專利名稱：一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構的制作方法
技術領域：
本發明針對葉輪機械葉片、輪盤連接結構，屬于機械結構連接的通用設計方法技術領域，特別涉及一種低應力波浪型接 觸面直榫連接結構。
背景技術：
目前，在包括航空發動機、內燃機等在內的葉輪機械葉片/輪盤連接結構中，榫連結構的應用較為廣泛，其作用是用來連接工作葉片和輪盤。雖然隨著工程技術的進步，出現了通過焊接形成的整體葉盤結構，但由于造價、技術成熟度等多方面的原因，使得榫連結構仍將在很長一段時間內作為葉輪機械中葉片/輪盤之間的主要連接形式。早期的葉片/輪盤采用銷釘式連接，通過銷釘承擔剪切載荷并傳力，工作葉片依靠凸耳由銷釘同輪緣的環槽相連。這種連接具有減震和消除連接處附加應力的作用，但其承載能力有限，尺寸和重量大，因而隨著對葉輪機械工作條件的要求日益提高，這種連接方式逐漸被淘汰，其原因在于螺栓孔邊有顯著的應力集中，隨著載荷的增加，孔邊將出現較大區域的塑性區，使結構強度及壽命顯著降低。而榫連結構則使工作葉片通過榫頭安裝在輪緣處相應的榫槽內，通過榫槽側面的接觸面進行定位和傳力。二者之間通常采用間隙配合，葉片安裝方便，同時避免了在榫槽內出現裝配應力。比較而言，其接觸承載面積較大，應力水平較低且分布較為均勻，是目前葉輪機械中葉片/輪盤之間的主要連接方式。對于風扇/壓氣機通常采用燕尾型榫連結構，對于渦輪則通常采用揪樹型榫連結構。一般的榫連結構其接觸面沿葉輪機械旋轉軸的軸線方向為平面，稱其為直榫，本發明即是一種新型的直榫連接；此外，在一些先進的高推重比航空發動機的風扇榫連結構中，出現了圓弧榫(例如CFM56-7型發動機)，即葉片榫頭及輪盤榫槽沿葉輪機械旋轉軸的軸線方向均為圓弧形，這樣可以保證在葉片數目相同的條件下，增大輪轂比，使風扇的氣動性能得到提高。葉輪機械的葉片承受的載荷較為復雜，通常包括葉片離心力、葉片氣動載荷以及由氣流沖擊導致的振動，對于渦輪葉片及輪盤還將承受較高的熱負荷。因此，榫連結構在這些載荷直接或間接的作用下，將在接觸面之間產生較大的接觸應力，在循環載荷的作用下，導致榫連結構發生疲勞失效。微動疲勞是榫連結構一種主要的失效模式，也是榫連結構工程設計及優化的關注點。大量研究表明，傳統的采用平面接觸的榫連結構接觸區邊緣存在顯著的應力集中，這種高梯度接觸應力是導致榫連結構發生微動疲勞失效的重要原因。通過對榫連結構關鍵幾何參數(例如接觸角、接觸區邊緣圓角半徑、接觸區長度等等)進行優化，可使接觸區邊緣的峰值應力減低，提高結構強度及壽命。但只要采用直線/直線(二維條件下)的接觸方式，就無法消除接觸區邊緣的高梯度應力。

發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，目的在于改善傳統榫連結構接觸區邊緣存在高梯度應力的狀況，進而增強榫連結構抗微動磨損及疲勞的能力，并由此提供一種由波浪形接觸面/平面作為接觸面的直榫連接結構。本發明中所述波浪型接觸面直榫連接結構是在傳統平面接觸直榫連接結構的基礎上發展而來的，該結構包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，發明的創新處在于葉片及榫槽的接觸面設計。葉片榫頭的側接觸面為由波浪型接觸面，輪盤榫槽接觸面為平面，若以垂直于葉輪機械軸線的平面作為切面，形成的接觸線呈現為波浪形接觸線/直線接觸的形式。這使得工作載荷下葉片/輪盤的接觸應力分布形式發生了較大的改變。本發明提出的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，所述的葉片榫頭為直線形榫頭，葉片榫頭沿水平平面方向為直線形形狀，該葉片榫頭沿豎直截面方向分為上下榫頭兩部分，上部榫頭的兩側側壁為沿豎直方向的平行側壁，下部榫頭的兩側側壁為具有多個波峰和波谷對稱的波浪型側壁；波浪形接觸面的波峰 數量η的取值為2 L/4R，其中L為下部榫頭側壁的直線接觸區長度，R為波峰段對應的圓弧半徑，波峰段對應的圓弧半徑與波谷段對應的圓弧半徑相等，R的取值優選為小于等于L/8。所述的輪盤榫槽沿水平平面方向也為直線形狀，榫槽分為上下榫槽兩部分，上部榫槽為兩側內壁向上張開的水平壁面結構，下部榫槽為兩側內壁向下張開并向榫槽內部延伸的平壁結構，葉片榫頭與輪盤榫槽之間的連接為間隙配合，下部榫頭兩側的波浪型側壁上向上凸起的圓弧形波峰位置與下部榫槽兩側向下張的平面內壁之間的接觸為多個圓弧面/平面的赫茲接觸，接觸位置的總數量由波峰數量η決定。本發明的優點在于(I)本發明的一種波浪型接觸面直榫連接結構，改善了接觸應力的分布形式，消除了傳統平面/平面接觸區邊緣的峰值應力，提高了結構強度。(2)傳統平面/平面接觸區邊緣的峰值應力是導致榫連結構發生微動疲勞失效的重要原因，由于本發明中的波浪型接觸面直榫連接結構使接觸應力分布形式發生改變，并由多對接觸對分擔承載，進而提高了結構抵抗微動疲勞失效的能力。


圖I為本發明提出的波浪型接觸面直榫連接結構的整體結構示意圖；圖2為本發明提出的波浪型接觸面直榫連接結構的截面結構示意圖；圖3為本發明波浪型接觸面直榫連接結構葉片榫頭結構示意圖；圖4為本發明波浪型接觸面直榫連接結構葉片榫頭局部放大結構示意圖；圖5為本發明波浪型接觸面直榫連接結構輪盤榫槽結構示意圖；圖6為本發明波浪型接觸面直榫連接結構輪盤榫槽局部放大結構示意圖；圖7為幾種典型的接觸形式及其應力分布特征曲線圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明提出一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，其中輪盤榫槽與傳統結構相似，葉片榫頭(即下部榫頭)兩側接觸面為波浪型接觸面，該波浪型接觸面為具有多個波峰和波谷的對稱波浪型接觸面，其中波峰和波谷由半徑為R的波谷段半圓弧彼此外切形成，波峰的數量η則由下部榫頭側壁的直線接觸區長度L及波峰段對應的半圓弧半徑R的比值確定，即n = L/4R。波峰段對應的圓弧半徑與波谷段圓弧半徑相等。如圖I和圖2所示，所述的葉片榫頭為直線形榫頭，即葉片榫頭沿水平平面方向為直線形形狀，該葉片榫頭沿豎直截面方向為凸形結構，分為上下榫頭兩部分，上部榫頭的兩側側壁為沿豎直方向的平行側壁，如圖3和圖4所示，下部榫頭的兩側側壁為向外側具有多個圓弧形凸起的波浪型側壁，該波浪型側壁由半徑為R的半圓弧順次外切形成的具有多個波峰和波谷的對稱型波浪型接觸面，且下部榫頭的兩側側壁的最下方的一個圓弧為波峰位置的圓弧，該圓弧與下部榫頭底邊之間的連接為導角結構，導角角度為35° 75° (此角度也即傳統結構榫頭/榫槽工作時的接觸角)，該角度采用各圓弧圓心所構成的直線與下部榫頭底邊之間的夾角進行度量，上部榫頭的兩側側壁與下部榫頭的兩側側壁之間的連接也為導角連接，導角角度為125° 165°，上部榫頭和下部榫頭的高度比為O. 4 1.0，上部榫頭頂邊的寬度與下部榫頭底邊寬度的比值范圍為O. 5 O. 9，上下部榫頭整體高度與 下部榫頭底邊的寬度的比值范圍為I. O 3. O。如圖5和圖6所示，所述的輪盤榫槽沿水平平面方向也為直線形狀，榫槽分為上下榫槽兩部分，上部榫槽為兩側內壁向上(向榫槽開口方向)微微張開的水平壁面結構，兩側內壁面與豎直方向的夾角為5° 10°，下部榫槽為兩側內壁向下(向榫槽槽底方向)張開，并向內部延伸的平面內壁結構，此處結構形式同傳統結構相同，兩側內壁與豎直方向的夾角為15° 55° (此角度同榫頭/榫槽工作時的接觸角形成互余關系)。上部榫槽的兩側內壁和下部榫槽的兩側內壁之間的連接部分為導角連接，導角角度為115° 160°，下部榫槽的兩側內壁與下部榫槽的槽底之間的連接部分為導角連接，導角角度為35° 75°。葉片榫頭與輪盤榫槽之間的連接為間隙配合，下部榫頭的兩側波浪型接觸面的波峰與下部榫槽兩側向內凹的平面內壁之間的接觸為多段圓弧面/平面接觸，這使得工作載荷下葉片/輪盤的接觸應力分布形式同傳統結構相比發生了較大的改變。上部榫槽的深度大于等于上部榫頭的高度，下部榫槽的深度大于下部榫頭的高度。本發明中形成的圓弧面/直線之間的接觸同典型的赫茲接觸十分接近，其產生的壓力曲線形式接近橢圓形，不存在較大的峰值應力。進一步將多段圓弧/直線接觸體應用于榫連結構當中，就可以更加有效地降低接觸區的峰值應力，提高榫連結構的強度和疲勞性能。如圖7所示的幾種典型的接觸形式及其應力分布特征，可以看出傳統的直線/直線接觸導致了較高的峰值應力；圓弧/直線接觸為赫茲接觸，其接觸應力的分布形式為橢圓形；圓弧面內切時的應力分布則接近橢圓形；多段圓弧/直線接觸體的接觸應力分布則為多段橢圓，在比較上述幾種情況，此接觸狀態下，接觸峰值應力是最小的，也有利于抵抗微動疲勞。本發明提出的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其榫頭接觸面由多個凸起的圓弧構成波浪型接觸曲面，榫槽的作用則是將葉片榫頭包住，將其同輪盤相連，工作時由輪盤帶動葉片旋轉，對氣體進行做功。此結構可應用于各種大小推力/功率葉輪機械風扇/壓氣機的葉片/輪盤的連接當中。從上述對本發明的描述可以看出，本發明的技術方案能夠緩解傳統榫連結構接觸區邊緣峰 值應力高、抵抗微動疲勞性能差的缺點，可提高結構的強度及壽命。
權利要求
1.一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分； 所述的葉片榫頭為直線形榫頭，葉片榫頭沿水平平面方向為直線形形狀，該葉片榫頭沿豎直截面方向分為上下榫頭兩部分，上部榫頭的兩側側壁為沿豎直方向的平行側壁，下部榫頭的兩側側壁為波浪型側壁，該波浪型側壁由半徑為R的半圓弧順次外切形成的具有多個波峰和波谷的對稱型波浪型接觸面，且下部榫頭的兩側側壁的最下方的一個圓弧為波峰位置的圓弧； 所述的輪盤榫槽沿水平平面方向為直線形狀，榫槽分為上下榫槽兩部分，上部榫槽為兩側內壁向上張開的水平壁面結構，下部榫槽為兩側內壁向下張開，并向內延伸形成平面內壁結構，葉片榫頭與輪盤榫槽之間的連接為間隙配合，下部榫頭兩側的波浪型側壁上凸起的圓弧頂端與下部榫槽兩側向內凹的平面內壁之間的接觸為圓弧面/平面的赫茲接觸。
2.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于所述的下部榫頭的波浪型側壁中波峰數量為2 L/4R，其中L為下部榫頭側壁的直線接觸區長度，R為波峰段的圓弧半徑。
3.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于下部榫頭的兩側側壁的最下方的一個圓弧為波峰位置的圓弧，該圓弧與下部榫頭底邊之間的連接為導角結構，導角角度為35° 75° ;上部榫頭的兩側側壁與下部榫頭的兩側側壁之間的連接也為導角連接，導角角度為125° 165°。
4.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于所述的上部榫頭和下部榫頭的高度比為O. 4 I. O ;上部榫頭頂邊的寬度與下部榫頭底邊寬度的比值范圍為O. 5 O. 9，上下部榫頭整體高度與下部榫頭底邊的寬度的比值范圍為I. O 3.O。
5.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于所述的上部榫槽的兩側內壁面與豎直方向的夾角為5° 10°，所述的下部榫槽的兩側內壁面與豎直方向的夾角的夾角為15° 55°。
6.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于上部榫槽的兩側內壁和下部榫槽的兩側內壁之間的連接部分為導角連接，導角角度為115° 160°，下部榫槽的兩側內壁與下部榫槽的槽底之間的連接部分為導角連接，導角角度為35。 75°。
7.根據權利要求I所述的一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，其特征在于所述的上部榫槽的深度大于等于上部榫頭的高度，下部榫槽的深度大于下部榫頭的高度。
全文摘要
本發明提出一種低應力波浪型接觸面直榫連接結構，屬于機械結構連接的通用設計方法技術領域，所述的波浪型接觸面直榫連接結構包括葉片榫頭及輪盤榫槽兩個部分，其中輪盤榫槽同傳統結構的輪盤榫槽相似，葉片榫頭的兩側接觸面由多個向外凸起的圓弧面外切形成波浪型接觸面，其波峰數量n的取值在2～L/4R之間，R的取值宜小于等于L/8。本發明的一種波浪型接觸面直榫連接結構，改善了接觸應力的分布形式，消除了傳統結構形式下平面/平面接觸區邊緣的峰值應力，提高了結構強度，且提高了結構抵抗微動疲勞失效的能力。
文檔編號F01D5/30GK102817639SQ20121020618
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者魏大盛, 王延榮, 蔣向華, 楊慧, 袁善虎, 石亮 申請人:北京航空航天大學