專利名稱：兩個(gè)榫接配件之間的榫接及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩個(gè)榫接配件之間的榫接，它們至少各有一個(gè)平的、圓柱形或錐形的表面部分，榫接配件通過(guò)這些表面部分承力和互相可滑動(dòng)地接觸使這兩個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分只是局部搭接并在接觸區(qū)形成一個(gè)公共的支承面。
接合時(shí)通過(guò)互相接觸表面?zhèn)髁ΧB接松動(dòng)時(shí)彼此撞擊的機(jī)器零件，由于瞬變的或其他的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在正常的材料疲勞過(guò)程中發(fā)生表面初始裂紋，它們?cè)谶M(jìn)一步的機(jī)械應(yīng)力作用下通過(guò)裂紋擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致這些機(jī)器零件的完全破壞。
機(jī)器零件之間的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)主要普遍發(fā)生在機(jī)器零件受到振動(dòng)或熱負(fù)荷的情況下。在受熱負(fù)荷時(shí)，因具有不同熱膨脹特性或由于不同的快速加熱或冷卻使互相鄰接的材料產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，盡管各個(gè)機(jī)器零件例如設(shè)計(jì)用于靜止的使用目的。尤其在當(dāng)有機(jī)械振動(dòng)時(shí)持續(xù)不斷地作用在機(jī)器零件上的交變負(fù)荷以及在溫度交變的情況下，形成垂直于互相撞擊的機(jī)器零件接觸面的初始微裂紋，它們?cè)诶^續(xù)工作過(guò)程中由于存在這種交變負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致在預(yù)先已受損傷的材料中方向垂直于接觸面的裂紋擴(kuò)展。
如上面已簡(jiǎn)述的那樣，通常由于裂紋擴(kuò)展引起的故障隱患會(huì)導(dǎo)致有關(guān)構(gòu)件的破壞，所以有這種形式的損傷的零件必須通過(guò)復(fù)雜的維修工作加以更換，從而增加技術(shù)和財(cái)政上的負(fù)擔(dān)。
在互相鄰接的機(jī)器零件中產(chǎn)生表面初始裂紋的一個(gè)典型例子是在燃?xì)廨啓C(jī)裝置的制有葉片懸掛裝置的轉(zhuǎn)子外套內(nèi)渦輪葉片的固定。每一個(gè)渦輪葉片在其根部制有所謂的榫頭，榫頭有一種輪廓形狀，借助于這種輪廓形狀可將葉片固定在轉(zhuǎn)子外套上相應(yīng)的安裝座中。在轉(zhuǎn)子外套上的安裝座按傳統(tǒng)的方式制有安裝槽，每一個(gè)渦輪葉片的榫頭可以插入并可固定在設(shè)在安裝槽內(nèi)的相應(yīng)的機(jī)械支座上。
由圖2a可見(jiàn)一個(gè)用于表示已知機(jī)械支座接觸面的示意性舉例，此支座是安裝槽的一部分。根據(jù)上述例子相應(yīng)于渦輪葉片榫頭部分的榫接配件1有一圓柱形表面部分11，榫接配件1通過(guò)它與榫接配件2的同樣圓柱形表面部分21連接。在這種情況下榫接設(shè)計(jì)成這樣，即，榫接配件1和2彼此至少可以沿圓柱形表面部分相對(duì)滑動(dòng)，如發(fā)生熱膨脹差時(shí)所要求的那樣。在前面所列舉的渦輪葉片懸掛在轉(zhuǎn)子外套上的例子的情況下，在圖2a中所表示的榫接不僅承受機(jī)械振動(dòng)，亦即應(yīng)能經(jīng)受得住在強(qiáng)力作用下大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，而且除此以外還要在一個(gè)大的溫度范圍(ΔT約650℃)承受大的熱負(fù)荷。這種熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷造成的后果是，在如圖2a所示的這種典型的榫接的情況下將在榫接配件的材料中產(chǎn)生初始裂紋，在圖2b中用符號(hào)A1、A2表示初始裂紋。由于在榫配件1和2上繼續(xù)作用有持久的交變負(fù)荷以及由于在材料內(nèi)存在的機(jī)械應(yīng)力使這類初始裂紋擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致榫接配件不可逆的宏觀破壞。根據(jù)在圖2a中已知的兩個(gè)榫接配件1和2，榫接后在圖2c中用橫截面表示的應(yīng)力剖面說(shuō)明，初始裂紋更嚴(yán)重地發(fā)生在機(jī)械應(yīng)力密度最高的區(qū)域內(nèi)。在圖2c中在榫接配件1和2橫剖面中所畫(huà)的某種程度上可以作為等高線的這些線條表示了應(yīng)力值相等的區(qū)域。顯然，應(yīng)力密度最高的區(qū)域在兩個(gè)榫接配件在其中接觸的平的表面部分內(nèi)靠近榫接配件的輪廓轉(zhuǎn)折點(diǎn)處。此外，這種應(yīng)力分布的特別是，在一定的工作條件下在兩個(gè)榫接配件的接觸區(qū)以外產(chǎn)生拉應(yīng)力，這將促使一旦已形成的初始裂紋的擴(kuò)展。
尤其是最大應(yīng)力梯度區(qū)與彼此相對(duì)的榫接配件的機(jī)械接觸區(qū)局部重疊導(dǎo)致表面裂紋張開(kāi)載荷，這種載荷應(yīng)對(duì)部分不可避免的所謂微振磨損初始裂紋的進(jìn)一步增長(zhǎng)負(fù)責(zé)。
本發(fā)明的目的是進(jìn)一步改進(jìn)在兩個(gè)榫接配件之間的榫接，其中這兩個(gè)榫接配件各至少有一個(gè)平的、圓柱形或錐形的表面部分，榫接配件通過(guò)這些表面部分承力和互相可滑動(dòng)地接觸成使這兩個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分只是局部搭接并在接觸區(qū)形成一個(gè)公共的支承面，按本發(fā)明對(duì)這種榫接作這樣的改進(jìn)，即，應(yīng)避免可能導(dǎo)致榫接配件總體損失的表面初始裂紋的擴(kuò)展。尤其是通過(guò)榫接配件的適當(dāng)造型這種榫接應(yīng)允許采用通用的材料，并尤其當(dāng)使用于燃?xì)廨啓C(jī)裝置中時(shí)能承受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。
按本發(fā)明，上述目的是通過(guò)下述解決方案達(dá)到的，兩個(gè)榫接配件之間的榫接，它們至少各有一個(gè)平的、圓柱形或錐形的表面部分，其中榫接配件通過(guò)上述表面部分加力和互相可滑動(dòng)地接觸成使這兩個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分只是局部搭接并在接觸區(qū)形成一個(gè)公共的支承面，作這樣的改進(jìn)，即，榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分各通過(guò)至少一個(gè)后部切口構(gòu)成一側(cè)的邊界；以及，榫接配件可以這樣的方式連接，即，榫接配件共同的支承面沿一個(gè)方向通過(guò)其中一個(gè)榫接配件的后部切口為界，而沿反方向通過(guò)另一個(gè)榫接配件的后部切口為界。
本發(fā)明思想進(jìn)一步有利的發(fā)展是一個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、12)的表面區(qū)(13、14)分別超過(guò)另一個(gè)榫接配件的后部切口伸出；后部切口設(shè)計(jì)為過(guò)渡邊，并將平的、圓柱形或錐形的表面部分與一個(gè)凹的構(gòu)形，即后部切口構(gòu)形連接起來(lái)；過(guò)渡邊成形為圓的或有棱角的；后部切口構(gòu)形至少有一個(gè)環(huán)面形區(qū)；兩個(gè)榫接配件的后部切口成對(duì)地平行延伸；榫接配件后部切口的延伸方向基本上垂直于榫接配件的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向。本發(fā)明榫接典型應(yīng)用于作為在運(yùn)動(dòng)的或靜止的機(jī)器零件之間的插塞連接，用于補(bǔ)償這些機(jī)器零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及避免在支承面上的材料裂紋；這些機(jī)器零件是渦輪葉片的定心支座或葉片懸掛裝置，制成相應(yīng)形狀與支座相配合的渦輪葉片榫頭可裝入其中。
本發(fā)明基于這一概念，即，通過(guò)榫接配件在榫接區(qū)的幾何造型改變材料內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力分布，將機(jī)械負(fù)荷最大亦即應(yīng)力梯度最大的區(qū)域移出支承面的范圍，與此同時(shí)，將每一個(gè)榫接配件中在一定的工作條件下可能產(chǎn)生使裂紋張開(kāi)并因而促使裂紋擴(kuò)展的平行于表面的拉應(yīng)力區(qū)，排除在此榫接配件與另一個(gè)榫接配件的接觸區(qū)之外，為的是不可能在那里產(chǎn)生任何微振磨損初始裂紋。此外，借助于兩個(gè)榫接配件的接觸面超過(guò)預(yù)期的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和裝配誤差的延長(zhǎng)段，采用超越另一個(gè)榫接配件后部切口前緣的按本發(fā)明的設(shè)計(jì)，可以做到在上面提及的工作條件下在接觸區(qū)內(nèi)只產(chǎn)生使裂紋閉合并因而抑制裂紋擴(kuò)展的表面壓應(yīng)力。
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的思想，下面借助于附圖表示的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但總體上的本發(fā)明的思想不受此限制。
其中

圖1通過(guò)按本發(fā)明的兩個(gè)榫接配件榫接實(shí)施例的示意橫剖面圖；圖2a通過(guò)一種已知的榫接的示意橫剖面圖2b帶材料初始裂紋的按圖2a的示意橫剖面圖；圖2c通過(guò)一種已知的榫接的示意橫剖面圖，其中畫(huà)有應(yīng)力分布曲線；圖3通過(guò)一種按本發(fā)明的榫接的示意橫剖面圖，其中畫(huà)有應(yīng)力分布曲線；以及圖4通過(guò)渦輪葉片榫頭在轉(zhuǎn)子外套安裝槽內(nèi)的榫接區(qū)的局部橫剖面。
圖1表示了按本發(fā)明的榫接的有利的實(shí)施形式，按照這種實(shí)施形式，一個(gè)榫接配件1沿其平的、圓柱形或錐形的表面部分11通過(guò)公共支承面3可與一個(gè)榫接件2的平的、圓柱形或錐形的表面部分21滑動(dòng)(見(jiàn)箭頭)連接。榫接配件1設(shè)計(jì)為使支承面11在圖示的舉例中一側(cè)制有一個(gè)形式上為構(gòu)成有棱角的過(guò)渡邊的后部切口12，此過(guò)渡邊將平的表面部分11與設(shè)計(jì)為凹的后切構(gòu)形24連接起來(lái)。榫接配件2作相應(yīng)的設(shè)計(jì)，它的一側(cè)同樣有一后部切口22，它將平的表面部分21與成形為凹的后切構(gòu)形24連接起來(lái)。
按本發(fā)明的將榫接配件1和2承力和可滑動(dòng)并支承地連接起來(lái)的榫接裝置有一個(gè)支承面3，兩個(gè)榫接配件通過(guò)它實(shí)體地連接，這一連接在所有預(yù)期的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和裝配公差的情況下，沿一個(gè)方向通過(guò)其中一個(gè)榫接配件1的后部切口12為界，沿反方向通過(guò)另一個(gè)榫接配件2的后部切口22為界。
在圖示的實(shí)施例中，平的表面部分11和21分別以其表面區(qū)13和23超過(guò)后部切口12和22伸出。尤其是，表面區(qū)13和23應(yīng)在榫接受到因機(jī)械和熱引起榫接配件1和2相對(duì)運(yùn)動(dòng)的任何工作條件下超過(guò)后部切口12和13伸出，，換句話說(shuō)，表面區(qū)13和23始終有助于使一個(gè)榫接配件的有關(guān)承載區(qū)端部經(jīng)另一個(gè)榫接配件的無(wú)載端部有一個(gè)正的超越量。
采用按本發(fā)明的榫接配件的設(shè)計(jì)，可以將應(yīng)力梯度最大的區(qū)移入后切構(gòu)形14和24的范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生使裂紋張開(kāi)的平行于表面的應(yīng)力。
由圖3可見(jiàn)一典型的在榫接配件1和2之間按本發(fā)明的榫接的橫剖面和畫(huà)出的應(yīng)力分布曲線。在按圖3所示的實(shí)施例中，具有最大應(yīng)力梯度15和25的區(qū)域在后切構(gòu)形S1和S2的范圍內(nèi)。反之，在支承面3的范圍內(nèi)只形成微弱變化的應(yīng)力梯度并除此之處還產(chǎn)生平行于表面的壓應(yīng)力，因此在支承面3內(nèi)防止了表面初始裂紋的擴(kuò)展。
當(dāng)然，除圖1中表示的實(shí)施例以外還可以設(shè)想有兩個(gè)平行延伸的后部切口的榫接配件幾何結(jié)構(gòu)，但這是一種可根據(jù)使用情況任意采取的措施。還可以設(shè)想支承面完全以后部切口為界，因此分別設(shè)置兩對(duì)互相垂直布置的后部切口。
圖4表示一種在榫接配件1和2之間有兩個(gè)按本發(fā)明的榫接4和5的實(shí)施例。圖中表示的實(shí)施例表示了渦輪葉片中相應(yīng)于榫接配件1的榫頭的一部分，它被插入相應(yīng)于榫接配件2的轉(zhuǎn)子外套的安裝槽內(nèi)。在圖示的實(shí)施例中，各后部切口構(gòu)形設(shè)計(jì)為環(huán)面形。
符號(hào)表1 榫接配件11平的表面部分12后部切口13伸出的表面區(qū)14后部切口構(gòu)形2 榫接配件21平的表面部分22后部切口23伸出的表面區(qū)24后部切口構(gòu)形3 支承面4 榫接5 榫接A1初始裂紋A2初始裂紋S1最大應(yīng)力梯度區(qū)S2最大應(yīng)力梯度區(qū)
權(quán)利要求
1．兩個(gè)榫接配件(1、2)之間的榫接，它們至少各有一個(gè)平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、21)，榫接配件通過(guò)這些表面總會(huì)承力和互相可滑動(dòng)地接觸使這兩個(gè)榫接配件(1、2)的平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、21)只是局部搭接并在接觸區(qū)形成一個(gè)公共的支承面(3)，其特征為榫接配件(1、2)的平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、21)各通過(guò)至少一個(gè)后部切口(12、22)構(gòu)成一側(cè)的邊界；以及，榫接配件可以這樣的方式連接，即，榫接配件(1、2)共同的支承面(3)沿一個(gè)方向通過(guò)其中一個(gè)榫接配件(1)的后部切口(12)為界，而沿反方向通過(guò)另一個(gè)榫接配件(2)的后部切口(22)為界。
2．按照權(quán)利要求1所述的榫接，其特征為一個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、21)的表面區(qū)(13、23)分別超過(guò)另一個(gè)榫接配件的后部切口伸出。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的榫接，其特征為后部切口(12、22)設(shè)計(jì)為過(guò)渡邊，并將平的、圓柱形或錐形的表面部分(11、21)與一個(gè)凹的構(gòu)形(14、24)即后部切口構(gòu)形連接起來(lái)。
4．按照權(quán)利要求3所述的榫接，其特征為過(guò)渡邊成形為圓的或有棱角的。
5．按照權(quán)利要求4所述的榫接，其特征為后部切口構(gòu)形(14、24)至少有一個(gè)環(huán)面形區(qū)。
6．按照權(quán)利要求1至5之一所述的榫接，其特征為兩個(gè)榫接配件的后部切口(12、22)成對(duì)地平行延伸。
7．按照權(quán)利要求1至6之一所述的榫接，其特征為榫接配件后部切口(12、22)的延伸方向基本上垂直于榫接配件的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向。
8．按照權(quán)利要求1至7之一所述的榫接，應(yīng)用于作為在運(yùn)動(dòng)的或靜止的機(jī)器零件之間的插塞連接，用于補(bǔ)償這些機(jī)器零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及避免在支承面(3)上的材料裂紋。
9．按照權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征為這些機(jī)器零件是渦輪葉片的定心支座或葉片懸掛裝置，制成相應(yīng)形狀與支座相配合的渦輪葉片榫頭可裝入其中。
全文摘要
介紹兩榫接配件之間的榫接,至少各有一個(gè)平的、圓柱形或錐形的表面部分,榫接配件通過(guò)這些表面部分承力和互相可滑動(dòng)地接觸使這兩個(gè)榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分只是局部搭接,并在接觸區(qū)形成一個(gè)公共的支承面。本發(fā)明的特征在于,榫接配件的平的、圓柱形或錐形的表面部分各通過(guò)至少一個(gè)后部切口構(gòu)成一側(cè)的邊界;以及,榫接配件可以這樣的方式連接,即,榫接配件共同的支承面沿一個(gè)方向通過(guò)其中一個(gè)榫接配件的后部切口為界,而沿反方向通過(guò)另一個(gè)榫接配件的后部切口為界。
文檔編號(hào)F16B5/00GK1206075SQ98115609
公開(kāi)日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1998年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月2日
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