高壓壓氣機(jī)盤(pán)間螺母裝配方法研究

牛孝霞

摘 要：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)間螺母裝配困難、效率低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)裝配空間進(jìn)行分析，總結(jié)出小直徑深盤(pán)腔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和限制參數(shù)，并確定限制裝配的主要原因。根據(jù)TRIZ時(shí)間分離原理，將螺母裝配分步進(jìn)行，在每一階段選擇合適的方法，創(chuàng)造性的將鋼絲結(jié)構(gòu)應(yīng)用于螺母認(rèn)帽。解決了小直徑深盤(pán)腔結(jié)構(gòu)對(duì)于扳手尺寸的限制，同時(shí)解除了螺母安裝及擰緊操作對(duì)于單次扳擰角度的要求;大幅度提高裝配效率和人機(jī)性;并為其他狹小操作空間螺母的安裝提供了參考，具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：盤(pán)間螺母裝配;扳手;認(rèn)帽;狹小裝配空間

1 緒論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)間連接螺母的裝配，通常依靠手持螺母深入盤(pán)腔內(nèi)部進(jìn)行配戴后，用普通扳手進(jìn)行限力。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)而減小了裝配可操作空間，具體表現(xiàn)為：盤(pán)腔深，盤(pán)心直徑及盤(pán)間距小，導(dǎo)致人手不可達(dá)，扳手難以進(jìn)入操作位置，傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝分操作。目前通過(guò)2套驅(qū)動(dòng)接口角向位置相差30的C型扳手交替使用進(jìn)行裝配，認(rèn)帽成功率及擰緊效率極低。

本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)間連接螺栓的操作空間進(jìn)行分析，得到影響認(rèn)帽操作的主要原因，并據(jù)此開(kāi)展小直徑、深盤(pán)腔、人手不可達(dá)連接螺帽高效的認(rèn)帽工藝研究，提高螺栓連接穩(wěn)定性及裝分效率[1]-[3]。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裝配性分析

壓氣機(jī)盤(pán)間螺栓的裝配問(wèn)題，根本上是操作空間的問(wèn)題。因此為確定導(dǎo)致該螺栓裝配困難的根本原因，首先對(duì)螺栓操作空間進(jìn)行分析，以某型發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)間連接螺栓為例，如圖1所示，圖示各參數(shù)對(duì)裝配及扳手設(shè)計(jì)的影響見(jiàn)表1所示。

因此，小直徑深盤(pán)腔結(jié)構(gòu)對(duì)扳手的限制為扳手尺寸緊湊導(dǎo)致的扳手安裝、扳擰角度和限力強(qiáng)度不足的問(wèn)題。其中，扳手強(qiáng)度和安裝可通過(guò)合理選擇材料、熱處理、分體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)工藝無(wú)法使用的最主要原因，是盤(pán)心直徑與螺栓分布圓直徑比值小，導(dǎo)致的扳擰角度太小。

3 裝配工藝方案設(shè)計(jì)

3.1 方案選擇

為解決扳擰角度同時(shí)兼顧限力等問(wèn)題，本研究將螺栓擰緊分為直接驅(qū)動(dòng)與主從間接驅(qū)動(dòng)，提出以下方案。

方案一：普通扳手

普通扳手設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全可以滿足周向及徑向尺寸的要求。通過(guò)設(shè)計(jì)2套角向位置不同的扳手頭，也可以解決連續(xù)擰緊的問(wèn)題，但需要在2個(gè)扳手之間進(jìn)行高頻更換。當(dāng)扳擰角度為25°時(shí)，擰緊一圈至少需要更換23次，效率極低。且不能滿足螺母配戴的要求。

方案二：棘輪扳手

棘輪扳手具有自鎖功能，擰緊角度不受扳擰空間的限制，可在小角度范圍內(nèi)無(wú)限次往復(fù)旋轉(zhuǎn)。然而，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，棘輪扳手單次擰緊40°，當(dāng)棘輪扳手反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺紋配合角度小，尚未連接可靠沒(méi)有產(chǎn)生足夠的摩擦力，使得螺母隨棘輪反向旋轉(zhuǎn)即松開(kāi)，棘輪無(wú)法起到反向止動(dòng)的作用。其次，棘輪扳手承載能力比較低，一般不超過(guò)20N.m。

方案三：鋼絲傳動(dòng)扳手

鋼絲扳手單次擰緊角度完全由鋼絲纏繞于大輪轂的圈數(shù)決定，不受扳擰角度影響。且質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、結(jié)構(gòu)靈活緊湊，當(dāng)傳動(dòng)精度要求不高時(shí)，結(jié)構(gòu)將非常簡(jiǎn)單，從動(dòng)輪尺寸可非常小，可以滿足扳手軸向厚度及扳手頭半徑要求。但其承載能力較弱，不能滿足限力要求。且每次擰緊角度有限，需要將扳手分解下來(lái)反向轉(zhuǎn)動(dòng)擰緊角度后再使用，即將存在多次安裝的問(wèn)題。

方案四：同步帶傳動(dòng)扳手

同步帶輪可雙向任意角度旋轉(zhuǎn)，可滿足螺母配戴及扳擰角度要求;在嚴(yán)格的張緊力要求下，同步帶承載能力與帶寬成正比。但是，在軸向尺寸一定的條件下，限制了同步帶寬導(dǎo)致承載能力受限;帶輪齒、擋圈及其固定結(jié)構(gòu)使得徑向尺寸較大，將難以滿足軸向尺寸及扳手頭半徑的要求。

方案五：齒輪傳動(dòng)扳手

齒輪傳動(dòng)具備同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且軸向厚度相同時(shí)，齒輪承載能力更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)尺寸更加靈活。然而，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)承載40N.m的扭矩時(shí)，變位齒輪軸向及徑向尺寸已不可能同時(shí)滿足要求;且該結(jié)構(gòu)通常需多級(jí)齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，操作舒適性相對(duì)較低。因此，以上方案均不能很好的同時(shí)滿足所有要求。然而，考慮到5種工藝問(wèn)題并不是貫穿整個(gè)螺栓裝配過(guò)程，螺母配戴與限力要求在時(shí)間上不存在交叉，無(wú)需同時(shí)滿足。因此，根據(jù)TRIZ時(shí)間分離原理，將螺栓擰緊以時(shí)間為變量分為三個(gè)階段：1螺母配戴，2螺栓（螺母）擰靠，3螺栓（螺母）限力。在不同階段選擇最能滿足本階段要求的扳手形式即可。詳見(jiàn)方案六。

方案六：分步擰緊

根據(jù)各階段的主要工藝問(wèn)題，選取最合適的扳手方案。則螺母配戴過(guò)程采用鋼絲傳動(dòng)扳手;中間螺母擰緊采用在棘輪扳手;螺栓限力采用普通C型扳手（2套）。

3.2 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 螺母配戴-鋼絲扳手

螺母配戴階段采用鋼絲傳動(dòng)扳手，僅需將螺母穩(wěn)定的配戴至螺栓上即可，無(wú)需繼續(xù)擰靠。鋼絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于鋼絲的固定和預(yù)緊。為避免鋼絲相對(duì)線輪摩擦力不足以帶動(dòng)線輪運(yùn)動(dòng)，保證其可以克服螺栓螺母間的作用力，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，本結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼絲的拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)從動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)，摒棄傳統(tǒng)的摩擦力作用形式。借用其拉力，則需將鋼絲的兩端分別固定在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上;并且為保證鋼絲始終在線輪鋼絲槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)使其具有一定的張緊力。本結(jié)構(gòu)預(yù)借用細(xì)管截?cái)嗟姆绞綄摻z固定在細(xì)管內(nèi)，改變線輪中心矩實(shí)現(xiàn)鋼絲的張緊。鋼絲扳手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2.2 螺母擰靠

該階段采用棘輪扳手，考慮表1所示的8.5mm尺寸，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棘輪扳手進(jìn)行補(bǔ)加工。由于無(wú)須限力，僅需設(shè)計(jì)至A段即可，降低了徑向尺寸的限制。

3.2.3 螺母限力-普通C型扳手

該階段采用普通C型扳手，考慮到扳擰角度僅為25°，特定角度的十二角扳手角向位置不一定能與其配合的情況，特設(shè)計(jì)2套扳手，該扳手十二角扳手頭角向位置相差15°。則該2套扳手可使螺母實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)，但是效率極低。

4 方案驗(yàn)證

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)3、4級(jí)盤(pán)間螺母裝配為例，經(jīng)裝配現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼絲扳手可以順利帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，完成螺母配戴，平均用時(shí)15S/個(gè)。棘輪扳手可以順利將螺母擰靠至安裝邊，平均用時(shí)20S/個(gè);擰靠后在25°范圍內(nèi)繼續(xù)擰緊60°，平均用時(shí)20S/個(gè)?？紤]到扳手安裝時(shí)間，螺栓安裝平均用時(shí)7min/個(gè)，6h/48個(gè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)某級(jí)高壓壓氣機(jī)螺栓操作空間進(jìn)行分析，總結(jié)出小直徑深盤(pán)腔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和限制參數(shù)，確定裝配困難的主要原因。通過(guò)對(duì)不同方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，確定采用分步擰緊的工藝方案，并創(chuàng)造性的將鋼絲結(jié)構(gòu)應(yīng)用于扳手設(shè)計(jì)中。

該工藝解決了小直徑深盤(pán)腔結(jié)構(gòu)對(duì)于扳手尺寸的限制;解除了螺母安裝及擰緊操作對(duì)于單次扳擰角度的要求。將原3天/人/48螺母的裝配效率提高至到6h/人/48螺母;提高人機(jī)性，降低對(duì)操作者體型等非技能要求。為其他狹小操作空間螺母的安裝提供了參考，具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬英廠.發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊技術(shù)的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2006.

[2]林湖，朱正德，陳強(qiáng)努，周銀龍.螺栓裝配技術(shù)中扭矩法與轉(zhuǎn)角法比較研究[J].汽車工藝與材料，2003（09）.

[3]鄭勁松.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝與試驗(yàn)研究[D].上海交通大學(xué)，2008.