高压压气机盘间螺母装配方法研究

牛孝霞

摘 要：针对航空发动机高压压气机盘间螺母装配困难、效率低的问题，通过对装配空间进行分析，总结出小直径深盘腔结构的特点和限制参数，并确定限制装配的主要原因。根据TRIZ时间分离原理，将螺母装配分步进行，在每一阶段选择合适的方法，创造性的将钢丝结构应用于螺母认帽。解决了小直径深盘腔结构对于扳手尺寸的限制，同时解除了螺母安装及拧紧操作对于单次扳拧角度的要求;大幅度提高装配效率和人机性;并为其他狭小操作空间螺母的安装提供了参考，具有一定指导意义。

关键词：盘间螺母装配;扳手;认帽;狭小装配空间

1 绪论

航空发动机高压压气机盘间连接螺母的装配，通常依靠手持螺母深入盘腔内部进行配戴后，用普通扳手进行限力。随着发动机性能要求越来越高，结构更加紧凑，进而减小了装配可操作空间，具体表现为：盘腔深，盘心直径及盘间距小，导致人手不可达，扳手难以进入操作位置，传统工艺无法实现装分操作。目前通过2套驱动接口角向位置相差30的C型扳手交替使用进行装配，认帽成功率及拧紧效率极低。

本文以某型发动机盘间连接螺栓的操作空间进行分析，得到影响认帽操作的主要原因，并据此开展小直径、深盘腔、人手不可达连接螺帽高效的认帽工艺研究，提高螺栓连接稳定性及装分效率[1]-[3]。

2 结构特点及装配性分析

压气机盘间螺栓的装配问题，根本上是操作空间的问题。因此为确定导致该螺栓装配困难的根本原因，首先对螺栓操作空间进行分析，以某型发动机盘间连接螺栓为例，如图1所示，图示各参数对装配及扳手设计的影响见表1所示。

因此，小直径深盘腔结构对扳手的限制为扳手尺寸紧凑导致的扳手安装、扳拧角度和限力强度不足的问题。其中，扳手强度和安装可通过合理选择材料、热处理、分体结构实现。传统工艺无法使用的最主要原因，是盘心直径与螺栓分布圆直径比值小，导致的扳拧角度太小。

3 装配工艺方案设计

3.1 方案选择

为解决扳拧角度同时兼顾限力等问题，本研究将螺栓拧紧分为直接驱动与主从间接驱动，提出以下方案。

方案一：普通扳手

普通扳手设计灵活、结构简单，完全可以满足周向及径向尺寸的要求。通过设计2套角向位置不同的扳手头，也可以解决连续拧紧的问题，但需要在2个扳手之间进行高频更换。当扳拧角度为25°时，拧紧一圈至少需要更换23次，效率极低。且不能满足螺母配戴的要求。

方案二：棘轮扳手

棘轮扳手具有自锁功能，拧紧角度不受扳拧空间的限制，可在小角度范围内无限次往复旋转。然而，经试验验证，棘轮扳手单次拧紧40°，当棘轮扳手反向旋转时，由于螺纹配合角度小，尚未连接可靠没有产生足够的摩擦力，使得螺母随棘轮反向旋转即松开，棘轮无法起到反向止动的作用。其次，棘轮扳手承载能力比较低，一般不超过20N.m。

方案三：钢丝传动扳手

钢丝扳手单次拧紧角度完全由钢丝缠绕于大轮毂的圈数决定，不受扳拧角度影响。且质量轻、传动比范围大、结构灵活紧凑，当传动精度要求不高时，结构将非常简单，从动轮尺寸可非常小，可以满足扳手轴向厚度及扳手头半径要求。但其承载能力较弱，不能满足限力要求。且每次拧紧角度有限，需要将扳手分解下来反向转动拧紧角度后再使用，即将存在多次安装的问题。

方案四：同步带传动扳手

同步带轮可双向任意角度旋转，可满足螺母配戴及扳拧角度要求;在严格的张紧力要求下，同步带承载能力与带宽成正比。但是，在轴向尺寸一定的条件下，限制了同步带宽导致承载能力受限;带轮齿、挡圈及其固定结构使得径向尺寸较大，将难以满足轴向尺寸及扳手头半径的要求。

方案五：齿轮传动扳手

齿轮传动具备同步带传动的优点，且轴向厚度相同时，齿轮承载能力更强，结构尺寸更加灵活。然而，经计算，当承载40N.m的扭矩时，变位齿轮轴向及径向尺寸已不可能同时满足要求;且该结构通常需多级齿轮传动，结构复杂，质量大，操作舒适性相对较低。因此，以上方案均不能很好的同时满足所有要求。然而，考虑到5种工艺问题并不是贯穿整个螺栓装配过程，螺母配戴与限力要求在时间上不存在交叉，无需同时满足。因此，根据TRIZ时间分离原理，将螺栓拧紧以时间为变量分为三个阶段：1螺母配戴，2螺栓（螺母）拧靠，3螺栓（螺母）限力。在不同阶段选择最能满足本阶段要求的扳手形式即可。详见方案六。

方案六：分步拧紧

根据各阶段的主要工艺问题，选取最合适的扳手方案。则螺母配戴过程采用钢丝传动扳手;中间螺母拧紧采用在棘轮扳手;螺栓限力采用普通C型扳手（2套）。

3.2 详细方案设计

3.2.1 螺母配戴-钢丝扳手

螺母配戴阶段采用钢丝传动扳手，仅需将螺母稳定的配戴至螺栓上即可，无需继续拧靠。钢丝传动设计的难点在于钢丝的固定和预紧。为避免钢丝相对线轮摩擦力不足以带动线轮运动，保证其可以克服螺栓螺母间的作用力，带动螺母旋转，本结构通过钢丝的拉力来实现从动轮的驱动，摒弃传统的摩擦力作用形式。借用其拉力，则需将钢丝的两端分别固定在主动轮和从动轮上;并且为保证钢丝始终在线轮钢丝槽内运动，应使其具有一定的张紧力。本结构预借用细管截断的方式将钢丝固定在细管内，改变线轮中心矩实现钢丝的张紧。钢丝扳手结构如图2所示。

3.2.2 螺母拧靠

该阶段采用棘轮扳手，考虑表1所示的8.5mm尺寸，對标准棘轮扳手进行补加工。由于无须限力，仅需设计至A段即可，降低了径向尺寸的限制。

3.2.3 螺母限力-普通C型扳手

该阶段采用普通C型扳手，考虑到扳拧角度仅为25°，特定角度的十二角扳手角向位置不一定能与其配合的情况，特设计2套扳手，该扳手十二角扳手头角向位置相差15°。则该2套扳手可使螺母实现任意角度的旋转，但是效率极低。

4 方案验证

以某型发动机3、4级盘间螺母装配为例，经装配现场试验验证，钢丝扳手可以顺利带动螺母旋转，完成螺母配戴，平均用时15S/个。棘轮扳手可以顺利将螺母拧靠至安装边，平均用时20S/个;拧靠后在25°范围内继续拧紧60°，平均用时20S/个。考虑到扳手安装时间，螺栓安装平均用时7min/个，6h/48个。

5 结语

通过对某型号发动机某级高压压气机螺栓操作空间进行分析，总结出小直径深盘腔结构的特点和限制参数，确定装配困难的主要原因。通过对不同方案进行分析和评价，确定采用分步拧紧的工艺方案，并创造性的将钢丝结构应用于扳手设计中。

该工艺解决了小直径深盘腔结构对于扳手尺寸的限制;解除了螺母安装及拧紧操作对于单次扳拧角度的要求。将原3天/人/48螺母的装配效率提高至到6h/人/48螺母;提高人机性，降低对操作者体型等非技能要求。为其他狭小操作空间螺母的安装提供了参考，具有一定指导意义。

参考文献：

[1]马英厂.发动机螺栓拧紧技术的研究[D].哈尔滨工程大学，2006.

[2]林湖，朱正德，陈强努，周银龙.螺栓装配技术中扭矩法与转角法比较研究[J].汽车工艺与材料，2003（09）.

[3]郑劲松.发动机缸盖螺栓拧紧工艺与试验研究[D].上海交通大学，2008.