基于維修性設計的管路自鎖連接結構分析

李 健 ，周 含 ，呂春光 ，田 靜

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.中國礦業大學機電學院，江蘇徐州221116）

基于維修性設計的管路自鎖連接結構分析

李 健1，周 含2，呂春光1，田 靜1

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.中國礦業大學機電學院，江蘇徐州221116）

為了研究管路連接結構對維修性設計的影響，針對軍用小涵道比渦扇發動機外部管路連接結構，從維修性角度出發，詳細研究了絲套自鎖、爪式自鎖、卡環自鎖以及卡鉤/卡槽4種管路自鎖連接結構，分析了不同結構的特點和實現自鎖的機理，得出管路自鎖是通過相對獨立于螺紋結構的形變產生克服螺紋松脫的力矩，并間接作用于螺紋實現自鎖的結論。通過對比研究，總結歸納出不同管路自鎖結構的優缺點，以及其取消保險絲顯著提高管路連接的維修性和裝配性的共性優點。

小涵道比；管路接頭；連接結構；自鎖；裝配性；維修性；航空發動機

0 引言

管路作為航空發動機的重要組成部件，需要使用大量的管路接頭完成連接，考慮到發動機需要在高溫、高強度、高振動等苛刻的環境下工作[1]，傳統結構管路接頭需使用保險絲防止螺紋連接松脫，造成介質泄漏引起發動機故障。目前，國外第4代先進軍用小涵道比發動機，其管路接頭已廣泛采用了自鎖結構，實現了管路接頭的無保險絲自鎖連接。例如EJ200、F119、F135、F136 等發動機都采用了管路自鎖結構（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，同時也提高了管路的裝配性和維護性，國內在此領域起步較晚，相關研究急需結合國外先進技術進行研究應用，緊跟技術發展腳步。

本文將針對軍用小涵道比發動機管路接頭的自鎖連接結構進行研究分析，介紹國外4種典型的成熟結構，同時研究不同結構的特點和自鎖機理，總結歸納出不同結構的優缺點，為國內相關研究提供參考借鑒。

1 傳統管路連接結構

發動機管路系統主要有導管、管路接頭、固定卡箍等結構組成[2]。受限于外部結構空間和布局特點，管型往往結構復雜、靈活多樣，而且管路接頭結構形式相對固定單一，常用的典型結構為法蘭連接膠圈/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法蘭連接螺栓實現自鎖連接，如采用螺栓配合自鎖螺母、自鎖絲套等可實現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動機最主要、最廣泛采用的管路連接結構，多應用于中、小管徑管路，其典型結構有平管嘴、外錐接頭、外套螺母構成[4]，結構如圖2所示，由于外套螺母螺紋規格較大（M12～M33），無法采用螺紋收口（M6～M10自鎖螺母）實現可靠的螺紋自鎖連接。目前為滿足發動機苛刻的工作環境和高可靠性要求，采用了保險絲保險，其結構是在外錐接頭和外套螺母設置保險孔，在管路接頭裝配到位后通過打保險絲防止螺紋連接出現松脫。

管路接頭使用保險絲進行鎖緊，此種傳統結構已經不能滿足發動機日益提高的裝配性和維護性要求[5-6]，其主要缺點：

（1）保險絲裝配分解需要使用專用工具；

（2）保險絲為消耗件，只能使用1次，每次裝配需重新制作保險絲；

（3）保險絲裝配要求較高，有裝配方向要求，同時保險絲不能過緊也不能過松；

（4）保險絲的裝配和分解非常費時費力，效率低；

（5）保險絲鎖緊保險裝配性、維護性差。

2 自鎖管路連接結構

航空發動機螺紋連接已廣泛采用了自鎖結構，常見的有螺紋收口自鎖結構、尼龍嵌環自鎖結構等，都是依靠結構件的形變產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構是利用鎖緊型鋼絲螺套的成熟結構，通過在外套螺母的內螺紋內鑲嵌自鎖絲套，依靠絲套的自鎖能力實現管路接頭的自鎖連接，具體結構形式如圖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，早期發動機多應用此種結構解決無法打開保險絲，如空間限制部位管路接頭的可靠性問題，并未取代保險絲鎖緊在發動機上大規模應用，主要原因是受限于大規格螺紋自鎖絲套的可靠性，以及絲套對管路接口同軸度的要求較高。RR公司在Spey和RB199發動機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匣空間受限無法打開保險絲管路接口的可靠鎖緊問題，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，在管路接頭裝配到位后，二者相互配合，通過鎖緊環徑向脹起自鎖爪，引起其彈性變形，產生防止螺紋松脫的自鎖力矩實現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管路接頭的結構特點，在相配件上采用裝配結構，靈活實現了管路自鎖，可顯著提高管路連接的可靠性并改善裝配性和維護性，F110發動機外涵道內的燃油總管接頭采用此結構提高連接的可靠性防止漏油隱患，EJ200發動機對需要維護使用的孔探儀堵頭采用了此結構提高裝配性和維護性，如圖6所示。

2.3 卡環自鎖管路接頭

卡環自鎖管路接頭的卡環裝配在外套螺母后端，裝配到位后，卡環的2個彈性卡爪與平管嘴上的波浪環配合，并被徑向脹起。外套螺母相對于平管嘴無法沿螺紋松脫方向運動，卡環的變形約束力克服了可能出現的螺紋松脫，間接的使得外套螺母和外錐接頭螺紋連接的松脫運動必須克服卡環的變形力，從而實現管路接頭的自鎖連接[9]，如圖7所示。

卡環自鎖管路接頭最大限度的繼承了傳統錐面管路結構，通過裝配結構形式的卡環實現了自鎖，巧妙的將外套螺母與平管嘴鎖緊間接實現了螺紋自鎖，同時其結構整體性好，卡環可以進行更換，是1種成熟可靠的管路自鎖結構。作為4代機的F135發動機，其升力風扇管路接頭大范圍采用了卡環自鎖，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，其設計思想是通過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卡鉤前段越過卡槽，通過卡槽脹起卡鉤，產生限制螺紋轉動的摩擦力實現了管路自鎖[10-12]，如圖9所示。

此種管路接頭無任何零散件，卡鉤和卡槽一體化加工成形，外套螺母上的彈性卡鉤對加工要求較高。F119和F135發動機采用此種結構實現了管路接頭的全自鎖連接，也是唯一1種被大范圍成熟應用的自鎖管接頭，體現出很高的設計制造水平，代表了現今最先進的管路自鎖結構，如圖10所示。

3 結論

航空發動機管路連接的自鎖結構，由于其大螺紋規格和密封特性，導致其結構有別于傳統自鎖螺母依靠螺紋配合實現自鎖，管路的自鎖連接結構相對獨立于螺紋，通過其他結構的形變產生克服螺紋松脫的力矩，間接作用于螺紋實現自鎖[13-15]，結合具體應用結構歸納分析其特點見表1。

從表中歸納可知，不同的自鎖結構雖然都具有一定的優缺點，但共同的特點是取消了費時費力的保險絲保險，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性，符合先進發動機高結構效率的發展趨勢，已成為先進發動機外部顯著的技術特點。

表1 自鎖管接頭結構對比分析

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[2]陳志英,唐文哲.管路系統計算機輔助設計方法研究 [J].航空動力學報,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].航空動力學報,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]中國航空綜合技術研究所.HB 8326-2013發動機用74°錐面管路連接組合導管 [S].北京:中華人民共和國工業和信息化部,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]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊第二冊[M].北京:航空工業出版社,1999.Aeroengine Design Manual Editoral Board.Aeroengine design man-ual 2nd album[M].Beijing:Aviation Industry Press,1999.(in Chinese)

[6]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊第三冊[M].北京:航空工業出版社,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構:中國,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構:中國,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 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

李健（1984），男，碩士，工程師，主要從事發動機結構設計工作；Email:ianleelj@qq.com。

李健，周含，呂春光，田靜.基于維修性設計的管路自鎖連接結構分析 [J].航空發動機，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）