成型工艺也是本课题研究的关键之一。 6.螺套的自锁性能及影响锁紧性能的因素研究螺套内螺纹能用机械方法收口变形形成自锁功能是该产品的一个重要特征,可简化结构、减轻部件重量。自锁性能的稳定是产品满足发动机设计要求的保证。 影响自锁性能的因素很多。螺套收口部位的收口方式、收口尺寸、螺套的材料、材料热处理硬度、螺纹表面质量、螺套润滑方式等都会对自锁性能产生不同的影响,这些都是本论文要探讨的内容。第 6 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论第二章 螺纹连接的基本防松理论2.1 引言当螺纹紧固件处于恶劣环境中,承受冲击振动或交变载荷时,其联接只在少数情况下是可靠的,大多数情况下由于载荷和振动等外界原因,往往会出现松动,造成严重后果。因此,螺纹紧固件的防松问题得到人们广泛的重视,成为人们致力研究的一个课题。本章对造成螺纹松动的原理进行理论分析,并列举了一些国内外学者研究的防松措施。2.2 普通螺母松退力距当拧紧螺纹紧固件时,向紧固件输入能量,撤去拧紧力矩后,由于螺旋副的自锁作用和螺母、螺栓头与被联接件支撑面接触表面上的摩擦力,这个能量大部分被09-10存储在紧固件中,使螺栓承受拉力,被联接件承受压力,这就是预紧力 。 在螺纹联接中,当拧紧螺纹紧固件时施加一个预紧力F,由于螺旋副的自锁作用产生自锁摩擦力矩Tt和紧固件支承面摩擦力矩Tw ,所以对于普通的三角形螺纹联接,施加在螺母上的拧紧力矩T 等于预紧力产生自锁摩擦力矩Tt和紧固件支承面摩擦力矩Tw之和,即: 2.1T Tt+Tw 2.2Tt Fdptan(+ ) 2.3Tw Fd ? /2 w w将式 tan(+ ) tan +tan / 1-tan tan 展开,略去微小量,取tan ?s/cos 1.15?s 代入,得: 2.4T Fdp 1.155?s + tan +? d /2 1 w w与之对应的要转动有预紧力 F 的螺纹连接,其松动力矩 T : 22.5T Fdp 1.155?- tan +? d /2 2 w w式中:T: 螺纹副中摩擦力矩N.mm; t T : 紧固件支撑面摩擦力矩N.mm; w第 7 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论F: 螺栓中的预紧力N; dp: 螺纹的有效直径(计算时采用标准尺寸dmm; 2d : 螺纹支撑面的等效直径,一般地取d 1.3d,其中d为螺纹公称直径mm; w w? : 螺母支撑面与被联接件之间的摩擦系数; w?s: 螺纹副间的摩擦系数; : 螺纹升角 ,一般的,tan P/(d ,其中P为螺纹导程; 2 : 螺纹副的当量摩擦角; 对于公称直径为 8,10,12和16的螺纹,取d/d的平均值,在粗牙螺纹时为20.906,在细牙螺纹时为0.928,取其平均值d 0.92d。而 tan的平均值在粗牙螺2 纹时为0.050,在细牙时为0.038,取其平均值tan0.044 w 2.5。 G.J unker通过实验给出了?和? 的数据,因其拧紧力矩是以预紧力的平均值为w准计算的,所以这里取其平均值 0.15。 w综上所述 ,对于一般螺纹联接而言,可取 : d 0.92d,tan 0.044, dw 1.3d,代人2.4 和2.5 中,可得: 2 2.6T F 0.92d 1.155 0 .15 + 0.044 + 0.15 1 .3d /2 0.198Fd 12.7T F 0.92d 1.155 0.15 - 0.044 + 0.15 1.3d /2 0.157Fd 2松动力矩与拧紧力矩之比为: 2.8T / T 0.157 Fd / 0.198Fd 0 .8 2 1即螺母松退力距约为拧紧力矩的80%。 理论上,在静止状态下承受静载荷的螺栓联接,没有施加这么大的松退力距,螺母是不会松动的。该理论为紧固件防松的设计提供了主要参数依据。2.3 螺纹松动原因 螺纹联接较其他联接的优点之一是可拆卸、易维修,但同时这也是它的弱点。当螺纹联接受冲击振动或交变载荷作用时,螺纹副之间和支撑面之间的摩擦力可能瞬时消失,或在经过一段时间后会使联接松动甚至松脱,从而导致机器不能正常工作甚至发生严重事故。在高温或温度变化较大的情况下,由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛,也会使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小,导致联接松动。随着机械向高速、精密化发展,工业规模向大规模、自动化发展以及航空航天技术的发展等,螺纹紧固件联接的防松问题变得越来越突出。为保证联接安全第 8 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论可靠,必须采取有效的防松措施,避免螺母松动。 对某一具体的螺纹联接而言,引起螺纹联接松动的原因很多,但归纳起来主要有以下三方面原因: 1 螺纹联接的初始变形,即初始塑性变形理论,螺纹联接的松动是从初始变形开始的。初始变形首先表现在接触面的塑性环状压陷,当被联接件与螺栓头或螺母支承面的接触压强超过材料所能承受的压强时就会出现,在使用过程中,由于这种塑性变形继续发生,螺栓的拉伸应力减小,预紧力逐渐下降。其次,由于螺栓联接体的接触部分螺纹面、支承面和被联接件相互接触面的表面粗糙度、形状误差等产生的局部塑性变形。以上两种初始变形促使螺纹联接发生初始松动。这种松动虽然很微小,但它往往使螺纹副或支承面产生严重滑动和紧固力严重损失的开始阶段,所以对其松动的影响仍是不可忽视的。 2 轴向载荷作用,即径向滑动松动理论。当联接体受轴向载荷时,螺栓受轴向力拉伸,螺纹牙斜面上受到径向分力的作用,此时螺母会产生弹性径向扩张;由于泊松比关系,螺栓要弹性径向收缩。因此,在螺纹副及载荷支承面间必然会产生微小的径向滑动。在载荷反复作用下,这种相对滑动逐渐积累增大,至使螺母松动回转。当轴向受到更大的冲击振动载荷时,在接触螺纹面荷载和支承面产生更大的相对滑动,使螺旋副之间相应的摩擦力也大大地减少,从而破坏螺纹联接的自锁条件,使螺母自动回转。 3 受横向载荷作用,即扭转初始位移松动理论。当螺栓受到垂直于轴线的横向载荷作用时,在横向力R的反复作用下,使螺栓发生弹性扭转变形。随着时间的进程,逐渐积累起扭转初始位移,逼使螺纹副产生一个螺旋导程的下滑分量,逐渐使螺母发生松动。与此同时,相应在螺栓体中产生一个反作用力矩,以抵抗螺栓的弹性扭转和偏斜变形。 正是以上三个原因相互作用,消除了螺纹副中的摩擦力,引起螺母的松动。其11-13中起主要作用的是横向载荷的作用 。 螺栓联接在受横向振动时,并非立即丧失全部预紧力。起初,只损失少量预紧力,而且,多半是因松弛而导致预紧力下降,并不是螺母回转造成的。随着振动次数的增加,损失的预紧力缓慢的增多,即剩余预紧力越来越小。当损失了相当的预紧力后,摩擦力降至某一临界值。这是,螺母上推力产生的松退力距超过了螺旋副中的摩擦力矩,螺母开始反转,预紧力急剧下降。初始预紧力愈大,使摩擦力减至临界值而导致螺母松动所需的振动次数愈多,所需的振动强度愈大(见图3 )。实第 9 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论际上,在有些场合,只要初始预紧力足够大,螺母决不会松动。因此预紧力的大小也是螺母发生松退的一个影响因素。图3 螺母松退过程 Fig.3 Withdrawal process of nut 2.4 螺纹防松措施 螺纹联接防松的实质,在于防止工作时螺栓与螺母的相对转动。根据防松原理,国内外科学工作者提出了许多具体的防松措施,主要可分为三种:第一是防止摩擦力减小到临界值之下;第二是直接锁住和破坏螺纹运动副关系,防止螺栓螺母相对14转动;第三是阻尼振动,防止过强的振动作用于螺栓联接 。 1.摩擦防松原理是在螺旋副中产生附加压力,保持螺旋副和被联接件接触表面间的摩擦力,防止摩擦力下降至造成松脱的临界值之下;或提供一个有效力矩来抵消拆卸力矩螺母松脱力矩的作用;从而始终有摩擦力矩存在,防止螺母相对螺栓转动,在机械设备中利用摩擦防松原理所设计的防松装置主要有: 双螺母、弹簧垫圈、开槽螺母、锁紧螺母、紧定螺钉固定和不完整螺尾等。 一般而言,摩擦防松具有结构简单、操作方便的特点,但防松的可靠性较差,对于振动、冲击和动载较大的工况,同样会产生不同程度的螺母松动现象,同时摩擦防松对于防止螺纹联接的初期松脱非常有效,但当螺纹联接已经松脱到一定程度后,该类防松方法就不再起作用。 2.防止螺旋副相对转动方法防松,主要是采用机械的方法,利用一些简易的金第 10 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论属止动件,或者改变运动副性质,把螺旋副变成非运动副,从而减少甚至排除螺母15相对螺栓转动,达到防松的目的 。 常用的方法有开口销与开槽螺母、串联保险丝、止动垫圈、冲点、铆接、钎焊、粘接等方法。前三种方法可靠性较高,适用于高速、冲击、振动及机械内部不易检查的的场合,但也存在安装时止动元件不易找正的弊病,而且不能防止初期松脱,只能在一定程度上防止螺纹连接的继续松脱;后四种方法防松可靠,但由于破坏了螺旋副关系,装拆不方便,而且不能重复使用。因此,不能用于经常拆装的场合。 3.阻尼防松方法,主要是利用机械的方法防止被联接件的相对滑移;或减少螺旋副之间的径向间隙,防止螺栓和螺母之间产生不同频率的振动,达到防松的目的。为了防止被联接件的相对滑移,可以在被联接件结构上采取措施,使相对滑移减至16最少如图4所示;或者在被联接件上加销、键也可以起到防松作用 。 图4 防止被联接件的相对滑移结构 Fig.4 The structure of prevent connected relative slip2.5 新型螺纹防松方法的研究 17近年来 ,国内外研究了一些新型螺纹连接防松方法 。例如,铁基形状记忆合金螺母、ST2自锁防松螺母和凹凸型防松螺母,是通过增大自锁摩擦力矩防松和阻尼防松两种方式来实现。 铁基形状记忆合金螺母利用铁基形状记忆合金的形状记忆效应,其原理是将螺母的内螺纹加工成略小于螺栓外螺纹的尺寸,然后扩孔变形至标准内螺纹的尺寸,因为在此过程中应力诱发马氏体相变,所以按规定力矩拧紧后,对螺母加热,应力诱发马氏体发生逆相变,但因受到螺栓的约束作用,螺母会产生巨大径向恢复力,第 11 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论该恢复力转化为自锁摩擦力矩,能有效增大螺旋副之间的锁紧力矩,从而防止螺旋副出现相对转动,达到防松目的。此外,因为螺母的径向形状恢复,减小螺纹牙之间的间隙,有效防止螺栓螺母受到动载荷作用时产生不同频率的作用,避免螺旋副之间自锁摩擦力急剧下降。ST2自锁防松螺母是对螺母的螺纹结构进行改进,螺母的底径有一30锥面,而螺栓螺纹的形状仍保持标准的三角形。当螺母和螺栓配合在一起时,由于预紧力的作用,螺栓的牙底和螺母的牙顶有直线接触或微量变形,在横向动载荷作用下,由于螺栓和螺母之间存在较大摩擦力,从而提供较大的摩擦力矩作用,产生较小的相对作用,达到防松的目的。但是该螺纹通过性能鉴定,预紧力仅提高8.7%,使得其应用受到限制。 凹凸型防松螺母是通过增大阻尼防松方式来实现,其防松原理是利用下螺母的凹锥相对于螺栓中心的偏心距产生径向锁紧力,利用凸凹锥面之间锲紧作用,达到防松目的。但该结构较复杂,加工工艺要求高,故难以推广。华北电力大学利用机械防松原理研制了一种加键防松螺母如图5所示,这种螺06母是在螺栓螺母拧紧后,在螺栓螺母之间加键,通过破坏螺纹副达到防松的目的 。图5 加键防松螺母结构示意图 Fig.5 Structural schematic diagram of the anti-loose nut with keys山东建筑工程学院研制的新型防松结构及原理 如图6所示。其特点是在螺栓端部联接一个锁紧零件4,该零件加工有内外螺纹,并带有方便拧紧的扁尾5。 内螺纹A与螺栓杆2相连,外螺纹即螺栓主螺纹B,内螺纹螺距大于外螺纹螺距。当拧紧螺母3后,再反向转动锁紧零件4,由于内外螺纹螺距不同,在旋合螺纹牙支承面间始终保持一个不变正压力,从而达到防松的目的(1为被连接件)。 第 12 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 螺纹连接的基本防松理论图6 防松结构的改造 Fig.6 The transformation of anti-loose structure2.6 本章小结本章阐述了螺纹的松动机理及防松措施,列举了几种新型螺纹防松的方法,为带键锁紧型螺纹衬套的防松措施提供了理论依据。 大部分防松措施的目的都是为了阻止摩擦力的减退或破坏螺纹运动副的关系,以求达到最好的连接效果,保证机器的正常运转或飞行器的安全、高效飞行。第 13 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计 3.1 引言 航空发动机上要用到大量的铝、镁合金等轻型材料来减轻重量,力求最大限度地提高发动机的推重比,因此,能保护有色金属内螺纹孔、连接可靠、结构紧凑的带键锁紧型螺纹衬套有着广阔的应用前景。本章通过螺套原材料的选择、各部位结构尺寸的设计分析、力学性能参数的计算,如何提高锁紧性能的研究等几方面阐述了螺套的设计及参数优化过程。3.2 带键锁紧螺套的工作原理3.2.1 基本结构 带键锁紧螺套属新型螺纹紧固件,由螺套基体及嵌装在基体键槽中的2个(M6以下)或者 4个(M6以上)锁键条组成。螺套分自锁型和非自锁型两类,其结构如图7所示。自锁型螺套具有防松减重的功能,对发动机而言更具有实用价值,是本论文重点研究的内容。 Self-locking area(b)Insert,screw thread?locked in, keylocked (a)Insert,screw thread , keylocked图 7 带键锁紧型螺纹衬套结构示意图 Fig.7 Structural schematic diagram of insert,screw thread?locked in, keylocked 第 14 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计3.2.2 工作原理 1.基本功能 带键锁紧螺套基体为带内外螺纹的薄壁结构,其工作原理是螺套外螺纹拧入发动机铝机匣内螺纹孔,有效避免钢制螺钉直接拧入强度较低的铝机匣螺孔内,起到保护机匣的作用;当机匣需与别的部件连接时,螺套内螺纹与相配外螺纹螺钉旋合,将两个部件紧密连接在一起。 2.防松措施 安装螺套时,将外螺纹拧入发动机铝机匣内螺纹孔,利用螺纹副本身的自锁功能实现预装配。但是,当螺纹联接受冲击振动或交变载荷作用时,螺纹副之间和支14撑面之间的摩擦力可能减退或消失,经过一段时间后会使联接松动甚至松脱 。基于上述章节的防松理论,我们用专用工具将嵌装在螺套外壁上的锁键条压配到机匣螺纹孔里,用机械方法阻止螺纹副绕轴线相对转动。锁键利用与基体螺孔间的过盈将衬套体牢牢固定在机匣螺孔内,可承受更大的扭距和振动。完全安装后锁键应低于安装平面0.51mm,螺套装配示意图见图8。Pre-Installation Installation 图 8 螺套装配状态示意图 Fig.8 Installation schematic diagram of insert 第 15 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计当外螺纹螺钉与螺套内螺纹连接时,如何防松又成为设计首要考虑的问题。除选用自锁性好的MJ细牙螺纹外,我们在螺套的外圆面上留出一段圆柱光杆,进行挤压收口,产生变形,形成锁紧能力。这样,当外螺纹零件拧入收口区时,螺套内螺纹会由于径向弹性变形形成一定的径向挤压力,作用在螺栓螺纹型面间,增大了防松的静摩18-19擦力,从而起到锁紧防松、阻止外螺纹零件松脱的目的 。 带键锁紧型螺纹衬套可根据安装部位的不同工况,选择不同的材料和结构尺寸,形成不同规格的尺寸系列,具有通用性,可编制成标准,推广使用,具有很强的实用价值。3.3 设计目的及思路 设计出满足发动机使用要求的带键锁紧型螺纹衬套,其性能达到或超过美国军用标准的要求,通过各项鉴定性试验,满足发动机研制需要。设计过程包括:1、确定各零件的原材料及性能指标;2、螺套内外螺纹的设计和选用;3、设计螺套基体上键槽的形式及尺寸;4、确定螺套自锁区结构及收口方式;5、确定锁键的形式及尺寸; 6、通过计算螺纹副抗拉应力面积、剪切啮合面积确定螺套力学性能参数; 7、确定自锁性能考核参数;8、确定其它非关键尺寸; 9、通过试验修正设计误差,最终确定零件各部分的设计尺寸。3.4 原材料的选择 紧固件相对其它航空发动机零组件而言,尺寸、形式较为简单,但它就安全来说,也是至关重要的,因此,其冶金质量、疲劳性能不容忽视。合理选择原材料是保证产品质量的前提,是提高产品疲劳强度的主要措施之一,也是带键锁紧螺套设18计的关键所在 。第 16 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计3.4.1 螺套基体的原材料选择 带键锁紧型螺纹衬套可根据发动机工况应用于各个不同的连接部位,具有通用性。根据发动机装配部位不同的工况,螺套体的材料可选择结构钢、不锈钢、高温合金、钛合金等。航空紧固件常用材料见表1,力学性能见表2。表1 常用优选紧固件原材料应用比较 材料牌号 热处理硬度 实际应用情况比较 调质高强度结构钢: HRC3541 调质状态下具有良好的强度和韧性,但存在不40CrNiMoA 同的回火脆性倾向。适用于工作温度不超过(GJB1951-1994) 230的低温部件紧固件,加工成本相对较低。对自锁型螺套而言,硬度值偏高,易造成螺栓磨损。 马氏体不锈钢: HRC3541 具有良好的耐蚀性和较高的强度,适合加工工1Cr17Ni2 作温度不超过 450的高强度螺栓、螺母及普(GJB2294-1995) 通型螺纹衬套。对自锁型螺套而言,硬度值偏高,易造成螺栓磨损。 高温合金: HRC2735 650工作温度下综合性能好,是紧固件的优选GH2132 材料。对自锁型螺套而言,常规热处理硬度值偏低,弹性稍差,自锁性能衰减过快。将热处理硬度值提高到 HRC2935可满足要求的自锁性能。 高温合金: HRC2935 在 GH2132性能基础上提高了材料的热强性和优质 GH2132 长期使用性,自锁性能好,是自锁型螺套基体优选材料。 从我们对国外样机紧固件材料的理化分析结果来看,近年来,紧固件的选材逐渐向高热、高强方向发展,GH2132特别是优质GH2132作为一种耐热不锈钢在高可靠紧固件的加工中应用较为广泛。 GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高温合金,加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。在650以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度,并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。适合制造在650以下长期工作的航空发动机用紧固件。 第 17 页 共 66 页 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 带键锁紧型螺纹衬套的结构设计优质 GH2132(YZGH2132)合金,是在 GH2132合金基础上发展而来,主要是提高合金纯洁度,限制气体含量,控制低熔点元素含量,并调整热处理制度,从而使合20-22金的热强性和长期使用性提高 。 表2 常用优选紧固件材料力学性能 室温性能 高温持久性能 /MPa p0.2/MPa /% /% b 5品 种 / /MPa t/h HBS 不小于 GH2132 900 590 15 20 248341 650 392 23YZGH2132 1035 690 28 30 277352 650 448 25? ? ? 40CrNiMoA 1080 930 12 50 3213751Cr17Ni2 1080 ? 10 ? 352415 450 265 ?3.4.2 锁键的原材料选择 螺套装配在机匣体上时主要靠锁键防松,因此要求锁键具有较高的强度和硬度以及优良的抗腐蚀性能,高强度不锈钢应为首选。试制过程中,由于锁键外形太小且精度要求高,采用高强度的不锈钢切削加工时,加工定位不易保证,造成尺寸一致性差。而且切削加工造成产品金属纤维被切断,产品强度不高。 经过查阅大量资料,反复论证,最终选用了牌号为1Cr18Ni9的不锈钢丝材。该奥氏体不锈钢耐腐蚀性能好,不能用热处理强化提高硬度,但可通过冷变形获得较高强度。如采取冷拔轧制加工工艺,用冷轧变形强化方法使锁键的抗拉强度提高b 到 1100MPa ,即可满足了设计要求。试验证明,轧制产品不仅金属纤维连续,抗拉强度比切削加工的产品提高 20%30%,抗剪强度提高 5%左右 ;而且还提高了产品23-26表面粗糙度,进一步保证了产品的装配性能 。3.5 结构尺寸的设计根据安装部位的连接要求,带键锁紧螺套基体为带内外螺纹的薄壁结构,外侧应设计有至少两个燕尾形键槽。锁紧键的前端为导向部分,预装入基体燕尾槽;后端