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弹性螺栓的应用与研究

作者:admin来源:本网 日期:2017-6-28 14:14:26 人气: 标签:

  在航空发动机设计过程中,由于结构、使用和维修等原因,相当多的零、组件需要彼此连接。因此,用于把两个或两个以上的零、组件连接成一个整体的紧固件是发动机设计中不可缺少的基础元件。由于航空发动机工作环境特殊,其所用的紧固连接件必须有良好的可靠性和足够的寿命,才能够经得起苛刻的环境条件和载荷变化的考验,确保飞机安全、高效飞行。

  近年来,随着航空航天技术的高速发展,对外合作交流的增多,国外不少新的连接结构及成型、强化等理论己被引进并应用,紧固件连接技术发展迅速。但由于国内加工条件、工艺水平的限制,很多新型紧固件的应用并不广泛,且多数要到国外购买。直到近几年,专业化生产不断强化,新材料、新工艺不断被采用,紧固件的制造水平才大幅度提高,新型紧固件的设计和应用得以更加广泛和多样化。

  螺纹连接件是紧固件中最重要的类型,螺纹连接的可靠性至关重要。螺栓连接构造简单,安装方便,应用极为广泛。

  对于承受变载荷和冲击载荷的螺栓,我们采用了柔性结构弹性螺栓,并在选材、结构、加工工艺等方面加以改进和优化,从而改善螺栓受力状况,以适应被连接件的不同结构、材料特性以及复杂的受力要求。本文从合理选材、改进结构、表面强化等方面详细阐述了弹性螺栓提高疲劳强度的措施。

  1弹性螺栓的基本形式及材料弹性螺栓是一种缩径杆型疲劳螺栓,杆部横截面积约为螺纹芯部面积的9C%,螺杆柔性大,能改善螺栓受力状况,提高疲劳性能。弹性螺栓不仅能减小温度对螺栓强度的影响,也适用于承受较大交变载荷、振动大的部位,其结构、形式见紧固件虽然尺寸简单,但冶金质量、疲劳性能不容忽视。

  合理选材是我们设计高可靠性连接螺栓的主要措施之一。

  近年来,紧固件的选材逐渐向高热、高强方向发展,牌号为GH2132的高温合金作为一种耐热不锈钢己被广泛采用,其特点是在650C以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度,具有较好的加工塑性。优质(YZ)GH2132高温合金,是在GH2132基础上提高合金纯洁度,调整热处理制度,从而使合金的热强性和长期使用性能提高。笔者设计的弹性螺栓选用(YZ)GH2132材料,经反复试验试车考核,性能优良,满足设计需要。

  2弹性螺栓结构的优越性除优选材料外,我们还通过优化弹性螺栓结构、应用表面强化的工艺手段等方法有效提高螺栓的疲劳强度,具体措施:十二角螺栓头部径向尺寸较小,可有效减小安装边宽度。在安装时能可靠地夹住并施加较大的力矩,装拆方士研究生。

  便,使用十二角套筒扳手所需安装空间也较小,这样能使发动机结构紧凑,有效减轻重量。

  螺栓头部镦制成型,金属流线合理,疲劳强度高,见头部端面的减轻孔不仅可减轻重量,对头部镦制成型工艺也是十分有利的。

  镦制螺栓头部流线十二角螺栓头部径向尺寸较小对减小螺栓所受附加弯曲应力有利,因而可大大提高螺纹连接的疲劳强度。

  虽然我们在设计中对螺栓头部支承面对光杆轴线跳动量己作从严要求,但在制造和安装时,仍可能造成螺栓头与螺杆不垂直,引起偏心弯矩,附加弯曲应力对螺栓疲劳断裂的最初裂纹的形成有重要影响。较小的螺栓头外径可减小附加弯曲应力,大大降低轴向最大拉应力,相应地提高螺栓连接的疲劳强度。

  2头下圆角及支承面由于头部支承面与光杆转接处是应力突变区此处也是螺栓的薄弱环节之一,除适当增大头下转接圆角外,还必须对圆角进行热处理后的冷滚加工,以表面强化的方式提高转接处的疲劳强度。

  ⑵弹性螺栓头下支承面表面质量要求高,可减小螺栓预紧时因局部应力增加而造成的变形,降低螺栓承受的偏心载荷。

  3柔性杆部弹性螺栓光杆直径的减小,缩减了螺纹收尾到光杆处剖面的变化,有效缓解了螺纹收尾处的应力集中,从而提高了螺栓的静强度和疲劳强度。

  降低温度对疲劳强度的影响发动机为了减轻重量,提高推重比,往往会采用大量的铝、镁合金等轻型材料。当螺栓和连接安装边的材料不同,特别是两种材料线膨胀系数差别较大时,会产生热膨胀差,导致螺栓负荷增加,发生疲劳损坏。如使用弹性螺栓,螺栓的柔性增大,在弹性范围内由于不同的膨胀而产生的负荷变化减小了,从而使从螺母支承面算起的第一、二扣薄弱螺纹处能安全适应,有效提高螺纹连接强度。

  减小交变载荷的应力幅当工作拉力在0~F之间变化时,螺栓拉力在Qp ~Q之间变化,螺栓所受的拉力变幅为F见螺栓应力水平一定时,影响零件疲劳强度的主要因素是应力幅,应力幅越小,疲劳强度越高。

  当工作拉力和剩余预紧力大小一定时,减小螺栓刚度或提高被连接件刚度,都能达到减小螺栓拉力幅,因而减小螺应力为:螺栓总拉力Q可表示为:Qp螺栓所受预紧力Ch螺栓拉伸刚度Cm被连接件压缩刚度F螺栓工作拉力假定螺栓危险剖面直径为‘则螺栓危险剖面的最大拉最小拉应力为:由式(1)(2)(3)可得应力幅为:由式(4)可知,减小螺栓刚度或提高被连接件刚度,都能达到减小螺栓应力幅,提高疲劳强度的目的。

  4强化螺纹减轻应力集中采用大圆弧底的M加强螺纹,提高螺纹疲劳强度螺栓螺纹在热处理后一次滚压成型滚制螺纹比切削螺纹疲劳性能好,这是因为:滚压螺纹时,在螺纹表面特别是螺纹牙底形成了表层的残余压应力,当零件在外载作用下,螺栓表面的残余应力与外界交变应力中的拉应力相互抵消使实际承受的拉应力降低,从而降低了零件的实际应力水平。此外压应力区比拉应力区使金属原子间滑移困难从而提高了螺栓的疲劳寿命。

  螺纹表面的冷作硬化加强了表面层对变形和断裂的抵抗力。

  有更好的表面完整性,提高了螺纹的表面质量,减少了应力集中。

  避免了脱碳对强度的影响。

  滚压螺纹后再进行热处理,会产生应力释放,从而丧失滚压螺纹的好处。实践证明,热处理后滚压螺纹可获得再生压应力的全部好处,比热处理前滚螺纹其抗拉疲劳性能可提高5~8倍。

  弹性螺栓是一种外形减轻,并能有效提高疲劳强度的螺栓结构。使用弹性螺栓能减小温度及振动对螺栓强度的影响,适用于连接两种材料线膨胀系数差别较大的部位,也适用于承受较大交变载荷,振动大的部位。另外,现代飞机因紧固件减轻重量带来的经济效果己远远超出其因制造加工带来的成本的增加。因此,弹性螺栓有着广阔的发展前景。

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