拧紧工艺的螺栓连接结构预紧力变化规律...

来源:世展网 分类:紧固件行业资讯 2023-04-22 14:10 阅读:15781
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2025年苏州国际紧固件与技术展览会FASTENER TRADE SHOW SUZHOU

2025-10-22-10-24

距离179

导读

作者:罗 忠1,2,3 ,石宝龙1,2 ,张小霞1,2 ,吴法勇4 ( 1. 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819; 2. 东北大学 航空动力装备振动及控制教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819; 3. 东北大学 佛山研究生创新学院,广东 佛山 528312; 4. 中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 110015)

来源:《东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )》2023年3月

摘要:针对航空发动机装配过程中螺栓预紧力一致性差的问题,建立螺栓连接转子有限元模型,获得 螺栓在顺序拧紧和星形拧紧时预紧力的衰减规律和分布特点. 进行螺栓预紧力实验研究,分析了拧紧顺序及 拧紧速度对螺栓预紧力的影响,并揭示了预紧力随时间的衰减机理. 结果表明: 拧紧相邻螺栓会使预紧力大幅 衰减; 提高拧紧速度会使螺栓获得较大预紧力,使得连接结构更加稳定; 螺栓拧紧后预紧力会在短时间内大幅 衰减,衰减规律与扭矩幅值息息相关. 因此,在发动机装配中,严格控制螺栓拧紧工艺的同时,预紧力短时间内 的衰减不可忽视.    

    由北京艾法斯特公司研发的微型超声螺栓预紧力测量单元,只有中国象棋子大小,后称超声棋子(产品代号:iFAST-chessman-iot),如下图所示。超声棋子无须改变螺栓结构,可以本地精确测量螺栓预紧力(轴力)或伸长量(测量原理见下图),并将测量结果无线传输,可以应用于螺栓预紧力(轴力)的长期监测。

视频:实物演示

    视频:超声棋子测量螺栓预紧力的精度验证

    超声棋子的主要技术特点:

  • 体积小、lora无线传输:便于施工、免于走线;

  • 测量精度高、自带温度一体式探头:+-3%的预紧力测量误差范围;

  • 低功耗:休眠时微瓦级功率,一天测量3次,3-5年无须更换电池;

  • 工作温度范围:-40°C至85°C;

  • 开放协议:声时差、温度、回波波形等参数全面对客户开放,便于用户系统集成、校核报警。

    关于更多超声棋子的技术参数、使用场景和集成方案讨论,可联系:

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    螺栓连接是航空发动机中应用最广泛的连接 方式之一,诸如在涡轮、压气机等转子结构以及机 匣等静子结构中. 随着发动机推重比的逐代提升, 同时又要满足其高可靠性的要求,提高螺栓连接 结构稳定性变得愈发关键. 螺栓预紧后残余预紧 力的大小及分布特征是衡量连接结构稳健性的重 要指标,直接关系到发动机的装配性能及工作可 靠性,而螺栓拧紧顺序以及拧紧速度等拧紧工艺, 对螺栓残余预紧力具有重要影响. 因此,为保证螺 栓连接结构获得足够的残余预紧力,拧紧工艺的考虑以及预紧力的控制需要更加严格. 

    众多学者从预紧力控制方法、螺栓拧紧顺序、 预紧力损失方式以及工艺参数等方面,讨论了螺 栓预紧力的变化规律. 预紧力控制方法方面,Abid 等[1]建立了三维有限元螺栓法兰连接结构模型, 基于扭矩控制法和拉伸控制法,开发了一种预紧 力控制算法用于获取准确的目标预应力; Persson 等[2]针对单螺栓连接结构,通过实验分析了不同 预紧力控制方法下的夹紧力分散程度,得出分散 程度从高到低排序为扭矩法、转角法、屈服点控制 法. 螺栓拧紧顺序方面,Grzejda [3]分析了螺栓装 配顺序对非对称螺栓法兰连接结构螺栓装配过程 中和装配后的预紧力的影响; Khan 等[4]以垫圈法 兰连接三维有限元模型为对象,研究了受载荷作 用时,不同拧紧策略下连接结构的密封性和强度; 李小强等[5]研究了拧紧工艺对单螺栓预紧力变 化规律的影响,研究发现转角控制法、分步拧紧 法、较高的拧紧速度均可提高螺栓预紧力的一致 性. 预紧力损失方式方面,郑劲松[6]讨论了螺栓 拧紧工艺结构参数对缸盖螺栓预紧力不一致的影 响,并进一步完善了扭矩 - 转角拧紧工艺,大幅提 高了螺栓预紧力的一致性; Alkelani 等[7]基于螺 栓连接数学模型,结合实验研究了螺栓间距、紧固 件预紧水平和螺栓拧紧顺序等对弹性相互作用的 影响,导致预紧力分散的主要原因是弹性相互作 用. 工艺参数条件方面,杜永强等[8]通过实验研 究从螺纹接触面微观滑移和微磨损的角度分析了 螺栓连接结构的松动规律. Yu 等[9]基于三维有 限元仿真分析了螺栓连接结构在螺栓拧紧过程中 的载荷分布,并讨论了装配间隙、摩擦系数、螺距 以及弹性模量等对初始载荷的影响.

    综上可知,多数学者从理论研究和实验操作 方面对螺栓预紧力的扩散机理进行了初步探索, 但对于航空发动机转子螺栓预紧力一致性的研究 尚且不足,且大部分局限于螺栓剩余预紧力的分 析,没有对预紧力的衰减机理做出定量描述,导致 优化拧紧工艺时缺乏精准参考. 

    根据上述讨论,建立了螺栓连接转子结构有 限元仿真模型,研究螺栓在顺序拧紧和星形拧紧 时预紧力的衰减规律及残余预紧力的分布特点. 开展螺栓预紧力实验研究,获得了螺栓拧紧过程 中预紧力的衰减规律,并与有限元仿真结果对比, 然后研究了拧紧速度对预紧力的影响,最后分析 了预紧力随时间的衰减机理. 结果表明,在螺栓连 接结构的装配中,严格控制螺栓拧紧工艺的同时, 预紧力随时间的衰减也不可忽视.

1 螺栓残余预紧力仿真分析 

1. 1 基于 ANSYS 的螺栓连接转子有限元建模 

    基于 ANSYS 建立螺栓连接转子结构的有限 元模型如图 1 所示. 图 1a 为实验台转子系统,图 1b 为有限元模型及其主要结构尺寸,模型包括非 对称的左右转轴、周向分布的 24 颗螺栓以及由螺 栓连接的两个盘. 使用 SOLID185 单元模拟模型 的盘、螺栓及转轴等实体结构,使用 CONTA174 和 TARGE170 单元建立模型接触界面的接触关 系[10]. 边界条件设置为: 约束转轴左右端面上所 有节点的全部自由度. 转子结构尺寸参数和材料 参数如表 1 所示.

1. 2 拧紧顺序对预紧力变化规律的影响 

    在航空发动机转子系统进行装配时,涉及到 大量的螺栓 - 盘连接结构装配,由于发动机复杂 的结构特点,整个盘上的螺栓无法实现同时拧紧, 因而存在多种拧紧顺序,其中顺序拧紧和星形两 种拧紧顺序应用广泛,如图 2 所示,两种拧紧方式 的螺栓拧紧顺序均为 1 - 2 - … - 23 - 24,其中星 形拧紧的螺栓编号交叉分布.

    以图 1 转子结构为研究对象,通过有限元仿 真分析顺序拧紧和星形拧紧对螺栓残余预紧力的 影响. 为保证仿真结果的普适性,按预紧力大小分两种仿真工况: 工况 1,Fp = 1 000 N; 工况 2,Fp = 2 000 N. 随螺栓拧紧个数的增加,由于弹性相互 作用,后拧紧螺栓对已拧紧螺栓的预紧力存在一 定影响. 预紧力 Fp = 1 000 N 时,螺栓预紧力衰减 曲线与残余预紧力分布如图 3 所示. 以顺序拧紧 和星形拧紧为螺栓加载 1 000 N 预紧力时,前 3 颗 拧紧螺栓的预紧力随螺栓拧紧个数的变化如图 3a 和图 3b 所示. 不管哪种拧紧方式,随后续螺栓 的拧紧,被拧紧螺栓的预紧力整体大幅衰减,最主 要的衰减发生在拧紧相邻螺栓时,即如图 3a 所示 的顺序拧紧时,拧紧最后 1 颗螺栓对第 1 颗螺栓 预紧力的影响远大于第 2 颗和第 3 颗. 不同于顺 序拧紧,星形拧紧某些位置的螺栓时,前 3 颗螺栓 的预紧力随后续螺栓的拧紧会出现一定程度上的 增加. 全部螺栓完成拧紧时,2 种拧紧顺序下各螺 栓残余预紧力的分布曲线如图 3c 所示,其中星形 拧紧的残余预紧力分布曲线呈上下波动.

    预紧力 Fp = 2 000 N 时,螺栓预紧力衰减曲 线与残余预紧力分布如图 4 所示. 由图可知,Fp = 1 000 N 与 Fp = 2 000 N 时的结果几乎一致.

    Coria 等[11]得出星形拧紧时螺栓的残余预紧 力分布曲线在一定范围内呈上下波动. 出现这样 的现象是因为存在弹性相互作用的影响,星形拧 紧时最先拧紧的 8 棵螺栓受后续拧紧的 16 颗螺栓的影响最大,其预紧力衰减最多,接下来拧紧的 8 ~ 16 颗螺栓次之,先拧紧的螺栓均匀分布,使盘 均匀变形,结合面粗糙度和摩擦系数降低,最后拧 紧的 8 颗螺栓的预紧力几乎与目标预紧力一致. 

    为进一步分析所得残余预紧力特征,得到表 2 所示不同预紧力幅值下残余预紧力平均值 Fa、 预紧力衰减比 η 和残余预紧力标准差 Fst . 3 个特 征参数见式( 1) .

    由表 2 可知,顺序拧紧和星形拧紧的残余预 紧力平均值和预紧力衰减比相差无几,但顺序拧 紧的残余预紧力标准差远小于星形拧紧,随加载 预紧力的增加,两种拧紧顺序的残余预紧力标准 差几乎都在成倍增加. 

    单从特征参数来看,顺序拧紧时螺栓残余预 紧力分布更加均匀,对应的连接结构预紧效果更 好. 大量研究表明,星形拧紧时螺栓残余预紧力扩 散较小,无论从连接结构的应力状态还是残余预 紧力的角度分析,星形拧紧的连接性能更加优 越[12]. 结合图 3c 和图 4c 所得结果,对螺栓分布 较多的连接结构,星形拧紧时一部分螺栓的残余 预紧力值接近于加载值,且螺栓位置分布均匀,在 一定程度上能提高连接结构的性能.

2 拧紧工艺对预紧力的影响 

2. 1 拧紧顺序对预紧力衰减规律的影响 

    基于 ANSYS 仿真可以高效且较为准确地分 析螺栓预紧力的变化规律,但不能完全考虑真实 的环境条件,有必要从实验角度作进一步分析,同时验证仿真结果的准确性. 

    螺栓残余预紧力实验测试系统如图 5 所示, 控制器控制拧紧枪以扭矩的形式为盘外圈的螺栓 加载一定的预紧力,由测力传感器采集压力信号, 信号经过放大并转换为预紧力的形式显示.

    实验过程: 控制拧紧枪以 10 N·m 的扭矩按 顺序拧紧的方式装配螺栓,随螺栓逐个拧紧,采集 拧紧每颗螺栓时第 1 颗拧紧螺栓的预紧力值; 以 星形拧紧的方式装配螺栓,完成与顺序拧紧相同 的采集操作,两种拧紧方式的预紧力衰减曲线如 图 6 所示. 

    由图 6 可知,在拧紧与第 1 颗螺栓相近的螺 栓时,两种拧紧顺序下的第 1 颗螺栓预紧力都会 大幅衰减,且衰减位置与仿真时的相同. 不同于仿 真,除了拧紧第 1 颗螺栓附近的螺栓外,拧紧其他 位置的螺栓会使第 1 颗螺栓预紧力出现明显衰 减,如圈内曲线所示. 星形拧紧完成时预紧力衰减 了 260 N,远大于顺序拧紧时的 150 N. 这可能是 因为螺栓与被连接件受力发生弹塑性变形,使得 螺栓拧紧后预紧力在短时间内发生了自行衰减, 而顺序拧紧时第 2 颗拧紧的螺栓与第 1 颗相邻, 一定程度上阻止了预紧力随时间的衰减.

2. 2 拧紧速度对螺栓预紧力的影响 

    文献[13]提出,在螺栓拧紧时,由于接触面 并非光滑,拧紧时接触面的相对滑移会产生微观 磨损,使得接触面温度升高. 拧紧速度不同时,表 面磨损及表面温度均不同,表面摩擦系数会随之 改变,进而影响预紧力. 因此,研究拧紧速度对螺 栓预紧力的影响十分必要.

    基于图 5 所示的预紧力测试系统,以单螺栓 为研究 对 象,螺 栓 扭 矩 分 别 5 ,10 ,15 ,20, 25 N·m,拧紧速度分别为 20,40,60,80,100, 120 r/min,采集各扭矩在不同拧紧速度下的预紧 力,预紧力随拧紧速度的变化曲线如图 7 所示.

    由图 7 可知,整体上各扭矩下螺栓的预紧力 随拧紧速度的增加而增加,但在拧紧速度高于 80 r/min时,这种增加趋势不再明显,扭矩大时更 加无序. 

    由文献[5]可知,为螺栓施加扭矩进行拧紧 时,加载的扭矩 T 等于螺纹副摩擦力矩 T1、螺栓 与被连接件接触面间的端面摩擦力矩 T2 之和见 式( 2) :

式中: F0 为螺栓的预紧力; ψ 为螺纹升角; φ 为螺 纹副当量摩擦角; d0 为螺纹中径; μ 为螺母与被连 接件接触面间的摩擦因子; Dw 为螺母外径; d1 为螺孔直径.

    由式( 2) 可得:

式中: d 为螺纹公称直径; K 为扭矩系数.     由式( 3) 可知,当加载扭矩 T 不变时,F0 增 加,d 恒定,扭矩系数 K 随拧紧速度的增加而减 小. 扭矩系数 K 与接触面加工精度、表面温度等 有关,提高拧紧速度,会使接触面温度升高、磨损 加快,接触面趋于平整光滑,扭矩系数减小,进而 提高了连接结构的稳定性. 受限于工艺稳定性及 拧紧装置精度等技术要求,实际操作中拧紧速度 并非越高越好. 大扭矩下拧紧速度高于 80 r/min 时,预紧力的变化不明显.3 螺栓预紧力随时间衰减机理     由文献[14]可知,在实际操作中,螺栓完成 拧紧后预紧力会在一段时间内发生很大程度的降 低,造成获得的预紧力不足进而导致连接结构工 作性能的不稳定. 因此对于图 1 所示螺栓连接转 子结构而言,研究螺栓拧紧顺序对预紧力在短时 间内衰减机理的影响具有重要意义.     设定 30 N·m 拧紧扭矩,分别以顺序拧紧和 星形拧紧两种螺栓拧紧顺序,将图 5 中连接结构 的全部螺栓拧紧,在拧紧最后一颗螺栓的同时开 始检测该螺栓预紧力随时间的变化规律. 分别采 集最后 1 颗螺栓 0,10,30 s 及 1,2,…,10 min 时的预紧力,两种拧紧顺序下预紧力随时间的衰减 曲线如图 8 所示.     由图 8 可知,螺栓预紧力在拧紧后的 10 min 内发生了很大程度的衰减,其中最主要的衰减发 生在螺栓拧紧后的前 1 min; 螺栓在顺序拧紧时预 紧力 10 min 内衰减了 190 N,而星形拧紧只衰减 了 110 N. 在实际应用中,螺栓星形拧紧后预紧力 的扩散程度远小于顺序拧紧,相应的连接结构装 配性能更加稳定,如文献[12]所述,螺栓星形拧 紧时预紧效果更好.

    进一步研究各扭矩下螺栓预紧力随时间的衰 减情况. 以图 5 测试系统中的单螺栓为研究对象, 研究分别以 10 ,20 ,30 ,40 N·m 拧紧螺栓时预紧 力随时间的衰减规律,预紧力采集时间节点与上 述一致,不同扭矩下预紧力随时间的衰减曲线如 图 9 所示.

    不难发现,预紧力的衰减主要发生在前几分 钟,后几分钟螺栓预紧力基本趋于稳定; 同时各扭 矩下预紧力衰减规律基本一致,符合指数或幂函 数形式. 预紧力之所以衰减,是因为拧紧时螺栓与 被拧紧工件发生了弹塑性变形,微观组织产生了 位错、滑移等微观运动,同时接触表面微凸体受挤 压逐渐减小,导致预紧力发生衰减.     不同扭矩下螺栓的预紧力衰减比如表 3 所 示,可知,各扭矩下预紧力整体衰减比均在 1% 左 右,且随扭矩增加,衰减比小幅降低.

    不同扭矩下各时间段预紧力衰减数值占总衰 减值的比例如图 10 所示,前 5 min 预紧力衰减接 近 90% ; 前 10 s 内预紧力衰减占比约三分之二. 随扭矩增大,各阶段衰减占比略微提高. 扭矩为 40 N·m 时,前 5 min 的衰减比已达到 92. 3% ,结 合表 3 可推断,螺栓预紧力扩散程度随扭矩增加 而减小,扩散周期随扭矩增加而变短.

    综上所述,在航空发动机中的螺栓 - 盘连接 结构装配时,由于存在弹性相互作用,应尽量避免 先拧紧相邻螺栓而导致预紧力大幅衰减,适当增 加螺栓拧紧速度可以提高预紧力一致性; 采用星 形拧紧方式拧紧螺栓,并尽可能缩短螺栓装配时 间,可有效减少预紧力随时间的衰减.4 结 论 1) 以顺序拧紧和星形拧紧相邻螺栓时,螺栓 预紧力均会大幅衰减,不同预紧幅值下螺栓衰减规律以及残余预紧力分布几乎相同,顺序拧紧时 螺栓残余预紧力分布标准差小于星形拧紧. 2) 提高拧紧速度会使螺栓预紧力增加的同 时扭矩系数 K 减小,进而提高连接结构稳定性, 但在拧紧速度高于 80 r/min 时趋势不再明显. 3) 螺栓拧紧后预紧力会在短时间内发生明 显的衰减现象,螺栓拧紧后预紧力在前 10 s 内衰 减占比高达三分之二,而星形拧紧可大幅降低这 种衰减. 随扭矩增加,预紧力衰减程度减小,衰减 周期变短. 因此,采用星形拧紧的方式并施加较大 的拧紧力矩可有效降低螺栓预紧力随时间的 衰减.

在工厂紧固法兰螺栓的大熊猫(图片由AI生成)

Jason:请介绍一下GE公司航空发动机螺栓紧固的工艺,1000字。

ChatGPT: (仅供参考)

    GE航空发动机的紧固件工艺是发动机组装和维护的关键环节,确保发动机的安全和高效运行。该过程涉及使用各种类型的螺栓、螺母和垫圈来固定发动机组件,包括风扇、压气机、燃烧器、涡轮和附件模块等。技术人员使用扭力扳手和其他专用工具来将螺栓按照正确规格拧紧。

    在航空发动机中,紧固件工艺的关键挑战之一是确保螺栓被拧紧到正确的扭矩。拧紧不足的螺栓可能导致组件损坏或故障,而过紧的螺栓会导致组件应力和变形,降低发动机性能并可能带来安全问题。为了解决这个挑战,GE使用先进的扭矩测量和控制系统,确保螺栓被拧紧到规定的容差范围内。

    紧固件工艺的另一个重要方面是使用防锈剂和润滑剂。这些物质被涂在螺栓和螺母的螺纹和表面上,以防止腐蚀、卡住等各种损坏形式的发生。使用这些物质还可以使在维护和修理过程中更容易拆卸和更换螺栓。

    除了标准的紧固件技术,GE还使用高级技术,例如螺栓拉伸测量和激光辅助拧紧。螺栓拉伸测量涉及使用专用传感器来测量螺栓在拧紧过程中的伸长,这提供了更准确的螺栓张力指示,有助于确保螺栓按照正确规格拧紧。激光辅助拧紧则涉及使用激光实时监测螺栓的扭矩和张力,使技术人员可以根据需要进行调整,以确保螺栓被正确拧紧。

    GE航空发动机使用的螺栓通常是高强度钛合金制成的。这些螺栓需要经过严格的测试和认证,以确保其质量符合GE的要求。在组装过程中,技术人员使用扭力扳手和其他专用工具按照规定的扭矩值拧紧螺栓。在拧紧螺栓之前,需要在螺栓和螺母表面上涂上防锈剂和润滑剂,以确保其在拧紧过程中不会受到损坏或卡住。润滑剂通常是一种特殊的合成液体,具有耐高温、抗腐蚀和防锈等特性。

    为了确保螺栓被正确地拧紧,GE使用了各种高级技术和工具。例如,他们使用螺栓拉伸测量仪器,该仪器可以测量螺栓在拧紧过程中的伸长,从而提供更准确的螺栓张力指示。此外,他们还使用激光辅助拧紧技术,该技术可以通过实时监测螺栓的扭矩和张力来确保螺栓被正确地拧紧。这些高级技术和工具使GE能够在紧固件工艺方面达到最高水平,确保其发动机的性能和安全性。

    总的来说,GE航空发动机的紧固件工艺是一个高度技术化和关键的领域。在整个组装和维护过程中,使用各种专业工具和技术来确保螺栓被正确地拧紧,并使用润滑剂和防锈剂来保护螺栓和螺母免受损坏和腐蚀。通过采用先进的技术和工具,GE能够确保其发动机的高性能和可靠性。

参考文献: 

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来源:智能紧固件及紧固工具

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