航发低压涡轮轴盘连接预紧力精确控制研究

摘要

适量且均匀的螺栓预紧力对航空低压涡轮转子结构服役性能有至关重要的影响。本文研究了工具输入的离散性、弹性相互作用及短期松弛作用在拧紧过程中的作用机理和规律，在此基础上优化航空低压涡轮转子结构拧紧工艺方案，通过高精度、自动化拧紧设备，验证了优化的工艺方案。本文的主要工作和结论如下： 1)针对航发低压涡轮转子连接的螺栓和螺母进行单螺栓拧紧工艺实验，得到螺栓拧紧过程的性能曲线，包括扭矩/转角关系、扭矩/预紧力关系、转角/预紧力关系，根据此组曲线的统计特性确定螺纹连接在弹性区间内扭矩法及扭矩转角法的关键点，研究发现扭矩转角法控制预紧力的离散度要优于扭矩控制法，并确定了扭矩转角法的相关工艺参数。 2)通过原理性实验研究了弹性相互作用的作用规律，根据作用机理将其分为弹性相互正作用和弹性相互负作用。研究发现负作用只作用于相邻螺栓，对隔位螺栓影响很小，可以忽略；拧紧隔位螺栓会对已拧紧螺栓起到正作用，拧紧对位螺栓影响最大，在螺栓组装配过程中，由于不同拧紧顺序、拧紧步数及拧紧步长，导致每个螺栓受到正、负作用次数及大小不同，会使螺栓预紧力分布不均。并在此基础上，实验验证了能够降低正、负作用影响的工艺方案。 3)针对航发低压涡轮转子连接的螺栓和螺母进行在不同初始载荷下，预紧力随时间的变化。研究发现：在不同初始载荷下螺栓的预紧力随时间逐渐减小,初期减小较快,随时间增长越来越慢,最后趋近于某一固定值；试件在不同初应力下，初应力越大，应力松弛量也越大，且在松弛初期预紧力减少量所在比重较大。结合实验数据拟合了描述松弛规律的函数关系，并对相关拧紧工艺参数进行修正。 4)根据前述研究设计了考虑工具输入的离散性、弹性相互作用及短期松弛的航空低压涡轮转子结构拧紧过程优化方案。 5)建立了航空低压涡轮转子结构自动化紧固实验平台，能够完成结构的定位、夹紧、自动化装配过程，对优化预紧施工方案进行效果评估,对比发现,优化方案中各轮螺栓平均载荷均高于目标载荷,并能够保持较低的螺栓载荷离散度,因此会产生更加均匀且足值的应力分布，为实现智能化拧紧提供基础。

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