基于维修性设计的管路自锁连接结构分析

李 健 ，周 含 ，吕春光 ，田 静

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.中国矿业大学机电学院，江苏徐州221116）

基于维修性设计的管路自锁连接结构分析

李 健1，周 含2，吕春光1，田 静1

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.中国矿业大学机电学院，江苏徐州221116）

为了研究管路连接结构对维修性设计的影响，针对军用小涵道比涡扇发动机外部管路连接结构，从维修性角度出发，详细研究了丝套自锁、爪式自锁、卡环自锁以及卡钩/卡槽4种管路自锁连接结构，分析了不同结构的特点和实现自锁的机理，得出管路自锁是通过相对独立于螺纹结构的形变产生克服螺纹松脱的力矩，并间接作用于螺纹实现自锁的结论。通过对比研究，总结归纳出不同管路自锁结构的优缺点，以及其取消保险丝显著提高管路连接的维修性和装配性的共性优点。

小涵道比；管路接头；连接结构；自锁；装配性；维修性；航空发动机

0 引言

管路作为航空发动机的重要组成部件，需要使用大量的管路接头完成连接，考虑到发动机需要在高温、高强度、高振动等苛刻的环境下工作[1]，传统结构管路接头需使用保险丝防止螺纹连接松脱，造成介质泄漏引起发动机故障。目前，国外第4代先进军用小涵道比发动机，其管路接头已广泛采用了自锁结构，实现了管路接头的无保险丝自锁连接。例如EJ200、F119、F135、F136 等发动机都采用了管路自锁结构（Spey、F110局部使用自锁管接头），显著提高了管路接头密封连接的可靠性，同时也提高了管路的装配性和维护性，国内在此领域起步较晚，相关研究急需结合国外先进技术进行研究应用，紧跟技术发展脚步。

本文将针对军用小涵道比发动机管路接头的自锁连接结构进行研究分析，介绍国外4种典型的成熟结构，同时研究不同结构的特点和自锁机理，总结归纳出不同结构的优缺点，为国内相关研究提供参考借鉴。

1 传统管路连接结构

发动机管路系统主要有导管、管路接头、固定卡箍等结构组成[2]。受限于外部结构空间和布局特点，管型往往结构复杂、灵活多样，而且管路接头结构形式相对固定单一，常用的典型结构为法兰连接胶圈/金属密封圈密封和螺纹连接锥面密封[3]。

法兰连接胶圈/金属密封圈密封接头可通过法兰连接螺栓实现自锁连接，如采用螺栓配合自锁螺母、自锁丝套等可实现管路接头的自锁连接，大管径管路多采用此类型接头，如图1所示。

螺纹连接锥面密封接头是发动机最主要、最广泛采用的管路连接结构，多应用于中、小管径管路，其典型结构有平管嘴、外锥接头、外套螺母构成[4]，结构如图2所示，由于外套螺母螺纹规格较大（M12～M33），无法采用螺纹收口（M6～M10自锁螺母）实现可靠的螺纹自锁连接。目前为满足发动机苛刻的工作环境和高可靠性要求，采用了保险丝保险，其结构是在外锥接头和外套螺母设置保险孔，在管路接头装配到位后通过打保险丝防止螺纹连接出现松脱。

管路接头使用保险丝进行锁紧，此种传统结构已经不能满足发动机日益提高的装配性和维护性要求[5-6]，其主要缺点：

（1）保险丝装配分解需要使用专用工具；

（2）保险丝为消耗件，只能使用1次，每次装配需重新制作保险丝；

（3）保险丝装配要求较高，有装配方向要求，同时保险丝不能过紧也不能过松；

（4）保险丝的装配和分解非常费时费力，效率低；

（5）保险丝锁紧保险装配性、维护性差。

2 自锁管路连接结构

航空发动机螺纹连接已广泛采用了自锁结构，常见的有螺纹收口自锁结构、尼龙嵌环自锁结构等，都是依靠结构件的形变产生克服螺纹松脱的自锁力矩[7-8]。

2.1 丝套自锁管路接头

丝套自锁管路接头结构是利用锁紧型钢丝螺套的成熟结构，通过在外套螺母的内螺纹内镶嵌自锁丝套，依靠丝套的自锁能力实现管路接头的自锁连接，具体结构形式如图3所示。

此种自锁管路接头的自锁性和可靠性取决于自锁丝套，早期发动机多应用此种结构解决无法打开保险丝，如空间限制部位管路接头的可靠性问题，并未取代保险丝锁紧在发动机上大规模应用，主要原因是受限于大规格螺纹自锁丝套的可靠性，以及丝套对管路接口同轴度的要求较高。RR公司在Spey和RB199发动机外部管路采用了丝套自锁管路接头，主要用于解决穿出外涵机匣空间受限无法打开保险丝管路接口的可靠锁紧问题，如图4所示。

2.2 爪式自锁管路接头

爪式自锁管路接头依靠装配在外套螺母上的带弹性自锁爪和装配在外锥接头上的锁紧环，在管路接头装配到位后，二者相互配合，通过锁紧环径向胀起自锁爪，引起其弹性变形，产生防止螺纹松脱的自锁力矩实现管路接头的自锁连接，如图5所示。

此种自锁管路接头继承了传统管路接头的结构特点，在相配件上采用装配结构，灵活实现了管路自锁，可显著提高管路连接的可靠性并改善装配性和维护性，F110发动机外涵道内的燃油总管接头采用此结构提高连接的可靠性防止漏油隐患，EJ200发动机对需要维护使用的孔探仪堵头采用了此结构提高装配性和维护性，如图6所示。

2.3 卡环自锁管路接头

卡环自锁管路接头的卡环装配在外套螺母后端，装配到位后，卡环的2个弹性卡爪与平管嘴上的波浪环配合，并被径向胀起。外套螺母相对于平管嘴无法沿螺纹松脱方向运动，卡环的变形约束力克服了可能出现的螺纹松脱，间接的使得外套螺母和外锥接头螺纹连接的松脱运动必须克服卡环的变形力，从而实现管路接头的自锁连接[9]，如图7所示。

卡环自锁管路接头最大限度的继承了传统锥面管路结构，通过装配结构形式的卡环实现了自锁，巧妙的将外套螺母与平管嘴锁紧间接实现了螺纹自锁，同时其结构整体性好，卡环可以进行更换，是1种成熟可靠的管路自锁结构。作为4代机的F135发动机，其升力风扇管路接头大范围采用了卡环自锁，如图8所示。

2.4 卡钩/卡槽自锁管路接头

卡钩/卡槽自锁管路接头，其设计思想是通过外套螺母前段的一体化自锁卡钩与外套螺母上的卡槽配合，装配到位后，弹性卡钩被径向胀起同时卡钩前段越过卡槽，通过卡槽胀起卡钩，产生限制螺纹转动的摩擦力实现了管路自锁[10-12]，如图9所示。

此种管路接头无任何零散件，卡钩和卡槽一体化加工成形，外套螺母上的弹性卡钩对加工要求较高。F119和F135发动机采用此种结构实现了管路接头的全自锁连接，也是唯一1种被大范围成熟应用的自锁管接头，体现出很高的设计制造水平，代表了现今最先进的管路自锁结构，如图10所示。

3 结论

航空发动机管路连接的自锁结构，由于其大螺纹规格和密封特性，导致其结构有别于传统自锁螺母依靠螺纹配合实现自锁，管路的自锁连接结构相对独立于螺纹，通过其他结构的形变产生克服螺纹松脱的力矩，间接作用于螺纹实现自锁[13-15]，结合具体应用结构归纳分析其特点见表1。

从表中归纳可知，不同的自锁结构虽然都具有一定的优缺点，但共同的特点是取消了费时费力的保险丝保险，都能有效的提高管路螺纹连接的可靠性，显著改善装配性和维护性，符合先进发动机高结构效率的发展趋势，已成为先进发动机外部显著的技术特点。

表1 自锁管接头结构对比分析

[1]陈艳秋,朱梓根.基于遗传算法的航空发动机管路优化设计 [J].航空动力学报,2002,17（4）:421-425.CHEN Yanqiu,ZHU Zigen.Pipeline system design of aeroengine using genetic algorithms [J].Journal of Aerospace Power,2002,17（4）:421-425.（in Chinese）

[2]陈志英,唐文哲.管路系统计算机辅助设计方法研究 [J].航空动力学报,2001,16（2）:182-184.CHEN Zhiying,TANG Wenzhe.Study on CAD method for aeroengine pipeline system[J].Journal of Aerospace Power,2001,16（2）:182-184.（in Chinese）

[3]王振兴,邱明星,王建军.拉伸载荷下管路连接副的密封性分析[J].航空动力学报,2011,26（8）:1865-1870.WANG Zhenxing,QIU Mingxing,WANG Jianjun.Sealing performance of pipeline connection under the tensile load [J].Journal of Aerospace Power,2011,26（8）:1865-1870.（in Chinese）

[4]中国航空综合技术研究所.HB 8326-2013发动机用74°锥面管路连接组合导管 [S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2016:10-17.AVIC China Aero-Polytechnology Establishment.HB 8326-2013 74°conical pipe connection for aeroengine[S].Beijing:Ministry of Industry and Information Technology of the People′s Republic of China,2016:10-17.(in Chinese)

[5]航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册第二册[M].北京:航空工业出版社,1999.Aeroengine Design Manual Editoral Board.Aeroengine design man-ual 2nd album[M].Beijing:Aviation Industry Press,1999.(in Chinese)

[6]航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册第三册[M].北京:航空工业出版社,1999.Aeroengine Design Manual Editoral Board.Aeroengine design manual 3th album[M].Beijing:Aviation Industry Press,1999.(in Chinese)

[7]李健.一种管路自锁连接结构:中国,ZL201420469271.7[P].2014-12-17.LIJian.A connection structure ofpipe self-locking :China,ZL201420469271.7[P].2014-12-17.（in Chinese）

[8]李健.一种管路自锁连接结构:中国,ZL201520013870.2[P].2015-07-15.LIJian.A connection structure ofpipe self-locking :China,ZL201520013870.2[P].2015-07-15.（in Chinese）

[9]Nutlok Fittings for the Aerospace Industry [EB/OL].[2007-01-07].http:∥www.parker.com/stratoflex.

[10]Lourdes Industries Inc [EB/OL].[2009-08-17].http:∥www.lourdesinc.com.

[11]Alvin L S.High pressure coupling with provision for preventing separation ofpartsand with anti-galling provision :USA,US5058930A[P].1991-10-22.

[12]Alvin L.S.High pressure coupling with provision for preventing separation ofpartsand with anti-galling provision :USA,US5388866A[P].1995-02-14.

[13]JPB system:the best way for easy locking[EB/OL].[2008-05-15].http:∥www.jpb-system.com.

[14]Frank C K.Self-locking coupling device:USA,US6478343B2[P].2002-11-12.

[15]John A.Nutlocking apparatus:USA,US6557900B1[P].2003-05-06.

Analysis of Pipe Self-Locking Structure Based on Maintenance Design

LI Jian1，ZHOU Han2,LYU Chun-guang1，TIAN Jing1
（1.AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Mechatronic Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou Jiangsu 221116,China）

In order to study the effect of pipe connection structure on the maintainability design,aiming at the structure of pipe for the military low bypass ratio engine and from the maintenance point of view,four pipe self-locking connection structures were studied in detail,respectively,wire thread insert,claw-type,snap ring and hook/card slot,the characteristic and the mechanism of different self-locking were analyzed.The conclusion is drawn that the torque overcomes the thread loose produced by the deformation of the screw thread structure,and achieves self-locking indirectly acting on the thread.The advantages and disadvantages of the different self-locking are compared.The selflocking pipe has the advantages of improving the maintainability and assembly significantly with the cancellation of the fuse.

low bypass ratio;pipe fitting;connecting structure;self-locking;assembly;maintainability;aeroengine

V288.4

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.012

2016-11-27 基金项目：航空动力基础研究项目资助

李健（1984），男，硕士，工程师，主要从事发动机结构设计工作；Email:ianleelj@qq.com。

李健，周含，吕春光，田静.基于维修性设计的管路自锁连接结构分析 [J].航空发动机，2017，43（4）：69-73.LI Jian，ZHOU Han,LYU Chunguang，et al.Analysis ofpipe self-lockingstructure based on maintenance design[J].Aeroengine，2017，43（4）：69-73.

（编辑：张宝玲）