Методы сборки конструкций газотурбинных двигателей

1

Методы сборки конструкций газотурбинных двигателей

1. Виды соединений и сопряжений конструкций газотурбинных двигателей

Технологический процесс сборки представляет собой процесс соединения взаимно ориентируемых составных частей изделия, осуществляемый в определенной последовательности заданными методами.

В качестве составных частей специфицированного изделия в сборке участвуют детали и сборочные единицы.

Детали - изделия, изготавливаемые из однородного материала без применения сборочных операций (лопатки, валы, зубчатые колеса). Сборочные единицы - изделия, составные части которых соединяются на предприятии - изготовителе путем свинчивания, сварки, запрессовки, развальцовки и других сборочных операций. Сборочными единицами являются ДЛА в целом и их части - роторы, сопловые аппараты, камеры сгорания, редукторы и др.

В литературе по технологии машиностроения и в ряде ГОСТов в составе изделия выделяют также агрегаты, узлы и покупные изделия. К агрегатам относятся сборочные единицы, отличающиеся автономностью - возможностью работы вне данного изделия, а также возможностью их сборки независимо от других составных частей изделия и полной взаимозаменяемостью (агрегаты питания, регулирования, запуска). Узлами называют сборочные единицы на отдельных законченных n - этапах процесса их сборки. Узлы, как правило, могут выполнять определенную функцию в изделиях одного назначения и только совместно с другими составными частями. К покупным относятся изделия, не изготавливаемые на данном предприятии, а получаемые в готовом виде (шариковые и роликовые подшипники, электрогенераторы), за исключением поставляемых в порядке кооперирования.

В зависимости от степени отработки конструкции на технологичность в составе однотипных изделий может быть различное число сборочных единиц, которые отличаются тем свойством, что собираются, проверяются и испытываются независимо от других составных частей и участвуют в дальнейшей сборке изделия как самостоятельное целое. Наличие таких сборочных единиц и узлов (называемых конструктивно-технологическими в отличие от конструктивных, выделяемых обычно только по функциональному признаку, без учета технологических свойств) служит характеристикой технологичности конструкции изделия в целом, позволяет повысить производительность общей сборки, сократить сроки ремонта.

Методы, применяемые в процессе сборки, зависят от типов соединений, заложенных в конструкции изделия (резьбовое, сварное, прессовое и др.). Типы соединений ограничены, но сочетание их и деталей разной конструкции позволяет получить сборочные единицы любого вида и назначения. Изучив технологические особенности, последовательность и методы осуществления отдельных типов соединений, можно уяснить процесс сборки любого изделия в целом и разработать процесс для вновь проектируемого объекта.

Наиболее часто встречающиеся типы соединений показаны на схеме (рис.1). Все соединения делятся на подвижные и неподвижные, а последние в свою очередь - на разъемные и неразъемные. Под неразъемными подразумеваются такие соединения, разборка которых сопровождается разрушением материала деталей и их связей. Но к неразъемным не относятся соединения, которые не подвергаются разборке во избежание нарушения заданной посадки (например, тугой посадки резьбовых деталей).

1

Рис.1. Типы соединений

2. Сборка неподвижных разъемных соединений. Резьбовые соединения. Требования к ним. Выбор оптимального усилия затяжки. Методы контроля силы затяжки. Контроль силы затяжки по деформации (удлиненного) болта или шпильки; по контрольному штифту и тарированной шайбе

Резьбовые соединения являются наиболее распространенным видом неподвижных разъемных соединений составных частей изделий. В современных ДЛА, главным образом газотурбинных, насчитывается до нескольких тысяч резьбовых деталей, среди которых имеются ответственные болты и шпильки, определяющие надежность работы двигателя в целом.

Независимо от вида посадок неподвижные резьбовые соединения должны отвечать следующим основным требованиям.

1. Стык деталей, скрепляемых при помощи резьбового соединения, должен сохранять плотность под действием рабочих нагрузок.

2. Элементы резьбового соединения при наличии переменных нагрузок должны обладать достаточной выносливостью.

3. Стык деталей должен быть герметичным.

4. Элементы резьбового соединения не должны произвольно ослабляться.

Выполнение этих требований достигается путем проведения конструктивных и технологических мероприятий. Важнейшим технологическим мероприятием является оптимальная затяжка резьбового соединения при сборке, т.е. создание определенных упругих растягивающих напряжений в болте и сжимающих в сопрягаемых деталях до приложения внешней (рабочей) нагрузки.

Рассмотрим простейшие резьбовые соединения в стадиях последовательного нагружения. Предположим, что, затягивая гайку, создают силу затяжки , тогда болт растянется на величину , сопрягаемые детали сожмутся на величину .

Напряжение при затяжке не превышает предела пропорциональности, поетому диаграммы усилие - деформация изобразятся прямыми линиями. Углы наклона линий характеризуют податливость напряженных детелей резьбового соединения:

; ,

где , - коэффициенты податливости соответственно болта и стяниваемых деталей.

Предположим теперь, что на систему, находящуюся в упругом состоянии, будет действовать некоторая внешняя нагрузка (например, сила инерции или давления газа), разъединяющая стык. Тогда болт дополнительно удлинится на величину , а стык разожмется на ту же величину, и деформация деталей будет равна . В этом случае сила, нагружающая болт, увеличится и будет равна , а сила, сжимающая детали, уменьшится и будет равна . Соотношение сил и деформаций приведено на рис.2, полученном из рис.1 путем совмещения точек А и Б.

Значение известно из технологической характеристики машины, и в задачу технолога входит определение потребной силы затяжки. Из рис.2 следует,что деформация

,

или принимая во внимание выражения для коэффициетов податливости и ,

,

Рис. 1. Диаграммы деформаций Рис. 2. Совмещенная диаграмма

болта и стягиваемых деталей деформаций болта и стягиваемвх деталей

под нагрузкой

но , следовательно, расчетное усилие затяжки , обеспечивающее условие неразмыкания стыка и сохранения в нем некоторого натяга при действии внешней нагрузки, будет равно

. (1)

Остаточное усилие в стыке для соединений различной конструкции принимают обычно равным: (0,3…0,8) - для постоянных нагрузок; (1,2…2,4) - для переменных нагрузок. Для обеспечения герметичности соединений в зависимости от рода прокладок .

В условиях значительных переменных нагрузок, свойственных резьбовым соединениям ДЛА, решающее значение приобретает повышение усталостной прочности болтов. В этих условиях раскрытие стыка при недостаточной затяжке приводит к появлению дополнительных напряжений ударного характера и, как следствие, к резкому снижению долговечности элементов соединения. Причем разрушение болтов происходит тем быстре, чем больше амплитуда колебания напряжения, т.е. чем больше переменная составлящая , действующая на болт. Поэтому стремятся не только не допустить раскрытия стыка и роста амплитуды , но принимают меры для уменьшения при сохранении плотного стыка.

Из рис.3 . Подставив значение из формулы (1) получим

(2)

или , где

принято называть коэффициентом основной нагрузки.

Рис. 3. Изменение усилия в болте под рабочей нагрузкой

Рис. 4. Увеличение переменной составляющей при слабой затяжке и раскрытии стыка

Известны и широко применяются конструктывные приемы усталостной прочности болтов. Из формулы (2) видно, что с уменьшением податливости деталей и увеличением податливости болтов переменная составляющая уменьшается. Поэтому при конструировании резьбовых соединений стремятся соблюдать правило: «жесткие детали, податливые болты». Влияние коэффициента податливости на величину графически показана на рис.5.

В выражении (2) усилие затяжки отсутствует. Но косвенным образом величина затяжки оказывает существенное влияние на составляющую и при плотном стыке. Для групповых фланцевых соединений это связано главным образом с наличием упругой изгибной деформации фланцев и податливостью стыков. При снижении , как и рост внешней нагрузки вызывают увеличение составляющей (рис.6).

Таким образом, с точки зрения повышения выносливости соединений желательно максимальное повышение напряжения затяжки (например, до уровня, близкого к ). Но учитывая возможность перегрузок на нерасчетных режимах двигателя, а также извесное несовершенство методов затяжки, которые пока не позволяют выдерживать наивыгоднейшие напряжения в узких пределах допуска, во избежание пластических деформаций напряжения затяжки болтов принимают равным .

Рис. 5. Влияние податливости болтов на велисину переменной составляющей

Рис. 6 . Зависимость составляющей от внешней нагрузки при различных усилиях затяжки :

1-6 кН; 2-12 кН; 3-18 кН; 4-46,5 кН; .

Из вышесказанного следует, что при сборке должно быть обеспечено оптимальное для данного резьбового соединения усилие затяжки. В машиностоении применяется в основном пять методов, позволяющих контролировать заданное усилие затяжки по следующим параметрам: по крутящему моменту; по углу поворота гайки; по удлинению болта; по удлинению относительно контрольного штифта; по деформации торированной шайбы. Положительные результаты в отношении точности дает комбинация первого и второго методов.

При первом методе затяжки - по крутящему моменту - к гайке прикладывается такой крутящий момент, который создает в болте заданное усилие затяжки. Для этой цели применяются придельные ключи, ГОСТ 7068-54, отлигулированные на определенный крутящий момент, а также динамометрические, снабженные динамометром, позволяющим регистрировать крутящий момент в прицессе затяжки.

Подсчет момента на ключе , соответствующего заданной силе затяжки , производится исходя из усилия, что он расходуется на преодоление моментов от сил трения по торцу гайки и момента в резьбе .

Крутящий момент трения по торцу можно вычислить по формуле

,

где - коэффициент трения по торцу гайки;

- радиус трения кольцевой опорной поверхности гайки, равный для плоского торца

;

- диаметр опорной поверхности, в мм;

- диаметр отверстия под болт, мм.

Момент в резьбе определяется по формуле

,

где - средний размер резьбы, мм;

- угол подъема резьбового витка с шагом S,

;

- приведенны угол трения, ;

- приведенный коэффициент трения в резьбе, учитывающий угол профиля резьбы (для метрической резьбы ),

;

- коэффициент трения в прямоугольной резьбе, обычно .

Следовательно момент на ключе

.

В идеальном случае () момент на ключе равен . Этот момент, характеризующий полезную работу затяжки, обычно составляет , т.е. основная часть момента на ключе расходуется на преодоление трения.

Для предварительной оценки крутящего момента пользуются приближженым значением , где - наружный диаметр резьбы, мм.

Этот метод затяжки производителен, прост в выполнени, легко поддается механизации, благодаря чему получил широкое распостранение. чему получил широкое распостранение. Но он не всегда обеспечивает высокую точность затяжки, т.к. коэффициенты трения, входящие в расчетную формулу, могут колебаться в широких приделах (от 0,05 до 0,4 и более) в зависимости от рода материала, шероховатости поверхностей, смазки, вида покрытий, числа затяжек, скорости завинчивания и т.д. В результате для одноименных резьбовых пар действительное значение усилия затяжки может отклонятся на 16%, а внекоторых случаях на 30%.

Стабилизация и снижение клэффициентов трения достигается применением покрытий (кадмирования, омеднения) и смазки (графитовой или двусернистого молибдена). Для повышения точности расчетов следует пользоваться экспериментальными данными о коэффициентах трения, полученными с учетом влияния различных факторов. При отсутствии данных для конкретных соединений рекомендуется экспериментально определять коэффициенты трения и момент на ключе, используя лля этой цели методику и осастку, разработанную И.Г.Старостиным, а также универсальный силоизмеритель, разработанный М.А.Щуренко.

Крутящий момент как косвенный параметр используется также для оценки качества сборки тугих резьбовых соединений (в основном при посадке шпилек в корпусы).

Второй метод затяжки - по углу поворота гайки - состоит в том, что гайку завертывают от руки до упора в деталь, а затем поворачивают ключем на угол, который рассчитывается в зависимости от заданного усили затяжки и коэффициентов податливости болта и деталей. Для отсчета угла поворота пользуются градуированным диском и стрелкой, закрепляемой на ключе.

Угол поворота гайки (в градусах) для осуществления заданой силы затяжки расчитывается по формуле

,

где - шаг резьбы, мм;

,- соответственно дляна болта и тощина фланцев стягиваемых деталей, мм;

,- соответственно площади сечения болта и стягиваемых деталей, мм;

,- соответственно модули упругости материала болта и стягиваемых деталей, МПа.

Расчетная длина болта принимается обычно равной толщине деталей, а для коротких болтов () с учетом длинны свинчивания , где - высота гайки. Однако это последнее уточнение является недостаточным, поскольку оно не учитывает коэффициента податливости резьбы.

Определение для деталей типа втулок с наружным диаметром, близким к диаметру торца гайки , затруднений не вызывает. В общем случае для фланцевых резьбовых соединений расчет ведется с существенными допущениями.

Исходя из того, что деформация от усилия затяжки захватывает «конус давления», образующая которого составляет с осью болта угол (), а диаметр меньшего основания равен диаметру опорного торца гайки. Для упрощения конус условно заменяется полым цилиндром с диаметром , и площадь сечения его принимается в качестве расчетной площади.

,

где - высота «конуса давления», обычно равное толщине детали.

Преимуществом метода затяжки в углу поворота по сравнению с методом затяжки по крутящему моменту является отсутствие в ращетных формулах коэффициентов трения, которые, как уже отмечено, в следствие нестабильности снижают точность расчетов. Кроме того, этот метод не требует сравнительно дорогих специальных ключей. Но метод не достаточно точен, что объясняется, прежде всего, погрешностями субъективного характера, выражающимися в нестабильности завертывания гайки от руки «до упора» в поверхность детали, и, во-вторых, погрешностями, связанными с нелинейностью деформации болта в начальный период затяжки на расчетный угол. В этот период происходит смятие широховатостей, упругая деформация элементов резьбовых витков и другие явления, в результате которых удлинение по закону пропорциональности начинается лишь после поворота гайки от положения «упора» на некоторы угол , который назовем исходным.

Точность метода снижается также из-за допущений при подсчете коэффициентов податливости и . Так как погрешности, связанные с этими допущениями, увеличиваются с уменьшением длины болта, то метод не может быть рекомендован для затяжки коротких болтов с . Точность усилия затяжки по углу поворота не более 22%.

Повышения точности затяжки можно достичь:

увеличением стабильности завертывания гайки «до упора»;

уточнением расчетов путем учета податливости резьбы и головки болта, податливости изгибов и шероховатости по стыку делалей. С целью уменьшения влияния на затяжку упругопластических деформаций поверхностей стыка рекомендуется двух-трехкратное предварительно обжатие деталей под нагрузкой, близкой к расчетной;

внесением поправки на исходный угол , который для ряда соединений составляет менее 25-30% от .

Исходный угол определяется для заданного типа соединения на основании экспериментальной зависимости (рис.7). Предполагается, что в опытах положения гайки «до упора» обеспечивается стабильно. Продолжив прамолинейный участок полученного графика до пересичения с осью абцисс (штриховая линия), получим отрезок, в пределах которого закон пропорциональности отсутствует и который характеризует искомый угол . Тогда угол затяжки с учетом поправки будет равен .

Рис. 7. Определение исходного угла затяжки

Экспериментальное определение угла вполне осуществимо в обычных производственных условиях, его следует рекомендовать при назначении данного метода для ответственных резьбовых соединений.

Третий метод затяжки - по удлинению болта - основан на измерении удлинения болта под действием усилия затяжки. Контроль удлинения осуществляется обычно индикаторными приспособлениями или микрометрами. Связь между усилиями затяжки и удлинением болта, имеющего одинаковое сечение, выражается известной зависимостью

.

Для болта переменного сечения учитывается податливость на отдельных участках , и для участков удлинение

.

В отличие от предыдущих методов погрешности расчетных параметров здесь весьма малы и связаны лишь с подсчетом коэффициентов податливости болта. Для повышения точности затяжки коротких болтов рекомендуется, как и в предыдущем случае, учитывать податливость на длине свинчивания и головки болта или вносить поправку на длину болта.

Метод является наиболее точным и им пользуются при затяжке наиболее ответственных резьбовых соединений ДЛА. Применение метода иногда ограничивается трудностью контроля удлинения в собранном объекте или отсутствием надежных измерительных баз.

Четвертый метод - по удлинению отностительно контрольного штифта - в сущности не отличается от предыдущего (расчетное уравнение остается тем же), предусматривает контроль удлинения болта относительно базы, принадлежащей закрепленному внутри болта контрольному штифту, длинна которого остается неизменной. В данном случае конструкция болта усложняется, но упрощается операция измерения и иногда имеется возможность контроля затяжки во время работы машины. Метод оправдан для более ответственных болтов сравнительно больших размеров.

Пятый метод - по деформации тарированной шайбы - состоит в том, что заданное усилие затяжки домтигается за счет пластической диформации тарированой шайбы одноразового применения. В некоторых соединениях помимо тарированой и двух обычных шайб имеется вспомагательная шайба, толщина которой меньше тарированой на величину , сответсвующую величине пластической деформации тарированной шайбы под действием усилия, равного . Деформация легко регистрируется в ходе затяжки по прекращению проварачивания вспомагательной шайбы.

Комбинированный способ затяжки совмещает положительные свойства первого и второго методов и включает два этапа. В начале производится неполная затяжка по крутящему моменту, а за тем окончательная по углу поворота гайки. Крутящий момент первоначальной затяжки выбирается с таким расчетом, что бы он охватил полностью нелинейный участоке зависимости . Угол окончательной затяжки берется в диапазоне линейной зависимости. Комбинированный способ затяжки не уступает по точности третьему методу, иногда и превосходит его, но необходимость последовательного контроля двух различных величин повышает трудоемкость операции затяжки.

Ознакомление с методами затяжки показывает, что при пользовании ими одинаковые значения силы затяжки не могут быть получены. Поэтому при необходимости выбора метода для конкретных условий целесообразно проводить сраавнение методов затяжки по точности, на основании эксперимента (рис. 8).

Рис. 8. График зависимости усилия затяжки от удлинения болта при различных методах затяжки

Использованная литература

1. Никитин А.Н. Технология сборки двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982г.

2. Леонтьев В.Н., Сиротин С.А., Теверовский А.М. Испытания авиационных двигателей и их агрегатов. М. Машиностроение. 1976г.

3. Беликов В.Н., Никитин А.Н. Сборка авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1971г.

4. Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сулима A.M. Технология производства двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982.

5. Логинов В.Е. Технология производства агрегатов питания и регулирования ВРД. - М.: Изд-во МАИ, 1987.

6. Ильянков А.И., Левит М.Е. Основы сборки авиационных двигателей. - М.: Машиностроение, 1987.

7. материалов. Под ред. П.Г.Петрухи. М.: Высшая школа, 1991.

8. Никитин А.Н., Серебренников Г.З. Технология сборки и автоматизация производства воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1992.

9. Сулима A.M., Носков А.А., Подзей А.В., Серебренников Г.З. Основы технологии производства воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1993.

10. Сулима A.M., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1996.