CN114343322B - 可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料使役行为评价领域，具体地说是一种可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置。该装置包括夹具底座、夹具盖板、绕丝工装板、刷丝束转移空心柱、绕丝固定柱，将一对夹具底座相对的固定到绕丝工装板上，在其圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱并套上刷丝束转移空心柱；在刷丝束转移空心柱上完成绕丝后，顺着刷丝束转移空心柱布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内，盖上夹具盖板；通过沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接后，对刷丝进行预紧后，拧紧沉头螺柱，用线切割慢走丝将一对刷丝束样品切开，就获得两个独立的刷丝束样品。本发明适于对刷封结构的刷丝束和封严环涂层进行材料级别的摩擦磨损行为研究。

Description

可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置

技术领域

本发明涉及材料使役行为评价领域，特别涉及高速摩擦磨损工况下刷丝材料和刷式封严环涂层的使役行为评价，具体地说是一种可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置及方法。

背景技术

刷式密封是一种新型的可应用于航空发动机、汽轮机等领域的气路密封技术。如图4(a)-(b)所示，刷式密封8的结构示意图，其由前挡板81、刷丝束6和后挡板82组成，形成一种刷封环结构。刷式密封是一种柔性接触式动密封，刷丝束6的刷丝84与转轴83(表面通常覆盖有涂层)的初始接触有一定的过盈量，工作时刷丝84可以随着高速旋转转轴83的偏转而变形，刷丝84与转轴83始终接触，从而保证密封效果，刷丝束6的一侧为上游高压侧，刷丝束6的另一侧为下游低压侧。据查，刷式密封的泄漏量只有传统迷宫密封的10％～20％；在密封性能不显著下降的情况下可容许超过0.64mm的转轴径向偏差；可使发动机发热率减少0.2％～0.6％，输出动力增加0.3％～1％，因此刷式密封逐步取代迷宫密封是气路密封技术发展的一种趋势。作为一种具有适应性的、可过盈安装的密封形式，刷式密封在航空发动机、汽轮机等的气路密封上拥有广泛的应用。

由刷式密封的工作原理可知，刷丝与刷式封严环涂层之间、刷丝与刷丝之间的摩擦磨损行为是影响刷式密封性能和寿命的关键因素，对于刷式密封的摩擦磨损行为进行研究对于保证其密封效果、提高其可靠性和服役寿命具有重要的工程意义。

目前，国内有关刷式密封摩擦磨损研究的可见报道，其刷丝束样品多采用实际的刷丝环或者从实际刷丝环上截取一段进行实验。试验机多采用专门用来测试密封性能的可通高温高压气体的动密封泄漏试验台。即使是专门搭建的测试刷丝与封严环涂层之间的高速摩擦磨损试验机，刷丝束样品也用的是实际刷丝环上截取的一段。

然而，刷丝环的制作非常昂贵复杂，而且通常需要专业的绕丝机器来完成。此外，刷丝环是测试刷式密封泄漏特性不可替代的部件，当仅研究刷丝材料与封严环涂层材料或刷丝与刷丝之间的摩擦磨损性能和匹配相容性时，采用实际用的刷丝环反而带来诸多不便，例如：刷丝环的磨损量和刷丝断裂情况都不易观察和测量等。

因此，亟需开发一种能够模拟刷式密封的刷丝束典型结构特点，同时又制造简单、可手动绕丝、费用低廉的刷丝束样品制作方法，制作好刷丝束样品后，采用常规的高速摩擦磨损试验机就可以方便的研究刷丝与刷丝之间及刷丝束和封严环涂层间的摩擦磨损行为及匹配相容性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置及方法，以解决现用摩擦磨损研究只能采用实际刷丝环制备样品，导致费用高、制造周期长和无法准确获取摩擦磨损信息等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，该装置包括夹具底座、夹具盖板、绕丝工装板、刷丝束转移空心柱、绕丝固定柱，具体结构如下：两个夹具底座相对设置于绕丝工装板上，夹具底座通过固定螺栓与绕丝工装板连接，两个夹具底座的底座长方体段相对，两个底座长方体段的刷丝折线形排列槽相对；每个夹具底座上方相对设置一个夹具盖板形成组合夹具，两个组合夹具之间保留间隙，每个组合夹具中：绕丝固定柱与刷丝束转移空心柱移除孔相对，刷丝束转移空心柱穿过刷丝束转移空心柱移除孔套设于绕丝固定柱上部；夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽相对并配合，形成布置刷丝的矩形密闭槽。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，夹具底座为底座长方体段、底座燕尾段的一体组合结构，底座长方体段上表面开设刷丝折线形排列槽和圆柱形绕丝槽，折线形排列槽和圆柱形绕丝槽相连通，底座长方体段于折线形排列槽和圆柱形绕丝槽的两侧开设压紧螺丝螺纹孔，圆柱形绕丝槽底部中心孔安装绕丝固定柱，绕丝固定柱下部与圆柱形绕丝槽通过螺连接，底座燕尾段开设固定螺栓螺纹孔；

夹具盖板为盖板长方体段、盖板燕尾段的一体组合结构，盖板长方体段设有折线形凸台，盖板长方体段于折线形凸台的外侧开设刷丝束转移空心柱移除孔和压紧螺丝螺纹孔，盖板燕尾段开设固定螺丝螺纹孔。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，刷丝折线形排列槽的横截面为矩形，折线形凸台的横截面为矩形。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，每个组合夹具中：底座长方体段与盖板长方体段相对，底座燕尾段与盖板燕尾段相对，压紧螺栓螺纹孔与压紧螺栓螺纹孔相对，压紧螺栓螺纹孔与压紧螺栓螺纹孔之间通过沉头螺柱连接，固定螺栓螺纹孔与固定螺栓螺纹孔相对，固定螺栓螺纹孔与固定螺栓螺纹孔之间通过沉头螺柱连接。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，绕丝时，将一对夹具底座相对的固定到绕丝工装板上，在其圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱并套上刷丝束转移空心柱；在刷丝束转移空心柱上完成绕丝后，顺着刷丝束转移空心柱布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内，盖上夹具盖板，夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽形成排列刷丝的矩形密闭槽；通过沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接后，手动或者用拉伸装置对刷丝进行预紧，最后拧紧沉头螺柱，用线切割慢走丝将一对刷丝束样品切开，就获得两个独立的刷丝束样品。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，刷丝束样品制作过程如下：

(1)首先，将一对夹具底座相对的放置到绕丝工装板上，两个夹具底座分开，通过固定螺栓将底座燕尾段的固定螺栓螺纹孔与绕丝工装板上的螺纹孔连接固定；然后，在两个夹具底座的圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱，绕丝固定柱的螺纹段旋进夹具底座的圆柱形绕丝槽内，绕丝固定柱的光杆部分用于固定刷丝，在两个绕丝固定柱套上刷丝束转移空心柱；

(2)完成以上准备工作后，在两个刷丝束转移空心柱上进行手动绕丝形成刷丝束，同时记录绕丝的圈数；将刷丝束顺着刷丝转移空心柱往下推动，布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内；

(3)当完成所需圈数的绕丝时，刷丝束全部布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽以后，将一对夹具盖板一对一地安装到一对夹具底座上，夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽配合形成一个固定排列刷丝的矩形密闭槽，用沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接到一起，形成两个组合夹具；

(4)将一个夹具底座在绕丝工装板上的固定螺栓拆掉，移除刷丝束转移空心柱后，手动或者用其他装置将两个组合夹具分开一定的距离，从而将刷丝束预紧；拧紧沉头螺柱，将刷丝束紧密的排列在由夹具底座的刷丝折线形排列槽和夹具盖板的折线形凸台形成的矩形密闭槽内；

(5)利用线切割慢走丝将一对刷丝束样品从中间切开，即获得两个独立的刷丝束样品。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，如果预紧的力不做要求，使用手动预紧；如果要求准确的预紧力，用拉伸试验机实现。

所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，刷丝的密实程度通过控制折线形凸台在刷丝折线形排列槽内的压入深度来调节。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明无需借助专业的绕丝机器，就可实现模拟实际刷丝环中刷丝密实程度的刷丝束样品制作，可在实验室内方便快捷的手动完成，特别适于实验室中对于刷丝材料的摩擦磨损行为研究。

2、相比于实际刷丝环，本发明制造成本和所需时间大大减少。通常一个直径400mm左右的刷丝环制造成本为几十万，而本发明中一个刷丝束样品的制备仅需几百元。

3、本发明所制作的刷丝束样品在研究刷丝材料与封严环涂层之间的摩擦磨损行为中，具有刷丝束样品的磨损测量可靠简便、相关分析表征易于进行等特点。

4、本发明所制作的刷丝束样品能够模拟刷丝环的预紧力和密实程度等重要参数，得益于其制造简单、成本低、磨损易于可靠测量和分析表征易于进行等，可以用来研究刷丝的预紧力和密实程度等对于其摩擦磨损行为的影响。

附图说明

图1为夹具底座的结构简图。

图2为夹具盖板的结构简图。

图3为刷丝束样品制作装置的结构简图。

图4为刷式密封的结构示意图。其中，(a)主视图，(b)局部放大图。

图中，1夹具底座(11刷丝折线形排列槽，12圆柱形绕丝槽，13压紧螺栓螺纹孔，14固定螺栓螺纹孔，15底座长方体段，16底座燕尾段)；2夹具盖板(21折线形凸台，22刷丝束转移空心柱移除孔，23压紧螺栓螺纹孔，24固定螺栓螺纹孔，25盖板长方体段，26盖板燕尾段)；3绕丝工装板；4刷丝束转移空心柱；5绕丝固定柱；6刷丝束；7沉头螺柱；8刷式密封(81前挡板，82后挡板，83转轴，84刷丝)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明将一对夹具底座相对的固定到绕丝工装板上，在其圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱并套上刷丝束转移空心柱。在刷丝束转移空心柱上完成绕丝后，顺着刷丝束转移空心柱布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内，盖上夹具盖板，夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽形成排列刷丝的矩形密闭槽。通过沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接后，手动或者用拉伸装置对刷丝进行预紧，最后拧紧沉头螺柱，用线切割慢走丝将一对刷丝束样品切开，就获得两个独立的刷丝束样品。

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-图3所示，本发明刷丝束样品制作装置，主要包括夹具底座1、夹具盖板2、绕丝工装板3、刷丝束转移空心柱4、绕丝固定柱5、刷丝束6、沉头螺柱7等，具体结构如下：

夹具底座1为底座长方体段15、底座燕尾段16的一体组合结构，底座长方体段15上表面开设刷丝折线形排列槽11和圆柱形绕丝槽12，折线形排列槽11和圆柱形绕丝槽12相连通，刷丝折线形排列槽11的横截面为矩形，底座长方体段15于折线形排列槽11和圆柱形绕丝槽12的两侧开设四个压紧螺丝螺纹孔13，圆柱形绕丝槽12底部中心孔安装绕丝固定柱5，绕丝固定柱5下部与圆柱形绕丝槽12通过螺连接，底座燕尾段16开设两个固定螺栓螺纹孔14。夹具底座1内有刷丝折线形排列槽，实际刷丝环中刷丝的倾角可以通过折线形排列槽11的折线形倾角模拟。

夹具盖板2为盖板长方体段25、盖板燕尾段26的一体组合结构，盖板长方体段25设有折线形凸台21，折线形凸台21的横截面为矩形，盖板长方体段25于折线形凸台21的外侧开设一个刷丝束转移空心柱移除孔22和四个压紧螺丝螺纹孔23，盖板燕尾段26开设两个固定螺丝螺纹孔24。

两个夹具底座1相对设置于绕丝工装板3上，夹具底座1通过固定螺栓与绕丝工装板3连接，两个夹具底座1的底座长方体段15相对，两个底座长方体段15的刷丝折线形排列槽11相对；每个夹具底座1上方相对设置一个夹具盖板2形成组合夹具，两个组合夹具之间保留间隙，每个组合夹具中：底座长方体段15与盖板长方体段25相对，底座燕尾段16与盖板燕尾段26相对，压紧螺栓螺纹孔13与压紧螺栓螺纹孔23相对，压紧螺栓螺纹孔13与压紧螺栓螺纹孔23之间通过沉头螺柱7连接，固定螺栓螺纹孔14与固定螺栓螺纹孔24相对，固定螺栓螺纹孔14与固定螺栓螺纹孔24之间通过沉头螺柱7连接；绕丝固定柱5与刷丝束转移空心柱移除孔22相对，刷丝束转移空心柱4穿过刷丝束转移空心柱移除孔22套设于绕丝固定柱5上部；夹具盖板2的折线形凸台21与夹具底座1的刷丝折线形排列槽11相对并配合，形成布置刷丝的矩形密闭槽。

如图3所示，绕丝时，首先将一对夹具底座1相对的放置到绕丝工装板3上，两者分开适当的距离，通过固定螺栓将底座燕尾段16的固定螺栓螺纹孔14与绕丝工装板3上的螺纹孔连接固定。然后，在两个夹具底座1的圆柱形绕丝槽12内各旋上一个绕丝固定柱5，绕丝固定柱5的螺纹段旋进夹具底座1的圆柱形绕丝槽12内，绕丝固定柱5的光杆部分用于固定刷丝，在两个绕丝固定柱5套上刷丝束转移空心柱4。其中，图3左侧是把刷丝束转移空心柱4抬高，露出绕丝固定柱5；图3右侧是绕丝固定柱5套上刷丝束转移空心柱4，并省略了一个夹具盖板2。

完成以上准备工作后，在两个刷丝束转移空心柱4上进行手动绕丝，同时记录绕丝的圈数。通常，在刷丝束转移空心柱4上每完成一定圈数的绕丝后，将绕好的刷丝束6顺着刷丝转移空心柱4往下推动，布置到夹具底座1的刷丝折线形排列槽11内。其中，夹具底座1上刷丝折线形排列槽11的倾角可以根据实际刷丝环中刷丝的倾角而改变。如图3所示，刷丝束6就是绕好的一定圈数的刷丝，还没有布置到夹具底座1的刷丝折线形排列槽11内。

当完成所需圈数的绕丝时，刷丝束6全部布置到夹具底座1的刷丝折线形排列槽11以后，将一对夹具盖板2一对一地安装到一对夹具底座1上，夹具盖板2的折线形凸台21与夹具底座1的刷丝折线形排列槽11配合形成一个固定排列刷丝的矩形密闭槽，用沉头螺柱7将夹具底座1与夹具盖板2连接到一起，形成两个组合夹具，但是不要把四个沉头螺柱拧紧。

将一个夹具底座1在绕丝工装板3上的固定螺栓拆掉，移除刷丝束转移空心柱4后，手动或者用其他装置将两个组合夹具分开一定的距离，从而将刷丝束6预紧。预紧的力如果不做要求可以手动预紧，如果要求预紧力可以用拉伸试验机实现。拧紧沉头螺柱7，将刷丝束6紧密的排列在由夹具底座1的刷丝折线形排列槽11和夹具盖板2的折线形凸台21形成的矩形密闭槽内，刷丝的密实程度可通过控制折线形凸台21在刷丝折线形排列槽11内的压入深度来调节。

最后，利用线切割慢走丝将一对刷丝束样品从中间切开，即获得两个独立的刷丝束样品。

结果表明，本发明可模拟航空发动机中刷丝环中刷丝的排列密度、刷丝倾角、刷丝自由端长度和刷丝轴向预紧力等，刷丝束样品的制作成对进行。这样既节省了费用和时间，也可以更方便可靠的获取刷丝和封严环涂层材料的摩擦磨损信息，从摩擦学角度为刷式密封结构的性能和寿命提升贡献力量。

Claims (6)

1.一种可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，该装置包括夹具底座、夹具盖板、绕丝工装板、刷丝束转移空心柱、绕丝固定柱，具体结构如下：两个夹具底座相对设置于绕丝工装板上，夹具底座通过固定螺栓与绕丝工装板连接，两个夹具底座的底座长方体段相对，两个底座长方体段的刷丝折线形排列槽相对；每个夹具底座上方相对设置一个夹具盖板形成组合夹具，两个组合夹具之间保留间隙，每个组合夹具中：绕丝固定柱与刷丝束转移空心柱移除孔相对，刷丝束转移空心柱穿过刷丝束转移空心柱移除孔套设于绕丝固定柱上部；夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽相对并配合，形成布置刷丝的矩形密闭槽；

夹具底座为底座长方体段、底座燕尾段的一体组合结构，底座长方体段上表面开设刷丝折线形排列槽和圆柱形绕丝槽，折线形排列槽和圆柱形绕丝槽相连通，底座长方体段于折线形排列槽和圆柱形绕丝槽的两侧开设压紧螺栓螺纹孔，圆柱形绕丝槽底部中心孔安装绕丝固定柱，绕丝固定柱下部与圆柱形绕丝槽通过螺纹连接，底座燕尾段开设固定螺栓螺纹孔；

夹具盖板为盖板长方体段、盖板燕尾段的一体组合结构，盖板长方体段设有折线形凸台，盖板长方体段于折线形凸台的外侧开设刷丝束转移空心柱移除孔和压紧螺栓螺纹孔，盖板燕尾段开设固定螺栓螺纹孔；

绕丝时，将一对夹具底座相对的固定到绕丝工装板上，在其圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱并套上刷丝束转移空心柱；在刷丝束转移空心柱上完成绕丝后，顺着刷丝束转移空心柱布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内，盖上夹具盖板，夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽形成排列刷丝的矩形密闭槽；通过沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接后，手动或者用拉伸装置对刷丝进行预紧，最后拧紧沉头螺柱，用线切割慢走丝将一对刷丝束样品切开，就获得两个独立的刷丝束样品。

2.按照权利要求1所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，刷丝折线形排列槽的横截面为矩形，折线形凸台的横截面为矩形。

3.按照权利要求1所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，每个组合夹具中：底座长方体段与盖板长方体段相对，底座燕尾段与盖板燕尾段相对，压紧螺栓螺纹孔与压紧螺栓螺纹孔相对，压紧螺栓螺纹孔与压紧螺栓螺纹孔之间通过沉头螺柱连接，固定螺栓螺纹孔与固定螺栓螺纹孔相对，固定螺栓螺纹孔与固定螺栓螺纹孔之间通过沉头螺柱连接。

4.按照权利要求1所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，刷丝束样品制作过程如下：

（1）首先，将一对夹具底座相对的放置到绕丝工装板上，两个夹具底座分开，通过固定螺栓将底座燕尾段的固定螺栓螺纹孔与绕丝工装板上的螺纹孔连接固定；然后，在两个夹具底座的圆柱形绕丝槽内各旋上一个绕丝固定柱，绕丝固定柱的螺纹段旋进夹具底座的圆柱形绕丝槽内，绕丝固定柱的光杆部分用于固定刷丝，在两个绕丝固定柱套上刷丝束转移空心柱；

（2）完成以上准备工作后，在两个刷丝束转移空心柱上进行手动绕丝形成刷丝束，同时记录绕丝的圈数；将刷丝束顺着刷丝转移空心柱往下推动，布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽内；

（3）当完成所需圈数的绕丝时，刷丝束全部布置到夹具底座的刷丝折线形排列槽以后，将一对夹具盖板一对一地安装到一对夹具底座上，夹具盖板的折线形凸台与夹具底座的刷丝折线形排列槽配合形成一个固定排列刷丝的矩形密闭槽，用沉头螺柱将夹具底座与夹具盖板连接到一起，形成两个组合夹具；

（4）将一个夹具底座在绕丝工装板上的固定螺栓拆掉，移除刷丝束转移空心柱后，手动或者用其他装置将两个组合夹具分开一定的距离，从而将刷丝束预紧；拧紧沉头螺柱，将刷丝束紧密的排列在由夹具底座的刷丝折线形排列槽和夹具盖板的折线形凸台形成的矩形密闭槽内；

（5）利用线切割慢走丝将一对刷丝束样品从中间切开，即获得两个独立的刷丝束样品。

5.按照权利要求4所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，如果预紧的力不做要求，使用手动预紧；如果要求准确的预紧力，用拉伸试验机实现。

6.按照权利要求4所述的可模拟航空发动机中刷丝环结构的刷丝束样品制作装置，其特征在于，刷丝的密实程度通过控制折线形凸台在刷丝折线形排列槽内的压入深度来调节。