大規(guī)格非金屬嵌件自鎖螺母技術(shù)研究

姜貴林，付建建，李錦花，毛宏圖

（1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2. 中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，傳動(dòng)部件的可靠安裝對(duì)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但多為M12以下小規(guī)格尺寸，對(duì)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(kuò)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(qiáng)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(duì)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(yàn)，得到了自鎖螺母性能提升的優(yōu)化手段；王自勤等[6]對(duì)自鎖螺母收口工藝進(jìn)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(yàn)的方法，驗(yàn)證了軸向動(dòng)態(tài)載荷對(duì)螺紋連接松動(dòng)的影響，揭示了影響螺紋松動(dòng)的重要因素。

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(shí)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(jì)需注意以下因素[8-9]：非金屬鎖緊圈材料需具有高強(qiáng)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(jì)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(duì)軸承進(jìn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，從而保證自鎖螺母在工作過程中不出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致松動(dòng)。2 理論計(jì)算

2.1 強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪軸的實(shí)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(jì)算公式為

式中：d2為螺紋中徑；d3為螺紋的計(jì)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(jì)硬度值為29～35 HRC，換算后產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的最低強(qiáng)度為911 N/mm2，通過上述計(jì)算分析，產(chǎn)品強(qiáng)度滿足軸向力要求，且強(qiáng)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(jì)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(yuǎn)小于產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，因此產(chǎn)品在最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，離心力強(qiáng)度儲(chǔ)備充足。

2.2 安裝力矩計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)要求。

2.3 摩擦力矩計(jì)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(huì)反向松脫[12-13]，因此需進(jìn)行最小摩擦力矩計(jì)算。

螺母工作過程突然減速時(shí)，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(gè)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(dòng)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(jì)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(shí)軸向力，2800 N；f為最大螺母轉(zhuǎn)頻，333 Hz。

經(jīng)計(jì)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(jì)依據(jù)。

2.4 過盈量計(jì)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(huì)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(jì)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(jì)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(yàn)驗(yàn)證

3.1 軸向載荷試驗(yàn)

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(yàn)。試驗(yàn)過程中，在室溫與工作溫度條件下, 通過試驗(yàn)設(shè)備分別對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行軸向載荷加載，加載后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)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(qiáng)度滿足軸載要求。試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)后試驗(yàn)件外觀如圖4～圖5所示。

圖4 軸載試驗(yàn)設(shè)備

圖5 軸載試驗(yàn)后試驗(yàn)件外觀

3.2 室溫鎖緊試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)件進(jìn)行室溫鎖緊試驗(yàn)，共進(jìn)行15次循環(huán)，程序?yàn)椤靶搿鷶Q緊→旋出”。試驗(yàn)過程中，測(cè)得試驗(yàn)件的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩如表2所示，摩擦力矩變化趨勢(shì)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(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，未出現(xiàn)可能降低使用功能的現(xiàn)象，試驗(yàn)件螺紋完整。從圖6中的變化趨勢(shì)可以看出，試驗(yàn)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(jì)值要求。

3.3 高溫鎖緊試驗(yàn)

選取三件試驗(yàn)件開展高溫鎖緊試驗(yàn)，共進(jìn)行10次循環(huán)，循環(huán)程序?yàn)椤靶搿鷶Q緊→加熱→恢復(fù)至室溫→旋出”。試驗(yàn)過程中，測(cè)得試驗(yàn)件的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩如表3所示，摩擦力矩變化趨勢(shì)如圖7所示。

表3 高溫鎖緊摩擦力矩結(jié)果 N·m

試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，未出現(xiàn)可能降低使用功能的現(xiàn)象，試驗(yàn)件螺紋完整。從圖7變化趨勢(shì)可以看出，試驗(yàn)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(jì)值要求。

圖7 摩擦力矩曲線

3.4 振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證產(chǎn)品的抗振性能，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行頻率為30 Hz，振動(dòng)次數(shù)30 000次的正弦波振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備如圖8所示。

圖8 電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)圖

試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、裂紋、鎖緊元件松動(dòng)、螺紋破壞或鎖緊性能消失等現(xiàn)象，說明試驗(yàn)件滿足發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)環(huán)境要求。

3.5 滑油介質(zhì)影響試驗(yàn)

非嵌件自鎖螺母在工作過程中會(huì)接觸滑油，為驗(yàn)證其抗滑油腐蝕能力，開展滑油介質(zhì)影響試驗(yàn)。將試驗(yàn)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(yàn)

試驗(yàn)后檢查試驗(yàn)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(dòng)、螺紋破壞、鎖緊性能消失和嚴(yán)重永久變形等，說明試驗(yàn)件滿足發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的滑油環(huán)境要求。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)考核

為考核非金屬嵌件自鎖螺母裝機(jī)使用的穩(wěn)定性與可靠性，選取3件試驗(yàn)件在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上共進(jìn)行了1000 h的持久試車驗(yàn)證，試車后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，外觀如圖10所示，檢查結(jié)果未見異常。說明試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況條件下滿足使用要求。

圖10 持久試車后試驗(yàn)件外觀

4 結(jié)語

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(duì)該裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，部件與整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。