飞机发动机干涉配合可无损装拆设计研究

为何这关系到更安全、更廉价的航班

在每台喷气发动机深处，紧密压合的金属零件必须在高速高温下始终不发生相对滑动。如今，为了检查这些零件而拆卸它们常会造成划伤和性能下降，从而增加检修时间和成本。本研究展示了一种重新设计的零件连接方式，可以在不损伤零件的情况下拆装，同时仍然保持足够的咬合力以安全传递动力。

发动机内部的隐秘“握手”

许多旋转发动机零件通过工程上称为干涉配合的方式连接：一个金属件的尺寸略大于它被压入的孔。强制配合时，零件相互挤压，靠摩擦力固定，从而将扭矩（扭转力）从一个件传递到另一个。在飞机发动机中，这些配合工作在高温、高速和振动等苛刻条件下。随着时间推移，零件需要拆下检查或更换。分离圆柱形干涉配合的常用方法是加热外件或冷却内件以暂时松动配合。但不均匀的加热和冷却会改变金属组织，而零件之间的相对滑动会划伤接触面，留下可能扩展为裂纹的划痕。

从蛮力到更温和的油膜缓冲

作者们探索了另一种方法：用带有窄环形油槽的浅圆锥接触替代简单的圆柱对圆柱接触。在高压下，油被泵入该油槽，在零件间形成一层薄油膜。该油膜在装拆过程中降低摩擦，使零件能够相对滑动而不互相割伤；一旦释放油压，金属表面又能重新紧密咬合。圆锥形还帮助零件在接合时自动对中，改善对准并降低卡滞的可能性。挑战在于将这种新接头设计成在承载扭矩方面仍与原先的圆柱式设计等效。

设计一个行为像旧接头的新接头

为此，团队建立了一个数学描述，说明扭矩如何在接触面上传递，考虑了材料刚度、摩擦以及接触压力的详细分布。利用相似性理论，他们推导出一组无量纲参量，若要使现有（原型）接头与新圆锥设计在扭矩承载行为上等效，这些参量必须相匹配。随后他们聚焦于工程师可调节的参数——主要是锥度和油槽的几何形状——同时保持材料和基本干涉量（即一件比另一件大多少）不变。计算机仿真显示，不同锥度如何改变表面接触的部位和强度，从而指导选择了与原始压力分布最匹配的1:15锥度。

将新设计付诸试验

在确定设计后，研究人员用典型发动机用钢加工出真实试件，在接触的低压区增加环形油槽，并搭建实验装置测量摩擦和扭矩能力。首先，他们仔细校准了金属间最大静摩擦随接触压力变化的关系。接着，他们用液压油装配了不同干涉量的圆锥接头，测量内外件开始滑移时的扭矩，并将这些数值与理论预测及原始圆柱接头进行比较。新型圆锥油助接头在承载扭矩方面与旧设计基本相当——误差仅为几个百分点，证明了基于相似性的设计方法有效。重要的是，在扭转并用液压拆卸后，仅见细小的圆形痕迹，没有深的或轴向的划伤。

这对未来发动机意味着什么

简而言之，该研究表明可以重新设计飞机发动机中的关键“压配”连接，使其可反复拆装而不损伤零件，同时仍能承受相同的扭转载荷。关键要素是精心选择的锥角、由高压油供给的内置油槽，以及确保新接头在强度上忠实模拟旧接头的设计方法。如果在实际发动机中采用，这种无损接头可延长组件寿命、减少更换需求，并使大型发动机检修更快、更安全。

引用: Fu, W., Wang, D. & Wang, Z. Research on the design of non-destructive assembly and disassembly interference fit for aircraft engines. Sci Rep 16, 5188 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35753-6

关键词: 飞机发动机维护, 干涉配合, 液压拆卸, 扭矩传递, 圆锥接头设计