基于維修性設(shè)計(jì)的管路自鎖連接結(jié)構(gòu)分析

李 健 ，周 含 ，呂春光 ，田 靜

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州221116）

基于維修性設(shè)計(jì)的管路自鎖連接結(jié)構(gòu)分析

李 健1，周 含2，呂春光1，田 靜1

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州221116）

為了研究管路連接結(jié)構(gòu)對(duì)維修性設(shè)計(jì)的影響，針對(duì)軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路連接結(jié)構(gòu)，從維修性角度出發(fā)，詳細(xì)研究了絲套自鎖、爪式自鎖、卡環(huán)自鎖以及卡鉤/卡槽4種管路自鎖連接結(jié)構(gòu)，分析了不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)自鎖的機(jī)理，得出管路自鎖是通過(guò)相對(duì)獨(dú)立于螺紋結(jié)構(gòu)的形變產(chǎn)生克服螺紋松脫的力矩，并間接作用于螺紋實(shí)現(xiàn)自鎖的結(jié)論。通過(guò)對(duì)比研究，總結(jié)歸納出不同管路自鎖結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及其取消保險(xiǎn)絲顯著提高管路連接的維修性和裝配性的共性優(yōu)點(diǎn)。

小涵道比；管路接頭；連接結(jié)構(gòu)；自鎖；裝配性；維修性；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

管路作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，需要使用大量的管路接頭完成連接，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)需要在高溫、高強(qiáng)度、高振動(dòng)等苛刻的環(huán)境下工作[1]，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)管路接頭需使用保險(xiǎn)絲防止螺紋連接松脫，造成介質(zhì)泄漏引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障。目前，國(guó)外第4代先進(jìn)軍用小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，其管路接頭已廣泛采用了自鎖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了管路接頭的無(wú)保險(xiǎn)絲自鎖連接。例如EJ200、F119、F135、F136 等發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了管路自鎖結(jié)構(gòu)（Spey、F110局部使用自鎖管接頭），顯著提高了管路接頭密封連接的可靠性，同時(shí)也提高了管路的裝配性和維護(hù)性，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域起步較晚，相關(guān)研究急需結(jié)合國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用，緊跟技術(shù)發(fā)展腳步。

本文將針對(duì)軍用小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)管路接頭的自鎖連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，介紹國(guó)外4種典型的成熟結(jié)構(gòu)，同時(shí)研究不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和自鎖機(jī)理，總結(jié)歸納出不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究提供參考借鑒。

1 傳統(tǒng)管路連接結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)主要有導(dǎo)管、管路接頭、固定卡箍等結(jié)構(gòu)組成[2]。受限于外部結(jié)構(gòu)空間和布局特點(diǎn)，管型往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活多樣，而且管路接頭結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定單一，常用的典型結(jié)構(gòu)為法蘭連接膠圈/金屬密封圈密封和螺紋連接錐面密封[3]。

法蘭連接膠圈/金屬密封圈密封接頭可通過(guò)法蘭連接螺栓實(shí)現(xiàn)自鎖連接，如采用螺栓配合自鎖螺母、自鎖絲套等可實(shí)現(xiàn)管路接頭的自鎖連接，大管徑管路多采用此類型接頭，如圖1所示。

螺紋連接錐面密封接頭是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要、最廣泛采用的管路連接結(jié)構(gòu)，多應(yīng)用于中、小管徑管路，其典型結(jié)構(gòu)有平管嘴、外錐接頭、外套螺母構(gòu)成[4]，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于外套螺母螺紋規(guī)格較大（M12～M33），無(wú)法采用螺紋收口（M6～M10自鎖螺母）實(shí)現(xiàn)可靠的螺紋自鎖連接。目前為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的工作環(huán)境和高可靠性要求，采用了保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)，其結(jié)構(gòu)是在外錐接頭和外套螺母設(shè)置保險(xiǎn)孔，在管路接頭裝配到位后通過(guò)打保險(xiǎn)絲防止螺紋連接出現(xiàn)松脫。

管路接頭使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行鎖緊，此種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)日益提高的裝配性和維護(hù)性要求[5-6]，其主要缺點(diǎn)：

（1）保險(xiǎn)絲裝配分解需要使用專用工具；

（2）保險(xiǎn)絲為消耗件，只能使用1次，每次裝配需重新制作保險(xiǎn)絲；

（3）保險(xiǎn)絲裝配要求較高，有裝配方向要求，同時(shí)保險(xiǎn)絲不能過(guò)緊也不能過(guò)松；

（4）保險(xiǎn)絲的裝配和分解非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低；

（5）保險(xiǎn)絲鎖緊保險(xiǎn)裝配性、維護(hù)性差。

2 自鎖管路連接結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺紋連接已廣泛采用了自鎖結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的有螺紋收口自鎖結(jié)構(gòu)、尼龍嵌環(huán)自鎖結(jié)構(gòu)等，都是依靠結(jié)構(gòu)件的形變產(chǎn)生克服螺紋松脫的自鎖力矩[7-8]。

2.1 絲套自鎖管路接頭

絲套自鎖管路接頭結(jié)構(gòu)是利用鎖緊型鋼絲螺套的成熟結(jié)構(gòu)，通過(guò)在外套螺母的內(nèi)螺紋內(nèi)鑲嵌自鎖絲套，依靠絲套的自鎖能力實(shí)現(xiàn)管路接頭的自鎖連接，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

此種自鎖管路接頭的自鎖性和可靠性取決于自鎖絲套，早期發(fā)動(dòng)機(jī)多應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)解決無(wú)法打開(kāi)保險(xiǎn)絲，如空間限制部位管路接頭的可靠性問(wèn)題，并未取代保險(xiǎn)絲鎖緊在發(fā)動(dòng)機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用，主要原因是受限于大規(guī)格螺紋自鎖絲套的可靠性，以及絲套對(duì)管路接口同軸度的要求較高。RR公司在Spey和RB199發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路采用了絲套自鎖管路接頭，主要用于解決穿出外涵機(jī)匣空間受限無(wú)法打開(kāi)保險(xiǎn)絲管路接口的可靠鎖緊問(wèn)題，如圖4所示。

2.2 爪式自鎖管路接頭

爪式自鎖管路接頭依靠裝配在外套螺母上的帶彈性自鎖爪和裝配在外錐接頭上的鎖緊環(huán)，在管路接頭裝配到位后，二者相互配合，通過(guò)鎖緊環(huán)徑向脹起自鎖爪，引起其彈性變形，產(chǎn)生防止螺紋松脫的自鎖力矩實(shí)現(xiàn)管路接頭的自鎖連接，如圖5所示。

此種自鎖管路接頭繼承了傳統(tǒng)管路接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在相配件上采用裝配結(jié)構(gòu)，靈活實(shí)現(xiàn)了管路自鎖，可顯著提高管路連接的可靠性并改善裝配性和維護(hù)性，F(xiàn)110發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道內(nèi)的燃油總管接頭采用此結(jié)構(gòu)提高連接的可靠性防止漏油隱患，EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)需要維護(hù)使用的孔探儀堵頭采用了此結(jié)構(gòu)提高裝配性和維護(hù)性，如圖6所示。

2.3 卡環(huán)自鎖管路接頭

卡環(huán)自鎖管路接頭的卡環(huán)裝配在外套螺母后端，裝配到位后，卡環(huán)的2個(gè)彈性卡爪與平管嘴上的波浪環(huán)配合，并被徑向脹起。外套螺母相對(duì)于平管嘴無(wú)法沿螺紋松脫方向運(yùn)動(dòng)，卡環(huán)的變形約束力克服了可能出現(xiàn)的螺紋松脫，間接的使得外套螺母和外錐接頭螺紋連接的松脫運(yùn)動(dòng)必須克服卡環(huán)的變形力，從而實(shí)現(xiàn)管路接頭的自鎖連接[9]，如圖7所示。

卡環(huán)自鎖管路接頭最大限度的繼承了傳統(tǒng)錐面管路結(jié)構(gòu)，通過(guò)裝配結(jié)構(gòu)形式的卡環(huán)實(shí)現(xiàn)了自鎖，巧妙的將外套螺母與平管嘴鎖緊間接實(shí)現(xiàn)了螺紋自鎖，同時(shí)其結(jié)構(gòu)整體性好，卡環(huán)可以進(jìn)行更換，是1種成熟可靠的管路自鎖結(jié)構(gòu)。作為4代機(jī)的F135發(fā)動(dòng)機(jī)，其升力風(fēng)扇管路接頭大范圍采用了卡環(huán)自鎖，如圖8所示。

2.4 卡鉤/卡槽自鎖管路接頭

卡鉤/卡槽自鎖管路接頭，其設(shè)計(jì)思想是通過(guò)外套螺母前段的一體化自鎖卡鉤與外套螺母上的卡槽配合，裝配到位后，彈性卡鉤被徑向脹起同時(shí)卡鉤前段越過(guò)卡槽，通過(guò)卡槽脹起卡鉤，產(chǎn)生限制螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力實(shí)現(xiàn)了管路自鎖[10-12]，如圖9所示。

此種管路接頭無(wú)任何零散件，卡鉤和卡槽一體化加工成形，外套螺母上的彈性卡鉤對(duì)加工要求較高。F119和F135發(fā)動(dòng)機(jī)采用此種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了管路接頭的全自鎖連接，也是唯一1種被大范圍成熟應(yīng)用的自鎖管接頭，體現(xiàn)出很高的設(shè)計(jì)制造水平，代表了現(xiàn)今最先進(jìn)的管路自鎖結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

3 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路連接的自鎖結(jié)構(gòu)，由于其大螺紋規(guī)格和密封特性，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)自鎖螺母依靠螺紋配合實(shí)現(xiàn)自鎖，管路的自鎖連接結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立于螺紋，通過(guò)其他結(jié)構(gòu)的形變產(chǎn)生克服螺紋松脫的力矩，間接作用于螺紋實(shí)現(xiàn)自鎖[13-15]，結(jié)合具體應(yīng)用結(jié)構(gòu)歸納分析其特點(diǎn)見(jiàn)表1。

從表中歸納可知，不同的自鎖結(jié)構(gòu)雖然都具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，但共同的特點(diǎn)是取消了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)，都能有效的提高管路螺紋連接的可靠性，顯著改善裝配性和維護(hù)性，符合先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高結(jié)構(gòu)效率的發(fā)展趨勢(shì)，已成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)外部顯著的技術(shù)特點(diǎn)。

表1 自鎖管接頭結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

[1]陳艷秋,朱梓根.基于遺傳算法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2002,17（4）:421-425.CHEN Yanqiu,ZHU Zigen.Pipeline system design of aeroengine using genetic algorithms [J].Journal of Aerospace Power,2002,17（4）:421-425.（in Chinese）

[2]陳志英,唐文哲.管路系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法研究 [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2001,16（2）:182-184.CHEN Zhiying,TANG Wenzhe.Study on CAD method for aeroengine pipeline system[J].Journal of Aerospace Power,2001,16（2）:182-184.（in Chinese）

[3]王振興,邱明星,王建軍.拉伸載荷下管路連接副的密封性分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2011,26（8）:1865-1870.WANG Zhenxing,QIU Mingxing,WANG Jianjun.Sealing performance of pipeline connection under the tensile load [J].Journal of Aerospace Power,2011,26（8）:1865-1870.（in Chinese）

[4]中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所.HB 8326-2013發(fā)動(dòng)機(jī)用74°錐面管路連接組合導(dǎo)管 [S].北京:中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部,2016:10-17.AVIC China Aero-Polytechnology Establishment.HB 8326-2013 74°conical pipe connection for aeroengine[S].Beijing:Ministry of Industry and Information Technology of the People′s Republic of China,2016:10-17.(in Chinese)

[5]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第二冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1999.Aeroengine Design Manual Editoral Board.Aeroengine design man-ual 2nd album[M].Beijing:Aviation Industry Press,1999.(in Chinese)

[6]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1999.Aeroengine Design Manual Editoral Board.Aeroengine design manual 3th album[M].Beijing:Aviation Industry Press,1999.(in Chinese)

[7]李健.一種管路自鎖連接結(jié)構(gòu):中國(guó),ZL201420469271.7[P].2014-12-17.LIJian.A connection structure ofpipe self-locking :China,ZL201420469271.7[P].2014-12-17.（in Chinese）

[8]李健.一種管路自鎖連接結(jié)構(gòu):中國(guó),ZL201520013870.2[P].2015-07-15.LIJian.A connection structure ofpipe self-locking :China,ZL201520013870.2[P].2015-07-15.（in Chinese）

[9]Nutlok Fittings for the Aerospace Industry [EB/OL].[2007-01-07].http:∥www.parker.com/stratoflex.

[10]Lourdes Industries Inc [EB/OL].[2009-08-17].http:∥www.lourdesinc.com.

[11]Alvin L S.High pressure coupling with provision for preventing separation ofpartsand with anti-galling provision :USA,US5058930A[P].1991-10-22.

[12]Alvin L.S.High pressure coupling with provision for preventing separation ofpartsand with anti-galling provision :USA,US5388866A[P].1995-02-14.

[13]JPB system:the best way for easy locking[EB/OL].[2008-05-15].http:∥www.jpb-system.com.

[14]Frank C K.Self-locking coupling device:USA,US6478343B2[P].2002-11-12.

[15]John A.Nutlocking apparatus:USA,US6557900B1[P].2003-05-06.

Analysis of Pipe Self-Locking Structure Based on Maintenance Design

LI Jian1，ZHOU Han2,LYU Chun-guang1，TIAN Jing1
（1.AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Mechatronic Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou Jiangsu 221116,China）

In order to study the effect of pipe connection structure on the maintainability design,aiming at the structure of pipe for the military low bypass ratio engine and from the maintenance point of view,four pipe self-locking connection structures were studied in detail,respectively,wire thread insert,claw-type,snap ring and hook/card slot,the characteristic and the mechanism of different self-locking were analyzed.The conclusion is drawn that the torque overcomes the thread loose produced by the deformation of the screw thread structure,and achieves self-locking indirectly acting on the thread.The advantages and disadvantages of the different self-locking are compared.The selflocking pipe has the advantages of improving the maintainability and assembly significantly with the cancellation of the fuse.

low bypass ratio;pipe fitting;connecting structure;self-locking;assembly;maintainability;aeroengine

V288.4

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.012

2016-11-27 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

李健（1984），男，碩士，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；Email:ianleelj@qq.com。

李健，周含，呂春光，田靜.基于維修性設(shè)計(jì)的管路自鎖連接結(jié)構(gòu)分析 [J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（4）：69-73.LI Jian，ZHOU Han,LYU Chunguang，et al.Analysis ofpipe self-lockingstructure based on maintenance design[J].Aeroengine，2017，43（4）：69-73.

（編輯：張寶玲）