王洪明

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110043）

0 引言

低壓渦輪轉(zhuǎn)子是發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)部件之一，在高速旋轉(zhuǎn)下工作，承受非常大的氣體負(fù)荷和質(zhì)量負(fù)荷、高溫燃?xì)庳?fù)荷，零件需要具有較高的強(qiáng)度和可靠性。某型號(hào)低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件由低壓渦輪軸、低壓渦輪一級(jí)盤組件、低壓渦輪二級(jí)盤組件等組成。

低壓渦輪一級(jí)盤組件由低壓渦輪一級(jí)盤、低壓渦輪一級(jí)工作葉片、盤前封嚴(yán)擋板封嚴(yán)擋板組成，如圖1所示。其中，盤前封嚴(yán)擋板的作用是固定安裝到低壓渦輪一級(jí)盤上的低壓渦輪一級(jí)工作葉片，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤通過(guò)止口定心，并用螺釘固定。具體裝配關(guān)系如圖2所示，低壓渦輪一級(jí)盤相當(dāng)于孔尺寸，盤前封嚴(yán)擋板相當(dāng)于軸尺寸，配合關(guān)系為過(guò)盈配合，在裝配過(guò)程中采用加熱低壓渦輪一級(jí)盤的方法進(jìn)行盤前封嚴(yán)擋板的裝配。

但是由于盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤是過(guò)盈配合，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤之間存在過(guò)盈力，經(jīng)過(guò)試車考核后的發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查時(shí)，靠人的力量無(wú)法克服盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤之間的過(guò)盈力和盤前封嚴(yán)擋板的重力。目前，將連接盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤的螺釘去除后，用尖邊螺絲刀沿低壓渦輪一級(jí)盤與盤前封嚴(yán)環(huán)之間的微小縫隙向內(nèi)深入，將盤前封嚴(yán)擋板撬起，但隨之而來(lái)的是盤前封嚴(yán)擋板、低壓渦輪一級(jí)盤的損傷和盤前封嚴(yán)擋板的變形，因此，如何有效地分解盤前封嚴(yán)擋板成為需要解決的問(wèn)題。

1 工裝基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

圖1 低壓渦輪一級(jí)盤組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 低壓渦輪一級(jí)盤與盤前封嚴(yán)擋板配合示意圖

1.1 基本設(shè)計(jì)理念

盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤通過(guò)緊配合，并通過(guò)螺釘擰緊的方式固定在一起，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤裝配關(guān)系如圖3所示[1]。低壓渦輪一級(jí)盤相當(dāng)于孔尺寸，盤前封嚴(yán)擋板相當(dāng)于軸尺寸，配合關(guān)系為緊配合，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪盤之間存在過(guò)盈力，工作后的發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查時(shí)，靠人的力量無(wú)法克服盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪盤之間的過(guò)盈力而造成盤前封嚴(yán)擋板無(wú)法分解。

分析盤前封嚴(yán)擋板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪盤的裝配特點(diǎn)，盤前封嚴(yán)擋板上沒(méi)有頂絲孔，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪盤均帶有卸荷槽且邊緣重合，圖4為盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤安裝邊局部放大圖。盤前封嚴(yán)擋板沒(méi)有任何可以承擔(dān)力的表面，造成工裝設(shè)計(jì)困難，盤前封嚴(yán)擋板上的封嚴(yán)篦齒成為唯一的選擇，如圖5所示。篦齒成為唯一可以承擔(dān)力的位置，但是，封嚴(yán)篦齒上同時(shí)噴有涂層，因此需要盡量減小篦齒所受到的壓力，并且不能夠碰傷涂層，因此工裝的整體設(shè)計(jì)選用鋁材料，并且選擇整環(huán)受力，不選用局部點(diǎn)受力，減小對(duì)篦齒涂層的壓力。因此將工裝做成整環(huán)的形式，所以提升環(huán)由兩半提升環(huán)組成。

在組件狀態(tài)下低壓渦輪盤中間有長(zhǎng)軸穿過(guò)，低壓渦輪盤的中心無(wú)法承擔(dān)反作用力，而低壓渦輪盤盤面比較厚，因此設(shè)計(jì)成4根頂柱頂在低壓渦輪盤盤面上，作為反作用力。

該工裝由兩半提升環(huán)、4根頂柱組成。工作中，提升環(huán)與盤前封嚴(yán)擋板的篦齒相接觸，兩半提升環(huán)4根頂柱通過(guò)螺紋與提升環(huán)相連接，頂柱頂在低渦盤上，不斷旋轉(zhuǎn)頂柱而提升提拉環(huán)，帶動(dòng)緊配合零件向上提升而分解。

圖3 裝配圖

圖4 安裝邊

圖5 前擋板外邊

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)盤前封嚴(yán)擋板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要通過(guò)盤前封嚴(yán)擋板的篦齒作為受力點(diǎn)，向上提拉盤前封嚴(yán)擋板，為使盤前封嚴(yán)擋板篦齒均勻受力并且每處的承受力盡可能小，采用整圈受力方式，工裝需要做成2個(gè)半環(huán)的形式方可套入盤前封嚴(yán)擋板，如圖6所示。使用時(shí)再將2個(gè)半環(huán)通過(guò)螺栓緊固在一起。提拉方式采用4根螺柱支頂?shù)蛪簻u盤，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺柱，不斷提升工裝，進(jìn)而提升盤前封嚴(yán)擋板。工裝示意圖如圖7所示。

圖6 半環(huán)

圖7 分解工裝

將工裝裝配到低壓渦輪盤上的盤前封嚴(yán)擋板上，螺柱擰緊到接觸低壓渦輪一級(jí)盤處，使工裝的提拉部位接觸到盤前封嚴(yán)擋板的篦齒，如圖8所示。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺柱，使螺柱頂在低壓渦輪一級(jí)盤面上，向上提拉工裝，工裝帶動(dòng)盤前封嚴(yán)擋板向上提升，使盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤脫離，如圖9所示。

圖8 分離前

圖9 分離后

圖10

圖11

2 零件拔出力理論計(jì)算

盤前封嚴(yán)擋板與低渦一級(jí)盤通過(guò)止口過(guò)盈配合，其裝配關(guān)系和配合位置如圖10、圖11標(biāo)注位置所示。

計(jì)算盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤過(guò)盈配合接觸壓力理論公式[2-3]為

式中：P0為接觸壓力，Pa；δ為過(guò)盈量，μm；d為擋板止口公稱外徑，mm；C1為盤前封嚴(yán)擋板剛性系數(shù)；C2為低壓渦輪一級(jí)盤剛性系數(shù)；E1為盤前封嚴(yán)擋板彈性模量，Pa；E2為低壓渦輪一級(jí)盤彈性模量,Pa。其中：

式中：D1為盤前封嚴(yán)擋板內(nèi)徑，m；D3為盤前封嚴(yán)擋板外徑，m；μ1為泊松比。

式中：D2為低壓渦輪一級(jí)盤外徑，m；D3為盤前封嚴(yán)擋板外徑，m；μ2為泊松比。

將式（2）、式（3）代入式（1），計(jì)算平均接觸壓力，得：

如圖12所示，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤配合處的直徑為D3，配合高度為H，盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤接觸面積為

式中：S為盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤接觸面積；D3為低壓渦輪一級(jí)盤止口內(nèi)徑；H為盤前封嚴(yán)擋板與低壓渦輪一級(jí)盤接觸高度。

圖12

盤前封嚴(yán)擋板的拔出力即為拔出盤前封嚴(yán)擋板時(shí)所受的摩擦力f與盤前封嚴(yán)擋板的重力G之和，即

式中：F為拔出力，N；f為摩擦力，N；μ為摩擦因數(shù)；G為盤前封嚴(yán)擋板重力，N。從而得出F=1750 N。

3 工裝設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

分析工裝分解盤前封嚴(yán)擋板的過(guò)程，分解工裝將盤前封嚴(yán)擋板提起，受力位置在分解工裝提升端面邊緣線上；通過(guò)旋轉(zhuǎn)頂柱，再帶動(dòng)工裝和盤前封嚴(yán)擋板一同升起，受力位置為頂柱的截面，因此對(duì)這兩處進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

圖13

3.1 提拉端面設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

提拉端面如圖14所示，受力為線受力，受力線為圖14中加深線，截取dθ，其受力為根據(jù)圖15計(jì)算抗彎強(qiáng)度系數(shù)

圖14

圖15

圖16

式中：W為抗彎強(qiáng)度系數(shù)；R為工裝提拉面內(nèi)徑，m；h為工裝提拉面厚度，m。

根據(jù)圖16計(jì)算提拉端面力矩

式中：M為力矩，N·m；F1為提拉力，N；L為工裝提拉面寬度，m。

抗彎強(qiáng)度為

式中：σ為抗彎強(qiáng)度，Pa;W為抗彎強(qiáng)度系數(shù)。

將式（7）、式（8）代入式（9），計(jì)算得抗彎強(qiáng)度σ=6.48 MPa。

取安全系數(shù)為n=5，則：式中，［σ］為許用抗彎強(qiáng)度，Pa。

3.2 頂柱設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

工裝由4根頂柱組成，在使用過(guò)程中均勻旋轉(zhuǎn)提升，使零件分解。假設(shè)分解過(guò)程中，在某一極限時(shí)刻，由1根頂柱承擔(dān)所有分解力，則分解力F=1750 N，由

式中：σ為抗彎強(qiáng)度，Pa；A為截面面積，m2，A=π×r2=2.83×10-5m2。從而求出σ=61.8 MPa。取安全系數(shù)為n=3，則σ1=3×61.8=185.4 MPa＜［σ］。其中，［σ］為許用抗壓強(qiáng)度。

4 應(yīng)用與結(jié)論

工作過(guò)程中，將兩半提升環(huán)分別套裝到低壓渦輪轉(zhuǎn)子的盤前封嚴(yán)擋板的篦齒上，擰緊連接兩半提升環(huán)螺栓，使提升環(huán)穩(wěn)固，兩半提升環(huán)4根頂柱通過(guò)螺紋與提升環(huán)相連接，頂柱頂在低壓渦輪盤上，提升環(huán)與盤前封嚴(yán)擋板的篦齒相接觸，均勻旋轉(zhuǎn)4根頂柱而提升提拉環(huán)，帶動(dòng)緊配合零件向上提升而分解。

［參考文獻(xiàn)］

[1] 麓山文化.UG NX9中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2] 沈健,朱亞軍,周丹,等.基于有限元的過(guò)盈配合平均接觸壓力求解[J].機(jī)械工程師,2015(7)：17-20.

[3] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版.北京：高等教育出版社,2005.