高壓壓氣機盤間螺母裝配方法研究

牛孝霞

摘 要：針對航空發動機高壓壓氣機盤間螺母裝配困難、效率低的問題，通過對裝配空間進行分析，總結出小直徑深盤腔結構的特點和限制參數，并確定限制裝配的主要原因。根據TRIZ時間分離原理，將螺母裝配分步進行，在每一階段選擇合適的方法，創造性的將鋼絲結構應用于螺母認帽。解決了小直徑深盤腔結構對于扳手尺寸的限制，同時解除了螺母安裝及擰緊操作對于單次扳擰角度的要求;大幅度提高裝配效率和人機性;并為其他狹小操作空間螺母的安裝提供了參考，具有一定指導意義。

關鍵詞：盤間螺母裝配;扳手;認帽;狹小裝配空間

1 緒論

航空發動機高壓壓氣機盤間連接螺母的裝配，通常依靠手持螺母深入盤腔內部進行配戴后，用普通扳手進行限力。隨著發動機性能要求越來越高，結構更加緊湊，進而減小了裝配可操作空間，具體表現為：盤腔深，盤心直徑及盤間距小，導致人手不可達，扳手難以進入操作位置，傳統工藝無法實現裝分操作。目前通過2套驅動接口角向位置相差30的C型扳手交替使用進行裝配，認帽成功率及擰緊效率極低。

本文以某型發動機盤間連接螺栓的操作空間進行分析，得到影響認帽操作的主要原因，并據此開展小直徑、深盤腔、人手不可達連接螺帽高效的認帽工藝研究，提高螺栓連接穩定性及裝分效率[1]-[3]。

2 結構特點及裝配性分析

壓氣機盤間螺栓的裝配問題，根本上是操作空間的問題。因此為確定導致該螺栓裝配困難的根本原因，首先對螺栓操作空間進行分析，以某型發動機盤間連接螺栓為例，如圖1所示，圖示各參數對裝配及扳手設計的影響見表1所示。

因此，小直徑深盤腔結構對扳手的限制為扳手尺寸緊湊導致的扳手安裝、扳擰角度和限力強度不足的問題。其中，扳手強度和安裝可通過合理選擇材料、熱處理、分體結構實現。傳統工藝無法使用的最主要原因，是盤心直徑與螺栓分布圓直徑比值小，導致的扳擰角度太小。

3 裝配工藝方案設計

3.1 方案選擇

為解決扳擰角度同時兼顧限力等問題，本研究將螺栓擰緊分為直接驅動與主從間接驅動，提出以下方案。

方案一：普通扳手

普通扳手設計靈活、結構簡單，完全可以滿足周向及徑向尺寸的要求。通過設計2套角向位置不同的扳手頭，也可以解決連續擰緊的問題，但需要在2個扳手之間進行高頻更換。當扳擰角度為25°時，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，可在小角度范圍內無限次往復旋轉。然而，經試驗驗證，棘輪扳手單次擰緊40°，當棘輪扳手反向旋轉時，由于螺紋配合角度小，尚未連接可靠沒有產生足夠的摩擦力，使得螺母隨棘輪反向旋轉即松開，棘輪無法起到反向止動的作用。其次，棘輪扳手承載能力比較低，一般不超過20N.m。

方案三：鋼絲傳動扳手

鋼絲扳手單次擰緊角度完全由鋼絲纏繞于大輪轂的圈數決定，不受扳擰角度影響。且質量輕、傳動比范圍大、結構靈活緊湊，當傳動精度要求不高時，結構將非常簡單，從動輪尺寸可非常小，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反向轉動擰緊角度后再使用，即將存在多次安裝的問題。

方案四：同步帶傳動扳手

同步帶輪可雙向任意角度旋轉，可滿足螺母配戴及扳擰角度要求;在嚴格的張緊力要求下，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，限制了同步帶寬導致承載能力受限;帶輪齒、擋圈及其固定結構使得徑向尺寸較大，將難以滿足軸向尺寸及扳手頭半徑的要求。

方案五：齒輪傳動扳手

齒輪傳動具備同步帶傳動的優點，且軸向厚度相同時，齒輪承載能力更強，結構尺寸更加靈活。然而，經計算，當承載40N.m的扭矩時，變位齒輪軸向及徑向尺寸已不可能同時滿足要求;且該結構通常需多級齒輪傳動，結構復雜，質量大，操作舒適性相對較低。因此，以上方案均不能很好的同時滿足所有要求。然而，考慮到5種工藝問題并不是貫穿整個螺栓裝配過程，螺母配戴與限力要求在時間上不存在交叉，無需同時滿足。因此，根據TRIZ時間分離原理，將螺栓擰緊以時間為變量分為三個階段：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。詳見方案六。

方案六：分步擰緊

根據各階段的主要工藝問題，選取最合適的扳手方案。則螺母配戴過程采用鋼絲傳動扳手;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 詳細方案設計

3.2.1 螺母配戴-鋼絲扳手

螺母配戴階段采用鋼絲傳動扳手，僅需將螺母穩定的配戴至螺栓上即可，無需繼續擰靠。鋼絲傳動設計的難點在于鋼絲的固定和預緊。為避免鋼絲相對線輪摩擦力不足以帶動線輪運動，保證其可以克服螺栓螺母間的作用力，帶動螺母旋轉，本結構通過鋼絲的拉力來實現從動輪的驅動，摒棄傳統的摩擦力作用形式。借用其拉力，則需將鋼絲的兩端分別固定在主動輪和從動輪上;并且為保證鋼絲始終在線輪鋼絲槽內運動，應使其具有一定的張緊力。本結構預借用細管截斷的方式將鋼絲固定在細管內，改變線輪中心矩實現鋼絲的張緊。鋼絲扳手結構如圖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，對標準棘輪扳手進行補加工。由于無須限力，僅需設計至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，特設計2套扳手，該扳手十二角扳手頭角向位置相差15°。則該2套扳手可使螺母實現任意角度的旋轉，但是效率極低。

4 方案驗證

以某型發動機3、4級盤間螺母裝配為例，經裝配現場試驗驗證，鋼絲扳手可以順利帶動螺母旋轉，完成螺母配戴，平均用時15S/個。棘輪扳手可以順利將螺母擰靠至安裝邊，平均用時20S/個;擰靠后在25°范圍內繼續擰緊60°，平均用時20S/個。考慮到扳手安裝時間，螺栓安裝平均用時7min/個，6h/48個。

5 結語

通過對某型號發動機某級高壓壓氣機螺栓操作空間進行分析，總結出小直徑深盤腔結構的特點和限制參數，確定裝配困難的主要原因。通過對不同方案進行分析和評價，確定采用分步擰緊的工藝方案，并創造性的將鋼絲結構應用于扳手設計中。

該工藝解決了小直徑深盤腔結構對于扳手尺寸的限制;解除了螺母安裝及擰緊操作對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;提高人機性，降低對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，具有一定指導意義。

參考文獻：

[1]馬英廠.發動機螺栓擰緊技術的研究[D].哈爾濱工程大學，2006.

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

[3]鄭勁松.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝與試驗研究[D].上海交通大學，2008.