姜貴林，付建建，李錦花，毛宏圖

（1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2. 中國航空發(fā)動機集團航空發(fā)動機動力傳輸重點實驗室，沈陽 110015；3. 河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

0 引言

傳動系統(tǒng)為航空發(fā)動機重要組成部分，傳動部件的可靠安裝對系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-3]。自鎖螺母在航空發(fā)動機領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但多為M12以下小規(guī)格尺寸，對于尺寸較大的齒輪軸而言，其軸端鎖緊通常采用壓緊螺母與杯形鎖圈相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)存在弊端如下[4]：鎖圈沖鎖過程易產(chǎn)生缺陷，工作中擴展為裂紋甚至碎裂；鎖圈為消耗件，分解過程需更換新件，增加材料消耗；齒輪軸上需設(shè)置防轉(zhuǎn)槽以固定鎖圈防轉(zhuǎn)爪，削弱軸的強度；鎖圈防轉(zhuǎn)爪嵌入軸承內(nèi)圈，影響軸承的預(yù)緊力及工作可靠性。

針對軸端鎖緊結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，并取得一定成果。黃南等[5]提出了影響航空自鎖螺母鎖緊效果的相關(guān)因素，并通過試驗，得到了自鎖螺母性能提升的優(yōu)化手段；王自勤等[6]對自鎖螺母收口工藝進行了分析，提出了影響收口質(zhì)量的相關(guān)因素；Goodier等[7]通過試驗的方法，驗證了軸向動態(tài)載荷對螺紋連接松動的影響，揭示了影響螺紋松動的重要因素。

本文針對航空發(fā)動機常用軸端鎖緊形式的結(jié)構(gòu)弊端，首次提出一種大尺寸規(guī)格且具有自鎖功能的非金屬嵌件自鎖螺母裝置，通過試驗驗證，該裝置可以滿足發(fā)動機的使用要求，同時提高了發(fā)動機傳動系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性。

1 結(jié)構(gòu)分析

航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)常用的軸端鎖緊結(jié)構(gòu)為圖1所示的壓緊螺母與杯形鎖圈相結(jié)合的形式，該結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中多次出現(xiàn)鎖緊功能失效的情況。

圖1 壓緊螺母與杯形鎖圈鎖緊結(jié)構(gòu)示意圖

為提高鎖緊性能可靠性，本文提出大規(guī)格非金屬嵌件自鎖螺母結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體為金屬螺母體，非金屬鎖緊圈嵌入到金屬螺母體內(nèi)，金屬螺母體通過內(nèi)螺紋與齒輪軸連接，利用端面壓緊軸承，齒輪軸外螺紋在裝配過程中嵌入到非金屬鎖緊圈實體保證自鎖螺母工作程中的自鎖防松。新結(jié)構(gòu)的組件與裝配形式如圖2～圖3所示。

圖2 非金屬嵌件自鎖螺母組件圖

圖3 非金屬嵌件自鎖螺母裝配圖

非金屬嵌件自鎖螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意以下因素[8-9]：非金屬鎖緊圈材料需具有高強度、耐高溫性能；非金屬鎖緊圈與金屬螺母體需過盈裝配，保證兩者緊密結(jié)合；非金屬鎖緊圈的內(nèi)徑值選取應(yīng)保證齒輪軸外螺紋齒牙能夠嵌入鎖緊圈基體內(nèi)并存在一定的防松摩擦力矩；組件的收口結(jié)構(gòu)要設(shè)計合理，避免收口過程出現(xiàn)裂紋[10-11]。

非金屬嵌件自鎖螺母裝配過程中通過一定的安裝力矩對軸承進行壓緊，齒輪軸的外螺紋嵌入到非金屬鎖緊圈材料基體內(nèi)，兩者之間存在一定的摩擦力防止產(chǎn)生相對運動，從而保證自鎖螺母在工作過程中不出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致松動。2 理論計算

2.1 強度計算

根據(jù)某型航空發(fā)動機齒輪軸的實際結(jié)構(gòu)尺寸與工況參數(shù)要求，非金屬嵌件自鎖螺母的內(nèi)螺紋規(guī)格設(shè)置為M45×1.5，最大承載軸向力要求為Fmax=60 kN，最大轉(zhuǎn)速要求為Nmax=20000 r/min。

螺紋應(yīng)力截面積計算公式為

式中：d2為螺紋中徑；d3為螺紋的計算直徑，d3=d1-H/6；d1為螺紋小徑；H為螺紋原始三角形高度。

根據(jù)GB/T196-2003，確定螺紋相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 螺紋參數(shù)表

根據(jù)非金屬嵌件自鎖螺母最大軸向力要求，其螺紋所受的最大應(yīng)力為

非金屬嵌件自鎖螺母的金屬螺母體設(shè)計硬度值為29～35 HRC，換算后產(chǎn)品對應(yīng)的最低強度為911 N/mm2，通過上述計算分析，產(chǎn)品強度滿足軸向力要求，且強度裕度充足，可靠性高。工作過程中所受離心力為

式中：M為產(chǎn)品質(zhì)量，0.06 kg；ω為產(chǎn)品角速度；Rmax為產(chǎn)品最大回轉(zhuǎn)半徑，28 mm。

非金屬嵌件自鎖螺母角速度按最大轉(zhuǎn)速要求20 000 r/min折算，經(jīng)計算，產(chǎn)品在工作過程中產(chǎn)生的離心力F=0.06×20932×0.028=7.36 kN，離心力遠小于產(chǎn)品設(shè)計強度要求，因此產(chǎn)品在最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，離心力強度儲備充足。

2.2 安裝力矩計算

螺母裝配過程摩擦力矩與壓靠軸承端面后的疊加力矩最大設(shè)計值分別為80、270 N·m，即最大擰緊力矩為350 N·m。在最大擰緊力矩狀態(tài)下，非金屬嵌件自鎖螺母所承受的軸向力為

式中：T為最大安裝力矩；K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，K=0.15～0.25；D為螺紋規(guī)格。

經(jīng)計算，非金屬嵌件自鎖螺母在最大擰緊力矩下承受的軸向力F=350÷（0.15×45）=51 kN，滿足60 kN的最大軸向力設(shè)計要求。

2.3 摩擦力矩計算

為保證防松功能，螺母裝配過程的摩擦力矩需保證螺母不會反向松脫[12-13]，因此需進行最小摩擦力矩計算。

螺母工作過程突然減速時，螺母受力最大，最容易松脫，該狀態(tài)下，螺母的自鎖力矩需要抵抗的三個反向力矩分別為：抵抗系統(tǒng)減速度螺母自身因慣性產(chǎn)生的反向力所需力矩W1；抵抗軸承的反向摩擦力所需力矩W2；抵抗高頻振動所需的力矩W3。因此螺母的最小轉(zhuǎn)矩Wmin為

式中：m1為非金屬嵌件自鎖螺母質(zhì)量，0.06 kg；m2為齒輪軸部件質(zhì)量，1.8 kg；R為轉(zhuǎn)矩理論計算用平均半徑，0.025 m；a為最大轉(zhuǎn)速變化率，1200 r/min；H為齒輪軸與軸承的最大間隙，0.06 mm；μ為軸承的摩擦因數(shù)，0.015；F為工作時軸向力，2800 N；f為最大螺母轉(zhuǎn)頻，333 Hz。

經(jīng)計算，非金屬嵌件自鎖螺母工作過程最小摩擦力矩為Wmin=0.0046+1.05+6.19=7.2446 N·m，該值可作為自鎖螺母摩擦力矩的設(shè)計依據(jù)。

2.4 過盈量計算

螺母組件裝配過程中，鎖緊圈外徑與螺母體內(nèi)徑為過盈裝配，工作狀態(tài)由于溫度升高，零件尺寸變化，在材料選取過程中需保證非金屬鎖緊圈的線脹系數(shù)大于金屬螺母體的線脹系數(shù)，從而保證溫度升高后兩者配合緊度不會降低。非金屬鎖緊圈與金屬螺母體在工作溫度下的過盈量為

式中：h1為鎖緊圈與螺母體室溫過盈量；D為鎖緊圈與螺母體配合直徑名義值；α1為鎖緊圈線脹系數(shù)；α2為螺母體線脹系數(shù)；ΔT為工作溫升。

根據(jù)非金屬嵌件自鎖螺母的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計值及工作溫度變化，即可獲得鎖緊圈與螺母體過盈量的變換情況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需確保其始終保持在合理范圍內(nèi)從而保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。

3 試驗驗證

3.1 軸向載荷試驗

為保證非金屬嵌件自鎖螺母最大承載軸向力60 kN的要求，開展軸向載荷試驗。試驗過程中，在室溫與工作溫度條件下, 通過試驗設(shè)備分別對試驗件進行軸向載荷加載，加載后對試驗件進行檢查，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、裂紋和永久變形的情況，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度滿足軸載要求。試驗設(shè)備與試驗后試驗件外觀如圖4～圖5所示。

圖4 軸載試驗設(shè)備

圖5 軸載試驗后試驗件外觀

3.2 室溫鎖緊試驗

根據(jù)設(shè)計要求，自鎖螺母裝配過程中的摩擦力矩應(yīng)保證在7.2446～80.0000 N·m之間。選取三件試驗件進行室溫鎖緊試驗，共進行15次循環(huán)，程序為“旋入→擰緊→旋出”。試驗過程中，測得試驗件的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩如表2所示，摩擦力矩變化趨勢如圖6所示。

表2 室溫鎖緊摩擦力矩結(jié)果 N·m

圖6 摩擦力矩曲線

試驗后，對試驗件進行檢查，未出現(xiàn)可能降低使用功能的現(xiàn)象，試驗件螺紋完整。從圖6中的變化趨勢可以看出，試驗件的裝配摩擦力矩值隨著裝配次數(shù)的增加而平緩降低，但經(jīng)過15次裝配后，仍滿足摩擦力矩設(shè)計值要求。

3.3 高溫鎖緊試驗

選取三件試驗件開展高溫鎖緊試驗，共進行10次循環(huán)，循環(huán)程序為“旋入→擰緊→加熱→恢復(fù)至室溫→旋出”。試驗過程中，測得試驗件的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩如表3所示，摩擦力矩變化趨勢如圖7所示。

表3 高溫鎖緊摩擦力矩結(jié)果 N·m

試驗后，對試驗件進行檢查，未出現(xiàn)可能降低使用功能的現(xiàn)象，試驗件螺紋完整。從圖7變化趨勢可以看出，試驗件的裝配摩擦力矩值隨著裝配次數(shù)的增加而平緩降低，但經(jīng)過10次裝配后，仍滿足摩擦力矩設(shè)計值要求。

圖7 摩擦力矩曲線

3.4 振動試驗

為驗證產(chǎn)品的抗振性能，對試驗件進行頻率為30 Hz，振動次數(shù)30 000次的正弦波振動試驗，振動試驗設(shè)備如圖8所示。

圖8 電動振動試驗臺圖

試驗后對試驗件進行檢查，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、裂紋、鎖緊元件松動、螺紋破壞或鎖緊性能消失等現(xiàn)象，說明試驗件滿足發(fā)動機傳動系統(tǒng)的振動環(huán)境要求。

3.5 滑油介質(zhì)影響試驗

非嵌件自鎖螺母在工作過程中會接觸滑油，為驗證其抗滑油腐蝕能力，開展滑油介質(zhì)影響試驗。將試驗件擰入工藝螺栓后完全浸入到航空潤滑油中如圖9所示，并將滑油溫度調(diào)整為工作溫度，保持168 h。

圖9 滑油浸入試驗

試驗后檢查試驗件，未出現(xiàn)可能降低使用功能的現(xiàn)象，如剝皮、結(jié)構(gòu)破壞、裂紋、斷裂、鎖緊元件松動、螺紋破壞、鎖緊性能消失和嚴重永久變形等，說明試驗件滿足發(fā)動機傳動系統(tǒng)的滑油環(huán)境要求。

3.6 發(fā)動機持久試驗考核

為考核非金屬嵌件自鎖螺母裝機使用的穩(wěn)定性與可靠性，選取3件試驗件在某型發(fā)動機上共進行了1000 h的持久試車驗證，試車后對試驗件進行檢查，外觀如圖10所示，檢查結(jié)果未見異常。說明試驗件在發(fā)動機實際工況條件下滿足使用要求。

圖10 持久試車后試驗件外觀

4 結(jié)語

本文對發(fā)動機傳動系統(tǒng)軸端鎖緊結(jié)構(gòu)開展了技術(shù)研究，為解決杯形鎖圈與壓緊螺母鎖緊形式的結(jié)構(gòu)弊端，提出了大尺寸規(guī)格的非金屬嵌件自鎖螺母鎖緊結(jié)構(gòu)裝置。針對該裝置進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論計算與試驗驗證，部件與整機試驗結(jié)果證實了該結(jié)構(gòu)裝置應(yīng)用的可行性。本文提出的大規(guī)格非金屬嵌件自鎖螺母現(xiàn)已作為批產(chǎn)產(chǎn)品在航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)上進行了應(yīng)用，效果良好。