CN102817639B - 一种低应力波浪型接触面直榫连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，属于机械结构连接的通用设计方法技术领域，所述的波浪型接触面直榫连接结构包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，其中轮盘榫槽同传统结构的轮盘榫槽相似，叶片榫头的两侧接触面由多个向外凸起的圆弧面外切形成波浪型接触面，其波峰数量n的取值在2～L/4R之间，R的取值宜小于等于L/8。本发明的一种波浪型接触面直榫连接结构，改善了接触应力的分布形式，消除了传统结构形式下平面/平面接触区边缘的峰值应力，提高了结构强度，且提高了结构抵抗微动疲劳失效的能力。

Description

一种低应力波浪型接触面直榫连接结构

技术领域

本发明针对叶轮机械叶片、轮盘连接结构，属于机械结构连接的通用设计方法技术领域，特别涉及一种低应力波浪型接触面直榫连接结构。

背景技术

目前，在包括航空发动机、内燃机等在内的叶轮机械叶片/轮盘连接结构中，榫连结构的应用较为广泛，其作用是用来连接工作叶片和轮盘。虽然随着工程技术的进步，出现了通过焊接形成的整体叶盘结构，但由于造价、技术成熟度等多方面的原因，使得榫连结构仍将在很长一段时间内作为叶轮机械中叶片/轮盘之间的主要连接形式。

早期的叶片/轮盘采用销钉式连接，通过销钉承担剪切载荷并传力，工作叶片依靠凸耳由销钉同轮缘的环槽相连。这种连接具有减震和消除连接处附加应力的作用，但其承载能力有限，尺寸和重量大，因而随着对叶轮机械工作条件的要求日益提高，这种连接方式逐渐被淘汰，其原因在于螺栓孔边有显著的应力集中，随着载荷的增加，孔边将出现较大区域的塑性区，使结构强度及寿命显著降低。而榫连结构则使工作叶片通过榫头安装在轮缘处相应的榫槽内，通过榫槽侧面的接触面进行定位和传力。二者之间通常采用间隙配合，叶片安装方便，同时避免了在榫槽内出现装配应力。比较而言，其接触承载面积较大，应力水平较低且分布较为均匀，是目前叶轮机械中叶片/轮盘之间的主要连接方式。对于风扇/压气机通常采用燕尾型榫连结构，对于涡轮则通常采用枞树型榫连结构。一般的榫连结构其接触面沿叶轮机械旋转轴的轴线方向为平面，称其为直榫，本发明即是一种新型的直榫连接；此外，在一些先进的高推重比航空发动机的风扇榫连结构中，出现了圆弧榫(例如CFM56-7型发动机)，即叶片榫头及轮盘榫槽沿叶轮机械旋转轴的轴线方向均为圆弧形，这样可以保证在叶片数目相同的条件下，增大轮毂比，使风扇的气动性能得到提高。

叶轮机械的叶片承受的载荷较为复杂，通常包括叶片离心力、叶片气动载荷以及由气流冲击导致的振动，对于涡轮叶片及轮盘还将承受较高的热负荷。因此，榫连结构在这些载荷直接或间接的作用下，将在接触面之间产生较大的接触应力，在循环载荷的作用下，导致榫连结构发生疲劳失效。微动疲劳是榫连结构一种主要的失效模式，也是榫连结构工程设计及优化的关注点。

大量研究表明，传统的采用平面接触的榫连结构接触区边缘存在显著的应力集中，这种高梯度接触应力是导致榫连结构发生微动疲劳失效的重要原因。通过对榫连结构关键几何参数(例如接触角、接触区边缘圆角半径、接触区长度等等)进行优化，可使接触区边缘的峰值应力减低，提高结构强度及寿命。但只要采用直线/直线(二维条件下)的接触方式，就无法消除接触区边缘的高梯度应力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，目的在于改善传统榫连结构接触区边缘存在高梯度应力的状况，进而增强榫连结构抗微动磨损及疲劳的能力，并由此提供一种由波浪形接触面/平面作为接触面的直榫连接结构。

本发明中所述波浪型接触面直榫连接结构是在传统平面接触直榫连接结构的基础上发展而来的，该结构包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，发明的创新处在于叶片及榫槽的接触面设计。叶片榫头的侧接触面为由波浪型接触面，轮盘榫槽接触面为平面，若以垂直于叶轮机械轴线的平面作为切面，形成的接触线呈现为波浪形接触线/直线接触的形式。这使得工作载荷下叶片/轮盘的接触应力分布形式发生了较大的改变。

本发明提出的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，所述的叶片榫头为直线形榫头，叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向分为上下榫头两部分，上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，下部榫头的两侧侧壁为具有多个波峰和波谷对称的波浪型侧壁；波浪形接触面的波峰数量n的取值为2～L/4R，其中L为下部榫头侧壁的直线接触区长度，R为波峰段对应的圆弧半径，波峰段对应的圆弧半径与波谷段对应的圆弧半径相等，R的取值优选为小于等于L/8。

所述的轮盘榫槽沿水平平面方向也为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽为两侧内壁向上张开的水平壁面结构，下部榫槽为两侧内壁向下张开并向榫槽内部延伸的平壁结构，叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头两侧的波浪型侧壁上向上凸起的圆弧形波峰位置与下部榫槽两侧向下张的平面内壁之间的接触为多个圆弧面/平面的赫兹接触，接触位置的总数量由波峰数量n决定。

本发明的优点在于：

(1)本发明的一种波浪型接触面直榫连接结构，改善了接触应力的分布形式，消除了传统平面/平面接触区边缘的峰值应力，提高了结构强度。

(2)传统平面/平面接触区边缘的峰值应力是导致榫连结构发生微动疲劳失效的重要原因，由于本发明中的波浪型接触面直榫连接结构使接触应力分布形式发生改变，并由多对接触对分担承载，进而提高了结构抵抗微动疲劳失效的能力。

附图说明

图1为本发明提出的波浪型接触面直榫连接结构的整体结构示意图；

图2为本发明提出的波浪型接触面直榫连接结构的截面结构示意图；

图3为本发明波浪型接触面直榫连接结构叶片榫头结构示意图；

图4为本发明波浪型接触面直榫连接结构叶片榫头局部放大结构示意图；

图5为本发明波浪型接触面直榫连接结构轮盘榫槽结构示意图；

图6为本发明波浪型接触面直榫连接结构轮盘榫槽局部放大结构示意图；

图7为几种典型的接触形式及其应力分布特征曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分，其中轮盘榫槽与传统结构相似，叶片榫头(即下部榫头)两侧接触面为波浪型接触面，该波浪型接触面为具有多个波峰和波谷的对称波浪型接触面，其中波峰和波谷由半径为R的波谷段半圆弧彼此外切形成，波峰的数量n则由下部榫头侧壁的直线接触区长度L及波峰段对应的半圆弧半径R的比值确定，即n＝L/4R。波峰段对应的圆弧半径与波谷段圆弧半径相等。

如图1和图2所示，所述的叶片榫头为直线形榫头，即叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向为凸形结构，分为上下榫头两部分，上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，如图3和图4所示，下部榫头的两侧侧壁为向外侧具有多个圆弧形凸起的波浪型侧壁，该波浪型侧壁由半径为R的半圆弧顺次外切形成的具有多个波峰和波谷的对称型波浪型接触面，且下部榫头的两侧侧壁的最下方的一个圆弧为波峰位置的圆弧，该圆弧与下部榫头底边之间的连接为导角结构，导角角度为35°～75°(此角度也即传统结构榫头/榫槽工作时的接触角)，该角度采用各圆弧圆心所构成的直线与下部榫头底边之间的夹角进行度量，上部榫头的两侧侧壁与下部榫头的两侧侧壁之间的连接也为导角连接，导角角度为125°～165°，上部榫头和下部榫头的高度比为0.4～1.0，上部榫头顶边的宽度与下部榫头底边宽度的比值范围为0.5～0.9，上下部榫头整体高度与下部榫头底边的宽度的比值范围为1.0～3.0。

如图5和图6所示，所述的轮盘榫槽沿水平平面方向也为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽为两侧内壁向上(向榫槽开口方向)微微张开的水平壁面结构，两侧内壁面与竖直方向的夹角为5°～10°，下部榫槽为两侧内壁向下(向榫槽槽底方向)张开，并向内部延伸的平面内壁结构，此处结构形式同传统结构相同，两侧内壁与竖直方向的夹角为15°～55°(此角度同榫头/榫槽工作时的接触角形成互余关系)。上部榫槽的两侧内壁和下部榫槽的两侧内壁之间的连接部分为导角连接，导角角度为115°～160°，下部榫槽的两侧内壁与下部榫槽的槽底之间的连接部分为导角连接，导角角度为35°～75°。叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头的两侧波浪型接触面的波峰与下部榫槽两侧向内凹的平面内壁之间的接触为多段圆弧面/平面接触，这使得工作载荷下叶片/轮盘的接触应力分布形式同传统结构相比发生了较大的改变。上部榫槽的深度大于等于上部榫头的高度，下部榫槽的深度大于下部榫头的高度。

本发明中形成的圆弧面/直线之间的接触同典型的赫兹接触十分接近，其产生的压力曲线形式接近椭圆形，不存在较大的峰值应力。进一步将多段圆弧/直线接触体应用于榫连结构当中，就可以更加有效地降低接触区的峰值应力，提高榫连结构的强度和疲劳性能。如图7所示的几种典型的接触形式及其应力分布特征，可以看出：传统的直线/直线接触导致了较高的峰值应力；圆弧/直线接触为赫兹接触，其接触应力的分布形式为椭圆形；圆弧面内切时的应力分布则接近椭圆形；多段圆弧/直线接触体的接触应力分布则为多段椭圆，在比较上述几种情况，此接触状态下，接触峰值应力是最小的，也有利于抵抗微动疲劳。

本发明提出的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其榫头接触面由多个凸起的圆弧构成波浪型接触曲面，榫槽的作用则是将叶片榫头包住，将其同轮盘相连，工作时由轮盘带动叶片旋转，对气体进行做功。此结构可应用于各种大小推力/功率叶轮机械风扇/压气机的叶片/轮盘的连接当中。

从上述对本发明的描述可以看出，本发明的技术方案能够缓解传统榫连结构接触区边缘峰值应力高、抵抗微动疲劳性能差的缺点，可提高结构的强度及寿命。

Claims (6)

1.一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：包括叶片榫头及轮盘榫槽两个部分； 

所述的叶片榫头为直线形榫头，叶片榫头沿水平平面方向为直线形形状，该叶片榫头沿竖直截面方向分为上下榫头两部分，上部榫头的两侧侧壁为沿竖直方向的平行侧壁，下部榫头的两侧侧壁为波浪型侧壁，该波浪型侧壁由半径为R的半圆弧顺次外切形成的具有多个波峰和波谷的对称型波浪型接触面，且下部榫头的两侧侧壁的最下方的一个圆弧为波峰位置的圆弧； 

所述的轮盘榫槽沿水平平面方向为直线形状，榫槽分为上下榫槽两部分，上部榫槽为两侧内壁向上张开的水平壁面结构，下部榫槽为两侧内壁向下张开，并向内延伸形成平面内壁结构，叶片榫头与轮盘榫槽之间的连接为间隙配合，下部榫头两侧的波浪型侧壁上凸起的圆弧顶端与下部榫槽两侧向内凹的平面内壁之间的接触为多个圆弧面/平面的赫兹接触，接触位置的总数量由波峰数量n决定，波峰数量n的取值为2～L/4R，其中L为下部榫头侧壁的直线接触区长度，R为波峰段的圆弧半径，取值优选为小于等于L/8。 

2.根据权利要求1所述的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：下部榫头的两侧侧壁的最下方的一个圆弧为波峰位置的圆弧，该圆弧与下部榫头底边之间的连接为导角结构，导角角度为35°～75°；上部榫头的两侧侧壁与下部榫头的两侧侧壁之间的连接也为导角连接，导角角度为125°～165°。 

3.根据权利要求1所述的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：所述的上部榫头和下部榫头的高度比为0.4～1.0；上部榫头顶边的宽度与下部榫头底边宽度的比值范围为0.5～0.9，上下部榫头整体高度与下部榫头底边的宽度的比值范围为1.0～3.0。 

4.根据权利要求1所述的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：所述的上部榫槽的两侧内壁面与竖直方向的夹角为5°～10°，所述的下部榫槽的两侧内壁面与竖直方向的夹角为15°～55°。 

5.根据权利要求1所述的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：上部榫槽的两侧内壁和下部榫槽的两侧内壁之间的连接部分为导角连接，导角角度为115°～160°，下部榫槽的两侧内壁与下部榫槽的槽底之间的连接部分为导角连接，导角角度为35°～75°。 

6.根据权利要求1所述的一种低应力波浪型接触面直榫连接结构，其特征在于：所述的 上部榫槽的深度大于等于上部榫头的高度，下部榫槽的深度大于下部榫头的高度。