连载一 │ 拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响- 大数跨境

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连载一 │ 拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响

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2021-01-11

导读：航空紧固好文，速来！

前言

紧固技术好文分享

作为紧固连接知识的勤劳搬运工，兹懋也会将一些优秀的技术文章分享给大家。“大飞机”作为国家重点攻关项目，在紧固件方面也有不少难点需要攻克。

本文专门研究了《拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响》，非常值得一读，小兹在此与大家分享，分4期连载，每期连载的最后都会附上兹懋专业的点评，欢迎品鉴交流。

本文原作者及发表期刊

拧紧策略对航空发动机重要性

航空发动机中存在大量采用螺栓连接的装配结构，如发动机静子机匣、压气机转子、涡轮转子等。螺栓预紧力的大小及一致性会影响发动机结构系统性能稳健性。比如人工通过扭矩扳手采用单一扭矩法进行拧紧操作，螺栓的预紧力偏差能达到 25%～50%，导致转子同心度超差、机匣径向刚度不对称、同一装配工艺下装配质量不稳定等问题。随着发动机转速与推重比逐代提升，使得螺栓连接结构对整机性能与稳定性的影响越来越大，所以对螺栓连接预紧力控制也需要更为精准和严格拧紧策略具体涉及拧紧控制方法、工艺参数等方面，拧紧策略对螺栓连接预紧力具有重要影响。

然而，大多数学者集中于装配结合面的摩擦力学状态对预紧力的影响规律研究。对于拧紧控制方法的研究，初步探索了不同拧紧控制方法、工艺参数条件下螺栓预紧力的变化规律。但针对航空发动机螺栓连接的研究较少，且没有定量地给出不同拧紧控制方法对装配质量的影响关系，对于螺栓拧紧后的预紧力衰减，没有定量给出衰减规律。并且所研究的螺栓连接结构类型主要是连杆、薄壁壳体和缸盖，材料主要是碳钢、铝和高强度合金钢。在被连接件厚度、连接结构类型、螺栓孔径及材料等方面均与航空发动机有较大差异，所得结果并不能应用于航空发动机的螺栓连接。

本文在钛合金单螺栓连接工艺实验系统的基础上，分别对单螺栓连接扭矩法和扭矩-转角法拧紧进行了工艺研究并进行对比分析；同时研究分步拧紧和拧紧速度对预紧力的影响；并在扭矩法拧紧条件下，分析单螺栓连接结构和法兰结构单个螺栓的预紧力短时衰减规律，为后续工艺补偿提供参考依据。

实验

实验件设计

单螺栓连接工艺实验结构设计如下图所示，该结构由钛合金螺栓/螺母连接件和两块钛板组成。为保证实验结果具有一定参考价值，在钛板厚度、螺栓孔径及材料等方面均对航空发动机的实际情况进行了合理参考。

单螺栓连接实验件结构图

螺栓选用 TC4 钛合金六角头全螺纹螺栓，规格为 M8，螺栓长度为 50 mm，性能等级为 1 100 MPa；螺母选用钛合金 1 型六角螺母，规格为 M8。钛板厚度为 5 mm，上下结合面平面度 0.015，平行度0.01，粗糙度根据不同工艺实验要求而变化，范围是 Ra0.4～Ra3.2。

自动拧紧系统

拧紧工具可分为手动拧紧工具和自动拧紧工具，自动拧紧工具根据不同的动力驱动方式分为气动、液压和电动工具。手动拧紧工具较为常见的是扭矩扳手，也是目前航空发动机装配中最常用的拧紧工具；自动拧紧工具由于成本较高，通常被用在一些对紧固质量、装配效率要求较高的场合，本文研究中，为实现拧紧工艺参数高度可控，满足扭矩-转角法对拧紧扭矩和转角同时精确检测的要求，使用了专业拧紧装配工具系统。

预紧力检测系统

目前，预紧力检测方法可以大致分为标定法、应变法、光纤法和超声波测量法四种。其中超声波法通过测量螺栓受力前后超声波在螺栓杆中的声时差，与标定值对比得到预紧力，该方法具有操作简单，精度高等优点。综合考虑精度、成本等因素，本论文采用了超声预紧力测量方法，选用 iFast 超声预紧力测试系统，该系统的性能指标如表 1 所示。

点评

1、螺栓连接在各行各业的应用中还是存在一定的差别。

2、该试验通过研究单螺栓连接的扭矩法拧紧和扭矩转角法拧紧中转速，分步拧紧对预紧力的影响和预紧力衰减的影响，然后，扩展到螺栓组连接，分析不同的拧紧工艺对预紧力衰减的影响。

3、该试验所用的拧紧试验机和超声波螺栓轴力测试系统，兹懋可提供全套设备及完整解决方案——拧紧装配及超声波轴力测量一体机。

500Nm拧紧装配及超声波轴力测量系统

如对本文感兴趣，可以添加小编企业微信，获取原文。预知试验结果敬请关注本公众号推出的下一期连载。

关于兹懋

作为德国领先紧固技术在中国的代言人，旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备，以及紧固连接全寿命周期的解决方案，并定期举办专业的紧固培训研讨会，深受业内好评。

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