引 言

航空螺紋緊固件是飛機結(jié)構(gòu)連接中一種最普遍的連接形式，因為其連接的可重復性、提供較大的夾緊力、便捷性和經(jīng)濟性被大量使用。通常情況下一架殲擊機的螺紋連接件的使用數(shù)量都在10萬件左右。正是由于螺紋連接件的使用數(shù)量多，涉及飛機的各個系統(tǒng)，其連接的重要性也被廣泛關(guān)注。因此很多的學者開始研究航空螺紋連接件的失效模式，大量的研究開始對預(yù)緊力、松動、斷裂等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)和工程領(lǐng)域的仿真和試驗研究。當然在研究過程中也創(chuàng)新了一系列新的產(chǎn)品，例如：Hardlock螺母、高鎖連接、楔形防松螺紋等在工業(yè)各個領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用[1]。

對于螺紋緊固件的松弛問題一般分為兩類，一類：是螺紋副出現(xiàn)了相對的旋轉(zhuǎn)位移，即螺紋旋轉(zhuǎn)松動；另一類是螺紋副沒有出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)松動，但是連接的夾層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了松動，即預(yù)緊力產(chǎn)生了降低或者完全消失的現(xiàn)象，我們稱之為軸向非旋轉(zhuǎn)松馳。

從工程實際中對某型飛機在使用過程中的螺紋松弛問題入手，分析螺紋緊固件松弛的原因和機理，摸清松弛的機理，并結(jié)合工程實際問題，梳理螺紋連接件產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)松馳的必要條件。提出預(yù)防螺紋緊固件非旋轉(zhuǎn)松馳的主要措施。

1、 問 題

某裝備研制中曾發(fā)生密封口蓋連接部位密封失效且連接結(jié)構(gòu)在螺母支撐面出現(xiàn)間隙的故障問題，使用定力扳手再次擰緊螺母時可以擰動一定角度的現(xiàn)象。為查找原因，在螺栓、螺母及夾層上使用劃線的方式進行觀察，發(fā)現(xiàn)再次出現(xiàn)此類問題后螺栓、螺母和夾層之間沒有產(chǎn)生相對位移，對此類不是由于螺紋副相對旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生松動，而是由于其他原因使預(yù)緊力衰減或損失而產(chǎn)生松弛的現(xiàn)象，稱為非旋轉(zhuǎn)松馳。

2、 螺紋松動原因分析

2.1 預(yù)緊力分析

螺紋的安裝過程形成的預(yù)緊力（夾緊夾層的軸向力）普遍認為是影響螺紋緊固件松動的一個重要因素。在螺紋安裝完成后，去除擰緊力矩后又形成一種新的力的平衡，那組成這種力的平衡的影響因素包括，其一是螺母與被連接件支撐面之間的摩擦力，其二是螺紋副在預(yù)緊力作用下的摩擦力，另外一個是螺紋傾角產(chǎn)生的朝松弛方向的轉(zhuǎn)動的分力距。但是支撐面和螺紋副之間摩擦力能夠支撐的防松脫力矩遠遠大于螺紋傾角產(chǎn)生的松弛力矩。也就是說我們拿扳手反向擰松螺母的那一刻再次產(chǎn)生一種臨界力的平衡，我們稱擰松的力矩為臨界旋轉(zhuǎn)松動力矩。

可以看出預(yù)緊力是影響防松能力的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，因此對預(yù)緊力的保持是提高螺紋緊固件防松的重要手段之一。同時預(yù)緊力也是提高連接系統(tǒng)的耐疲勞能力的重要指標。假設(shè)在沒有自鎖機構(gòu)的前提下，預(yù)緊力就是直接反映防松能力的參數(shù)指標。

在螺紋緊固件安裝的過程中形成的預(yù)緊力，以及夾層在承受外部載荷F的作用下的過程如圖1、圖2所示。

由于彈性變形存在著使其回復變形的力，軸向預(yù)緊力的產(chǎn)生是螺栓發(fā)生彈性伸長和被連接件發(fā)生彈性壓縮的結(jié)果。

在夾層受載過程中殘余預(yù)緊力是保證連接夾緊及密封的主要參數(shù)指標，一般對于有密封要求的殘余預(yù)緊力至關(guān)重要，殘余預(yù)緊力是保證壓緊密封的有效作用力[2]。

螺紋緊固件的振動過程中，預(yù)緊力的變化是隨著振動的循環(huán)次數(shù)在不斷變化的[3]。完整的預(yù)緊力衰退曲線如圖3所示。

在整個預(yù)緊力衰退周期中看到隨著振動周期的增加，第一個階段是預(yù)緊力衰退最明顯的，在此過程中一般很少伴隨旋轉(zhuǎn)松動，主要是軸向非旋轉(zhuǎn)松馳造成的預(yù)緊力衰退，也就是我們所說的軸向非旋轉(zhuǎn)松馳。第二個階段就是穩(wěn)定的預(yù)緊力在承受應(yīng)力再分布帶來的局部滑移，經(jīng)過長振動周期的考核，螺紋緊固件開始達到初始的臨界旋轉(zhuǎn)松動扭矩，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動。當產(chǎn)生了初始旋轉(zhuǎn)松動后，會出現(xiàn)疊加效應(yīng)，相應(yīng)的預(yù)緊力大幅下降，臨界旋轉(zhuǎn)松動扭矩急劇下降，到達第三階段的徹底旋轉(zhuǎn)松動。

2.2 影響因素分析

造成這種初始非旋轉(zhuǎn)松馳的主要因素如表1所示。

（1）具有粗糙度的金屬表面-超細的不規(guī)則型，類似于非常細的螺紋，不可能存在完全匹配的情況。給定點上的應(yīng)力通常是材料強度的很多倍，在受力或者運動過程中會出現(xiàn)微動的磨損。螺紋承載面出現(xiàn)的微動磨損會讓螺紋承載面出現(xiàn)應(yīng)力再分布，使得被連接夾層和螺紋緊固件內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，并且接觸表面的粗糙度等配合精度在這個過程中發(fā)生微動磨損，也就是所說的磨合過程。

（2）應(yīng)力再分配。主要是在裝配大的結(jié)構(gòu)過程中，由于連接順序及制孔公差等存在的連接點出現(xiàn)不同程度的內(nèi)應(yīng)力，隨著結(jié)構(gòu)承受外部壓力或者裝配應(yīng)力的釋放，被連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力出現(xiàn)再分配，造成被連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力產(chǎn)生變化。

（3）塑性變形/蠕變。這種變化是由于螺栓出現(xiàn)了過應(yīng)力屈服或者被連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了永久變形，由彈性變形變成了塑性變形，那么預(yù)緊力基本也就不存在或者大幅降低了。一般這種塑性變形都是出現(xiàn)在被連接結(jié)構(gòu)中，被連接夾層由于電位防腐、密封等要求在夾層間增加了防腐布和密封墊等非金屬介質(zhì)，在預(yù)緊力作用下出現(xiàn)蠕變，從而產(chǎn)生松弛的現(xiàn)象。

（4）熱膨脹差異（與溫度變化范圍、材料熱膨脹系數(shù)及彈性模量的變化有關(guān)）。這也是目前普遍存在的一種軸向非旋轉(zhuǎn)松馳形式，由于被連接結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)差異較大，造成在比較冷的環(huán)境下預(yù)緊力急劇下降，大大降低了零件的防松能力。同時在材料經(jīng)歷過不同的溫度沖擊后，夾層的預(yù)緊力出現(xiàn)明顯變化。

2.3 試驗驗證

在非旋轉(zhuǎn)松馳因素的分析過程中，對于蠕變和溫度變化帶來的松弛現(xiàn)象比較容易理解，為了驗證應(yīng)力再分配的情況，對安裝后的螺栓通過超聲傳感器準確測量預(yù)緊力。頭部帶超聲傳感器螺栓如圖4（a）所示。然后對安裝完成后的產(chǎn)品放置1天、7天的預(yù)緊力實時檢測。為保證不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)蠕變帶來的松弛，在兩層被連接結(jié)構(gòu)之間不加任何非金屬介質(zhì)。在兩個夾層板上按順序安裝15顆高鎖螺栓（-6規(guī)格，材料GH4169）和配套的高鎖螺母，如圖4（b）所示，在安裝過程和安裝完成后1天和7天進行預(yù)緊力的測量，并在每顆螺栓和螺母部位進行劃線，保證不出現(xiàn)相對位移，試驗結(jié)果如表2所示。從試驗結(jié)果可以看出，在裝配過程及安裝完成后預(yù)緊力下降比較明顯在8%左右。7天衰減相對1天衰減不大。因此應(yīng)力再分配也是影響非旋轉(zhuǎn)松馳的一個重要因素。

3 、措 施

3.1 典型防松措施

為了避免此類非旋轉(zhuǎn)松馳造成的工程上的影響，很多措施都是在預(yù)防非旋轉(zhuǎn)松弛的產(chǎn)生。

例如新買的行駛一段時間后對車輪的螺栓要進行二次擰緊。對飛機上密封部位的螺栓也有二次擰緊的要求，主要應(yīng)對由于結(jié)構(gòu)在裝配過程中形成的應(yīng)力釋放帶來的預(yù)緊力下降。

例如增加彈性墊圈作為補償，嚴格控制預(yù)緊力大小，避免對被連接結(jié)構(gòu)過載，保持被連接件的彈性。

為了避免溫度變化產(chǎn)生松弛現(xiàn)象的發(fā)生，提供一種足夠彈性的墊圈等來彌補熱漲冷縮帶來的夾層膨脹變化帶來的影響，鐵路上的鐵軌的大的彈簧墊圈就是一種提供足夠彈性的結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示。

3.2 建議措施

在工程中驗證是否是非旋轉(zhuǎn)松馳的一個有效措施就是通過劃線法在連接件上觀察連接件是否出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，結(jié)合安裝力矩的二次校核來驗證是否存在非旋轉(zhuǎn)松馳的松弛。

為了減小應(yīng)力再分配及螺紋磨損造成的非旋轉(zhuǎn)松馳問題，尤其是在有密封要求的連接部位建議開展重復裝配和二次擰緊的要求。首先重復裝配是指的按照安裝力矩首先將螺栓和螺母安裝到位，然后拆卸下螺母，用安裝力矩將螺母安裝到規(guī)定安裝力矩，這樣在第一次安裝過程中就能夠?qū)⒙菁y副之間的微動磨損盡量消除掉，并且會讓螺紋承載面進行應(yīng)力分配均勻從而提高連接的可靠性。其次，在大部件安裝或有密封的部位裝配完成后通過放置以釋放內(nèi)應(yīng)力，3~5天后通過再次擰緊的方式消除結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力帶來的松弛。

但是工程中有很大一部分的非旋轉(zhuǎn)松馳是由于被連接材料的塑性蠕變及密封腳墊等因素的影響造成連接松弛。在連接的可靠性方面受到軸向非旋轉(zhuǎn)松馳影響較大，受到溫度變化夾層的預(yù)緊力會產(chǎn)生較大幅度變化。

如圖6所示，通過預(yù)緊力曲線可以看出，在蠕變過程中其實相當于平移了結(jié)構(gòu)曲線，在相同的載荷條件下，大大減小了殘余預(yù)緊力，其載荷變成了Fx。如果要解決這種問題需要增加彈性機構(gòu)通過彌補夾層的塑變來保持預(yù)緊力。增加了彈性墊圈后的曲線。目的是設(shè)計出一個平臺曲線，讓彈性墊圈能夠承載足夠的預(yù)緊力，而且出現(xiàn)超彈性，超彈性有效載荷越大越好。國外的PLI墊圈就是利用了其超彈性的技術(shù)特征保證連接的有效。

因此在有密封要求的連接部位，增加彈性墊圈可以有效地提高其密封效果，但是普通的彈墊其壓力載荷基本為線性變形其作用有一定幫助。一般在工程中，非旋轉(zhuǎn)松馳的因素是復雜的，而且是多種因素疊加到一起的，因此有效地避免非旋轉(zhuǎn)松弛的措施也是根據(jù)實際情況制定，有時需要多種措施并舉有效提升連接的可靠性。

4、 結(jié) 論

通過工程中存在的實際問題分析了非旋轉(zhuǎn)松馳的成因及機理，對非旋轉(zhuǎn)松馳的主要構(gòu)成要素進行了分析，并通過試驗驗證應(yīng)力再分配帶來的影響，并提出了工程上避免非旋轉(zhuǎn)松馳的可用措施，對如何避免螺紋緊固件松動提出了建議。梳理的螺紋緊固件的松動影響因素，對分析型號螺紋緊固件如何產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)松馳的原因，以及在如何選用防松措施方面有一定的指導作用。

參考文獻

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洪永放.基于旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)螺栓的松動與防范[J].客車技術(shù),2019(3):45-47.

作者簡介

王善嶺，碩士，高級工程師，從事航空行業(yè)標準化和標準件相關(guān)研究工作。

徐亞楠，碩士，工程師，從事航空行業(yè)標準化研究工作。

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