低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试验方法.pdf

本发明采用的技术方案是一种低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试验方法，其特征是，试验方法先绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图，确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用，然后，根据这两个特性，制作低压涡轮轴盘螺栓连接结构自松脱特性试件；最后搭建试验系统，进行载荷加载和自松脱特征信号提取。

1.一种低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试验方法，其特征是，试验方法先组装低压
涡轮轴盘螺栓连接结构自松脱特性试件，搭建试验系统；绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构
非线性受力变形线图，确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用，再进行载荷加载和自
松脱特征信号提取；试验方法的具体步骤如下：
步骤1组装试件，搭建试验装置；
试件由试件后转子(8)、试件前转子(11)、后轴承(9)、前轴承(4)、螺栓组(5)组成；试件
前转子(11)的一端安装在前轴承(4)的内圈里，试件后转子(8)的一端安装在后轴承(9)的
内圈里；试件前转子(11)和试件后转子(8)通过螺栓组(5)和螺母组(7)固接在一起，完成组
装；
搭建试验装置，将安装在基台(10)上的调速电机(1)的输出轴通过联轴器(2)与扭矩转
速传感器(3)的一端连接,扭矩转速传感器(3)的另一端与试件前转子(11)的一端连接；将
安装在基台(10)上的轴向激振器(16)与轴向力传感器(17)的一端连接，轴向力传感器(17)
通过联轴器(19)与试件后转子(8)连接；将滚轮(12)与栓接支撑座(13)连接，支撑座(13)的
尾端与径向力传感器(14)连接，径向力传感器(14)与径向激振器(15)连接；无线压力传感
器(6)安装在螺栓组(5)和试件前转子(11)之间；轴向激振器(16)及径向激振器(15)的信号
输出端分别与数据采集系统的信号输入端相连，各无线压力传感器(6)的信号接收端口与
数据采集系统相连；温控箱(18)安装在基台(10)上，罩住转子，调整试件的环境温度；
步骤2绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图
首先根据低压涡轮轴盘连接结构几何尺寸及被连接件、螺栓受力状态，进行低压涡轮
轴盘结合界面法向刚度试验，并将结合面法向刚度表达为：
$K_{fg}={\mathrm{\αF}}_m^{\mathrm{\β}}{\tilde{K}}_{fg}---\left(1\right)$其中，为被连接件压强分布，
Fm为外载荷，rk、rm分别为螺栓预紧载荷作用下结合面压力集中分布最
小和最大半径；
结合有限元ANSYS分析，按下式计算螺栓载荷作用下低压涡轮轴盘被连接件刚度：
$K_m=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\πd}}_{h}Etan\mathrm{\θ}{\[2\ln \left(\frac{d_w+3d_h}{d_w-d_h}\frac{d_w+Ltan\mathrm{\θ}-d_h}{d_w+Ltan\mathrm{\θ}+3d_h}\right)\]}^{-1},\\ d_m\≥d_w+Ltan\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\πd}}_{h}Etan\mathrm{\θ}{\[2\ln \left(\frac{d_w+3d_h}{d_m+3d_h}\frac{d_m-d_h}{d_w-d_h}\right)+\frac{8d_h(Ltan\mathrm{\θ}-d_m+d_w)}{(d_m+3d_h)(d_m-d_h)}\]}^{-1},\\ d_w\<d_m\≤d_w+Ltan\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$
其中，θ为半顶角，Km为被连接件刚度；
$\mathrm{\θ}=a_1\frac{\ln (L/d)}{\ln (R+1/R+1)}+a_2(C/d)+a_3\ln (L/d)+a_4\ln (R+1/R-1)+a_5---\left(3\right)$
式中a1，a2，a3，a4，a5结合有限元分析确定，L/d为相对总厚度，C/d为相对间隙，R为被连
接件厚度比；
结合低压涡轮轴盘连接用螺栓刚度，绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形
线图；
步骤3确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用
结合有限元ANSYS分析技术，确定低压涡轮轴盘连接结构预紧过程中的弹性相关性：
$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔF}}_{r1}\\ {\mathrm{\ΔF}}_{r2}\\ \mathrm{...}\\ {\mathrm{\ΔF}}_{rn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2n}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nn}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_{r1}\\ F_{r2}\\ \mathrm{...}\\ F_{rn}\end{array}\right]---\left(4\right)$
aij＝f(Δxij,Δyij,ra,rb,hu,hl) (5)
其中，Fri为施加在第i个螺栓上的预紧力，ΔFrj为第j个螺栓上的预紧力变化量，aij为
弹性相关性影响系数，与X方向距离Δxij、Y方向距离Δyij、低压涡轮盘轴连接结构径向尺
寸ra、rb，上位件厚度hu、下位件厚度hl等相关；
步骤4选择试件中各组成元件的参数，对各螺栓施加载荷；
选择试件前转子(11)和试件后转子(8)轮盘的内径、外径、厚度、螺栓孔直径、螺栓孔数
量；针对试件绘制非线性受力变形线图，试件中单个螺栓额定载荷为Frt，螺栓预紧力为Fpt，
a＝Fpt/Frt，当40％<a<120％，对于具体a取值，满足
$\frac{K_{bt}}{K_{mt}}=\frac{K_b}{K_m}---\left(6\right)$
其中，Kbt为单个螺栓刚度、Kmt为试件前转子(11)和试件后转子(8)的刚度，Kb、Km分别为
实际低压涡轮轴盘连接结构中的单个螺栓刚度、试件前转子(11)和试件后转子(8)的刚度；
对试件结构中各螺栓施加50～80％螺栓额定载荷，获取由于螺栓间弹性相互作用引起
的各螺栓轴向力变化值ΔFrj，使满足：
|max(ΔFrj)-max(ΔFri)|≤20％*|max(ΔFri)| (7)
如果不满足，结合弹性相关性影响系数影响规律aij＝f(Δxij,Δyij,ra,rb,hu,hl)改变
试件结构参数；
步骤5试验加载
定量化加载轴向和径向动载荷、温度载荷，轴向动载荷沿中心轴向方向，径向动载荷平
行于转子结合界面、垂直于轴向方向；并实时、同步测量轴向载荷、径向载荷、温度载荷以及
各螺纹连接件轴向力；针对试件施加初始预紧力，每个螺栓初始轴向力Fbt大小为：
$F_{bt}=F_{b0}+\frac{K_b}{K_b+K_m}*\stackrel{\&OverBar;}{F_a}/n_0---\left(8\right)$
其中，Fb0为实际低压涡轮轴盘连接结构中各螺栓的初始轴向力，Kb、Km分别为实际低压
涡轮轴盘连接结构中的螺栓刚度、被连接件刚度，为低压涡轮轴盘连接结构承受的平均
轴向载荷，n0为实际结构中的螺栓数量；
试件轴向载荷波动ΔFat大小按下式加载：
${\mathrm{\&Delta;F}}_{at}=\frac{K_b}{K_b+K_m}*{\mathrm{\&Delta;F}}_a*n_t/n_0---\left(9\right)$
其中，Kb、Km分别为实际低压涡轮轴盘连接结构中的螺栓刚度、被连接件刚度，ΔFa是实
际结构的轴向载荷波动值，nt为试件中螺栓数量，n0为实际结构中的螺栓数量；
施加与实际结构相同的温度载荷；施加与实际结构相同的转速；结合有限元软件ANSYS
分析，获取实际结构中不平衡量导致的螺栓轴向力变化值ΔFbs，计算获取试件径向波动力
ΔFst；
步骤6试验过程中自松脱特征信号提取
采用统一的数据采集系统及数据处理模块，实时、同步采集激振力信息、温度信息、各
个螺栓轴向力信息，数据采集系统的信号输出端与数据处理模块相连，间隔一段时间保持
一次测试数据；对试件中各螺栓进行标记，记录试验过程中的轴向力传感器(17)上所示的
轴向力载荷数值及其浮动变化、径向力传感器(24)上所示的径向力及其浮动变化及温控箱
(18)上所示温度加载数值，并实时记录无线压力传感器(6)上的数值，即各螺栓轴向力变化
特征，获取低压涡轮轴盘连接结构自松脱特征。

低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试验方法

技术领域

本发明属于螺栓防松脱特性测试领域，涉及一种综合考虑力与热载荷作用下的航
空发动机低压涡轮轴盘多螺栓连接试件防松脱特性试验方法。

背景技术

低压涡轮是航发发动机中最关键的零部件之一，其通过数十个高强度螺栓连接低
压涡轮轴及锥壁。发动机运行过程中，低压涡轮轴盘螺栓连接结构承受高达十几到数十吨
的轴向力，以及数千转高速转动过程中偏心量引起的离心力，轴盘螺栓连接结构工作温度
可到200℃。运行过程中的松脱是低压涡轮轴盘连接结构最主要的失效形式之一，松脱将可
能导致振动加剧。螺栓松脱特性与螺栓预紧力、界面摩擦系数，以及外载荷状态密切相关，
而由于各螺栓端面摩擦系数、牙面摩擦系数、预紧工具精度、盘轴结合界面接触特性、紧固
及运行过程中多螺栓之间的相互作用等因素影响，连接低压涡轮轴盘的各螺栓轴向力上下
偏差可达20～30％。

而现在的防松脱试验系统及试验方法主要是针对单个螺栓的，如国家标准中GB/T
10431—2008紧固件横向振动试验方法。目前，横向振动法是用于评价螺纹紧固件防松性能
的试验方法之一，此方法可以精确地测量紧固件在振动试验过程中预紧力的变化，给出预
紧力与振动次数或时间的关系曲线图，使用广泛。如叶涛、陈晓东等人的发明“一种用于测
试螺纹紧固件防松性能的装置”,申请号201510111450.2，发明了一种用于测试螺纹紧固件
防松性能的试验装置，可以对螺纹紧固件受到的横向冲击力、横向振动幅度、以及预紧力变
化进行实时采集，测量数据较精确，但该装置及方法只能对静态被连接件进行相关防松脱
性能测试，而无法研究动态被连接件上的紧固件松脱特性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，发明一种低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试
验方法，通过制作试件，绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图，确定低压涡
轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用。再搭建试验系统，试验模拟航空发动机实际运行过程中
低压涡轮轴盘连接各螺栓力、热工况、轴向力分散性等工作环境，以及运行过程中轴向力衰
退的试验方法，可准确测定低压涡轮轴盘螺栓连接结构自松脱特性的问题。

本发明采用的技术方案是一种低压涡轮轴盘连接螺栓防松脱特性试验方法，其特
征是，试验方法先制作低压涡轮轴盘螺栓连接结构自松脱特性试件，绘制低压涡轮轴盘螺
栓连接结构非线性受力变形线图，确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用，然后，搭建
试验系统，进行载荷加载和自松脱特征信号提取；试验方法的具体步骤如下：

步骤1制作低压涡轮轴盘简化试件，搭建试验装置。

试件由试件后转子8、试件前转子11、后轴承9、前轴承4、螺栓组5组成；试件前转子
11的一端安装在前轴承4的内圈里，试件后转子8的一端安装在后轴承9的内圈里；试件前转
子11和试件后转子8通过螺栓组5和螺母组7固接在一起；

搭建试验装置，将安装在基台10上的调速电机1的输出轴通过联轴器2与扭矩转速
传感器3的一端连接,扭矩转速传感器3的另一端与试件前转子11的一端连接；将安装在基
台10上的轴向激振器16与轴向力传感器17的一端连接，轴向力传感器17通过联轴器19与试
件后转子8连接；将滚轮12与栓接支撑座13连接，支撑座13的尾端与径向力传感器14连接，
径向力传感器14与径向激振器15连接；无线压力传感器6安装在螺栓组5和试件前转子11之
间；轴向激振器16及径向激振器15的信号输出端分别与数据采集系统的信号输入端相连，
各无线压力传感器6的信号接收端口与数据采集系统相连；温控箱18安装在基台10上，罩住
转子，调整试件的环境温度；

步骤2绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图

首先根据低压涡轮轴盘连接结构几何尺寸及被连接件、螺栓受力状态，进行低压
涡轮轴盘结合界面法向刚度试验，并将结合面法向刚度表达为：

其中，为被连接件压强分布，Fm
为外载荷，rk、rm分别为螺栓预紧载荷作用下结合面压力集中分布最小和最大半径；

结合有限元ANSYS分析，按下式计算螺栓载荷作用下低压涡轮轴盘被连接件刚度：

其中，θ为半顶角，Km为被连接件刚度；

式中a1，a2，a3，a4，a5结合有限元分析确定，L/d为相对总厚度，C/d为相对间隙，R为
被连接件厚度比；

结合低压涡轮轴盘连接用螺栓刚度，绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力
变形线图。

步骤3确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用

结合有限元ANSYS分析技术，确定低压涡轮轴盘连接结构预紧过程中的弹性相关
性：

aij＝f(Δxij,Δyij,ra,rb,hu,hl) (5)

其中，Fri为施加在第i个螺栓上的预紧力，ΔFrj为第j个螺栓上的预紧力变化量，
aij为弹性相关性影响系数，与X方向距离Δxij、Y方向距离Δyij、低压涡轮盘轴连接结构径
向尺寸ra、rb，上位件厚度hu、下位件厚度hl等相关；

步骤4选择试件中各组成元件的参数，对各螺栓施加载荷；

选择试件前转子11和试件后转子8轮盘的内径、外径、厚度、螺栓孔直径、螺栓孔数
量；针对试件绘制非线性受力变形线图，试件中单个螺栓额定载荷为Frt，螺栓预紧力为Fpt，
a＝Fpt/Frt，当40％＜a＜120％，对于具体a取值，满足

其中，Kbt为单个螺栓刚度、Kmt为试件前转子11和试件后转子8的刚度，Kb、Km分别为
实际低压涡轮轴盘连接结构中的单个螺栓刚度、试件前转子11和试件后转子8的刚度；

对试件结构中各螺栓施加50～80％螺栓额定载荷，获取由于螺栓间弹性相互作用
引起的各螺栓轴向力变化值ΔFrj，使满足：

|max(ΔFrj)-max(ΔFri)|≤20％*|max(ΔFri)| (7)

如果不满足，结合弹性相关性影响系数影响规律aij＝f(Δxij,Δyij,ra,rb,hu,hl)
改变试件结构参数；

步骤5试验加载

定量化加载轴向和径向动载荷、温度载荷，轴向动载荷沿中心轴向方向，径向动载
荷平行于转子结合界面、垂直于轴向方向；并实时、同步测量轴向载荷、径向载荷、温度载荷
以及各螺纹连接件轴向力；针对试件施加初始预紧力，每个螺栓初始轴向力Fbt大小为：

其中，Fb0为实际低压涡轮轴盘连接结构中各螺栓的初始轴向力，Kb、Km分别为实际
低压涡轮轴盘连接结构中的螺栓刚度、被连接件刚度，为低压涡轮轴盘连接结构承受的
平均轴向载荷，n0为实际结构中的螺栓数量；

试件轴向载荷波动ΔFat大小按下式加载：

其中，Kb、Km分别为实际低压涡轮轴盘连接结构中的螺栓刚度、被连接件刚度，ΔFa
是实际结构的轴向载荷波动值，nt为试件中螺栓数量，n0为实际结构中的螺栓数量；

施加与实际结构相同的温度载荷；施加与实际结构相同的转速；结合有限元软件
ANSYS分析，获取实际结构中不平衡量导致的螺栓轴向力变化值ΔFbs，计算获取试件径向波
动力ΔFst；

步骤6试验过程中自松脱特征信号提取

采用统一的数据采集系统及数据处理模块，实时、同步采集激振力信息、温度信
息、各个螺栓轴向力信息，数据采集系统的信号输出端与数据处理模块相连，间隔一段时间
保持一次测试数据。对试件中各螺栓进行标记，记录试验过程中的轴向力传感器17上所示
的轴向力载荷数值及其浮动变化、径向力传感器24上所示的径向力及其浮动变化及温控箱
18上所示温度加载数值，并实时记录无线压力传感器6上的数值，即各螺栓轴向力变化特
征，获取低压涡轮轴盘连接结构自松脱特征。

本发明的有益效果是：针对航空发动机低压涡轮轴工作过程中轴向力大、实际连
接结构材料及制造费昂贵等问题，把握低压涡轮轴盘连接螺栓轴向力分散性、螺栓-被连接
件组合受力非线性、多螺栓弹性相关性，以及力、热因素对自松脱特性的综合影响，发明一
种基于试件的低压涡轮轴盘连接结构自松脱特性试验方法，解决了应用单螺栓自松脱试验
方法和系统难以准确测定低压涡轮轴盘螺栓连接结构自松脱特性的问题。方法方便易行，
可靠安全。

附图说明

图1是本发明试验方法流程图，图2是试验装置结构示意图。图中：1、电机；2、联轴
器；3、扭矩转速传感器；4、前轴承；5、螺栓组；6、无线压力传感器；7、螺母组；8、试件后转子；
9、后轴承；10、基台；11、试件前转子；12、滚轮；13、支撑座；14、径向力传感器；15、径向激振
器；16、轴向激振器；17、轴向力传感器；18、温控箱；19、联轴器；

图3是低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图，图中，横轴为螺栓与被连
接件的变形量(mm)，纵轴为外载荷大小(N)，1-螺栓变形曲线，2-试件前转子11和试件后转
子8的变形曲线。

图4是低压涡轮轴盘螺栓各螺栓残余预紧力，图中横轴为螺栓编号，纵轴为各螺栓
残余预紧力(N)；

图5是螺栓预紧力随振动循环次数变化图，图中,横轴为激振器激振循环次数，纵
轴为螺栓实时预紧力与初始预紧力比值。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明试验方法流程图，图2是试验装置结构示意图。本发明实施例1按附图
1的试验方法流程图进行，具体步骤如下：

步骤1组装低压涡轮轴盘简化试件，搭建试验装置。

试件由试件后转子8、试件前转子11、后轴承9、前轴承4、螺栓组5组成；试件前转子
11的一端安装在前轴承4的内圈里，试件后转子8的一端安装在后轴承9的内圈里；试件前转
子11和试件后转子8通过螺栓组5和螺母组7固接在一起，完成试件的组装；

搭建试验装置，将安装在基台10上的调速电机1的输出轴通过联轴器2与扭矩转速
传感器3的一端连接,扭矩转速传感器3的另一端与前转子11的一端连接；将安装在基台10
上的轴向激振器16与轴向力传感器17的一端连接，轴向力传感器17通过联轴器19与试件后
转子8连接；将滚轮12与栓接支撑座13连接，支撑座13的尾端与径向力传感器14连接，径向
力传感器14与径向激振器15连接；无线压力传感器6安装在螺栓组5和试件前转子11之间；
轴向激振器16及径向激振器15的信号输出端分别与数据采集系统的信号输入端相连，各无
线压力传感器6的信号接收端口与数据采集系统相连；温控箱18安装在基台10上，罩住转
子，调整试件的环境温度；

步骤2绘制低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图首先根据低压涡轮轴
盘连接界面制造精度，制作同精度水平、同试件前转子11和试件后转子8厚度的法向刚度简
化试验试件，并应用结合面法向刚度测试方法确定法向刚度与法向载荷之间的关系。

通过有限元ANSYS分析实际低压涡轮轴盘螺栓连接结构非线性受力变形线图，如
图3所示得到低压涡轮轴盘螺栓连接结构法向刚度Kb＝7.002×108N/m；同样得出螺栓载荷
作用下低压涡轮轴盘被连接件刚度Kb＝1.632×109N/m。

步骤3确定低压涡轮轴盘多螺栓连接弹性相关作用通过建立低压涡轮轴盘连接结
构有限元ANSYS分析模型，并按照与实际装配相同的预紧顺序施加预紧力Fbt＝35500N，提取
每一个螺栓施加后各螺栓预紧力变化情况，该轴盘共有36个螺栓，图4表示出各螺栓最终残
余预紧力。按公式(4)确定低压涡轮轴盘连接结构预紧过程中弹性相关性作用较小,结果如
下：

所以，在该特例模型中可以忽略。

步骤4试验加载

按以下方式进行力载荷、热载荷的加载：先针对低压涡轮轴盘连接结构自松脱特
性试验施加初始预紧力，用扳手拧紧各螺栓，直至无线压力传感器6采集的数据显示为
35500N，即将各螺栓初始轴向力Fbt＝35500N施加在试件上，并采用对角顺序拧紧螺栓组中
其余螺栓直至达到上述要求。然后，启动温控箱18，调节温度直至与实际结构运行时所受相
同的温度载荷200℃，使得试件所处周围环境温度与实际运行时相同。

再启动电机1，根据扭矩转速传感器3的显示数值调节转速，从而施加与实际结构
相同的转速。本实例选择的转速为1000rad/s。根据公式(9)得出试件轴向载荷波动为ΔFat
＝5534N，调节轴向激振器16，将振动频率设为500Hz，振动幅度设为5534N，将该振动载荷施
加在试件上，并记录轴向力传感器17上读取实际激振力幅度实时变化值。同样，若需加载径
向激振力，则调节径向激振器15的参数，直至与所需径向激振载荷相同，本实施例中仅加载
轴向激振力，故最后启动轴向激振器16，将轴向激振载荷加载到运行的轴盘试件上。

步骤5试验过程中自松脱特征信号提取

对试件中各螺栓进行标记，记录试验过程中的轴向力传感器17上所示的轴向力载
荷数值及其浮动变化、径向力传感器24上所示的径向力及其浮动变化及温控箱18上所示温
度加载数值，并实时记录无线压力传感器6上的数值，即各螺栓轴向力变化特征，获取低压
涡轮轴盘连接结构自松脱特征。

在图5中，纵轴为螺栓组中一个螺栓实时预紧力与初始预紧力的比值，横轴为激振
循环次数，从图中可以看出，随着轴向激振器16的激振，连接螺栓刚开始有个明显的松弛，
然后进入稳定阶段，在100次激振循环之后螺栓预紧力开始大幅度下降，在1000次激振循环
之后，该螺栓预紧力只有初始预紧力的15％，基本丧失连接功能。