航空發動機某緊配合零件分解方法研究

王洪明

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽110043）

0 引言

低壓渦輪轉子是發動機中關鍵的旋轉部件之一，在高速旋轉下工作，承受非常大的氣體負荷和質量負荷、高溫燃氣負荷，零件需要具有較高的強度和可靠性。某型號低壓渦輪轉子組件由低壓渦輪軸、低壓渦輪一級盤組件、低壓渦輪二級盤組件等組成。

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

但是由于盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤是過盈配合，盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤之間存在過盈力，經過試車考核后的發動機在進行發動機分解檢查時，靠人的力量無法克服盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤之間的過盈力和盤前封嚴擋板的重力。目前，將連接盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤的螺釘去除后，用尖邊螺絲刀沿低壓渦輪一級盤與盤前封嚴環之間的微小縫隙向內深入，將盤前封嚴擋板撬起，但隨之而來的是盤前封嚴擋板、低壓渦輪一級盤的損傷和盤前封嚴擋板的變形，因此，如何有效地分解盤前封嚴擋板成為需要解決的問題。

1 工裝基本結構設計及運動仿真

圖1 低壓渦輪一級盤組件結構示意圖

圖2 低壓渦輪一級盤與盤前封嚴擋板配合示意圖

1.1 基本設計理念

盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤通過緊配合，并通過螺釘擰緊的方式固定在一起，盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤裝配關系如圖3所示[1]。低壓渦輪一級盤相當于孔尺寸，盤前封嚴擋板相當于軸尺寸，配合關系為緊配合，盤前封嚴擋板與低壓渦輪盤之間存在過盈力，工作后的發動機在進行發動機分解檢查時，靠人的力量無法克服盤前封嚴擋板與低壓渦輪盤之間的過盈力而造成盤前封嚴擋板無法分解。

分析盤前封嚴擋板的結構特點和盤前封嚴擋板與低壓渦輪盤的裝配特點，盤前封嚴擋板上沒有頂絲孔，盤前封嚴擋板與低壓渦輪盤均帶有卸荷槽且邊緣重合，圖4為盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤安裝邊局部放大圖。盤前封嚴擋板沒有任何可以承擔力的表面，造成工裝設計困難，盤前封嚴擋板上的封嚴篦齒成為唯一的選擇，如圖5所示。篦齒成為唯一可以承擔力的位置，但是，封嚴篦齒上同時噴有涂層，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，因此工裝的整體設計選用鋁材料，并且選擇整環受力，不選用局部點受力，減小對篦齒涂層的壓力。因此將工裝做成整環的形式，所以提升環由兩半提升環組成。

在組件狀態下低壓渦輪盤中間有長軸穿過，低壓渦輪盤的中心無法承擔反作用力，而低壓渦輪盤盤面比較厚，因此設計成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、4根頂柱組成。工作中，提升環與盤前封嚴擋板的篦齒相接觸，兩半提升環4根頂柱通過螺紋與提升環相連接，頂柱頂在低渦盤上，不斷旋轉頂柱而提升提拉環，帶動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 結構設計與運動仿真

根據盤前封嚴擋板的結構特點，需要通過盤前封嚴擋板的篦齒作為受力點，向上提拉盤前封嚴擋板，為使盤前封嚴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個半環的形式方可套入盤前封嚴擋板，如圖6所示。使用時再將2個半環通過螺栓緊固在一起。提拉方式采用4根螺柱支頂低壓渦盤，通過旋轉螺柱，不斷提升工裝，進而提升盤前封嚴擋板。工裝示意圖如圖7所示。

圖6 半環

圖7 分解工裝

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

圖8 分離前

圖9 分離后

圖10

圖11

2 零件拔出力理論計算

盤前封嚴擋板與低渦一級盤通過止口過盈配合，其裝配關系和配合位置如圖10、圖11標注位置所示。

計算盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤過盈配合接觸壓力理論公式[2-3]為

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

式中：D1為盤前封嚴擋板內徑，m；D3為盤前封嚴擋板外徑，m；μ1為泊松比。

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

將式（2）、式（3）代入式（1），計算平均接觸壓力，得：

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

式中：S為盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤接觸面積；D3為低壓渦輪一級盤止口內徑；H為盤前封嚴擋板與低壓渦輪一級盤接觸高度。

圖12

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

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

3 工裝設計及強度計算

分析工裝分解盤前封嚴擋板的過程，分解工裝將盤前封嚴擋板提起，受力位置在分解工裝提升端面邊緣線上；通過旋轉頂柱，再帶動工裝和盤前封嚴擋板一同升起，受力位置為頂柱的截面，因此對這兩處進行簡要分析。

圖13

3.1 提拉端面設計及強度計算

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，其受力為根據圖15計算抗彎強度系數

圖14

圖15

圖16

式中：W為抗彎強度系數；R為工裝提拉面內徑，m；h為工裝提拉面厚度，m。

根據圖16計算提拉端面力矩

式中：M為力矩，N·m；F1為提拉力，N；L為工裝提拉面寬度，m。

抗彎強度為

式中：σ為抗彎強度，Pa;W為抗彎強度系數。

將式（7）、式（8）代入式（9），計算得抗彎強度σ=6.48 MPa。

取安全系數為n=5，則：式中，［σ］為許用抗彎強度，Pa。

3.2 頂柱設計及強度計算

工裝由4根頂柱組成，在使用過程中均勻旋轉提升，使零件分解。假設分解過程中，在某一極限時刻，由1根頂柱承擔所有分解力，則分解力F=1750 N，由

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

4 應用與結論

工作過程中，將兩半提升環分別套裝到低壓渦輪轉子的盤前封嚴擋板的篦齒上，擰緊連接兩半提升環螺栓，使提升環穩固，兩半提升環4根頂柱通過螺紋與提升環相連接，頂柱頂在低壓渦輪盤上，提升環與盤前封嚴擋板的篦齒相接觸，均勻旋轉4根頂柱而提升提拉環，帶動緊配合零件向上提升而分解。

［參考文獻］

[1] 麓山文化.UG NX9中文版機械設計從入門到精通[M].北京：機械工業出版社,2014.

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

[3] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社,2005.