賈曉嬌 張曉斌 于建政 劉敏麗 徐飛 齊樂

（1 航天精工股份有限公司，天津，300300；2 中國人民解放軍空軍駐天津地區(qū)軍事代表室，天津，300300）

螺栓螺母類緊固件安裝時，容易出現(xiàn)螺栓轉動與擰斷螺栓的現(xiàn)象，尤其在航空航天飛行器部段之間，螺栓螺母的安裝質量直接影響結構連接的可靠性。螺栓螺母安裝過程中產生的預緊力是安裝質量的表現(xiàn)形式，控制預緊力的主要目的：①充分發(fā)揮螺栓的承載功能；②提高螺紋連接的防松能力；③為設計連接件的外載荷 (包括密封) 提供基本依據(jù)；④螺栓的擰緊程度的均勻性及一致性，對精密儀器的裝配尤為重要。所以，在進行飛行器部段連接設計時，必須掌握擰緊力矩與預緊力的匹配關系。

大規(guī)格螺栓螺母擰緊過程比較復雜，但在航空航天飛行器型號設計中的應用非常廣泛，尤其針對高溫合金緊固件，其良好的耐高溫性能在飛行器高溫部段的連接起到至關重要的作用，國內外針對大規(guī)格螺栓擰緊力矩的標準不多，對于M18 以上大規(guī)格螺栓螺母在型號上安裝的可靠性研究也較少。本文分析了飛行器用大規(guī)格螺栓螺母擰緊力矩與預緊力的關系，以M18 和M22 大規(guī)格高溫合金緊固件為研究對象，對大規(guī)格高溫合金緊固件在實際安裝環(huán)境下的擰緊力矩與預緊力的關系、安裝次數(shù)與扭拉系數(shù)的變化規(guī)律作了研究，對大規(guī)格螺栓螺母的安裝力矩參數(shù)進行表征，對安裝提出了合理建議。

1 試驗過程

1.1 試驗原理

試驗采用圖1所示的裝置安裝被測試件，在有效力矩試驗過程中，試驗裝置不產生夾緊力，與現(xiàn)場實際裝配螺栓和螺母對夾緊層產生的夾緊力（螺栓的預緊力）在本質上并無差異。在試驗裝置上加實用墊片，完全模擬出現(xiàn)場實際的裝配環(huán)境，以達到最佳的測試狀態(tài)。通過軸力傳感器測定擰緊力矩與預緊力（夾緊力）之間的對應關系。實用墊片即在航空航天飛行器實際裝配過程中，螺栓螺母安裝在實際的基體材料上，而實用墊片用實際裝配的基體材料加工而成，在試驗中可以完全模擬實際裝配環(huán)境。

圖1 被測試驗件安裝示意圖

1.2 試驗設備及工裝

本次試驗采用了拉力傳感器和扭力傳感器，通過雙通道應變儀，設計試驗硬件，利用計算機進行全過程記錄，試驗用設備如圖2所示。

圖2 微機控制扭轉拉力試驗機

試驗用實用墊片的表面粗糙度為Ra1.6。鋁實用墊片材料采用LC9，硬度為時效至T6 狀態(tài)；鋼實用墊片材料采用30CrMnSiA，淬硬300HV～400HV。試驗用潤滑脂為：SH/T 0458-1992 特12 潤滑脂ZT-12。

1.3 試驗方法

試驗方法按照GB/T 16823.3《螺紋緊固件擰緊試驗方法》，該標準規(guī)定了力矩-拉力測試的試驗原理。依據(jù)GB/T 3098.9-2010《緊固件機械性能 有效力矩型鋼鎖緊螺母》9.3.2 條規(guī)定，按圖1所示的測試裝置，在有效力矩試驗過程中，試驗裝置不應產生夾緊力。根據(jù)試驗原理，試驗通過預先設置螺栓要達到的軸力目標值，該目標值為螺栓理論破壞拉力的40%～80%，通過專用的試驗設備可以測試出螺栓達到預設軸力目標值時的對應旋合螺母的擰緊力矩值。由于該測試過程是連續(xù)的，因此可得到螺栓產生的軸力值與螺母的擰緊力矩值之間的曲線關系，通過最終的關系曲線，我們從中拾取如10%Fmax、20%Fmax、30%Fmax……（Fmax為預設的螺栓軸力目標值）所對應的螺母擰緊力矩數(shù)據(jù)，最終通過數(shù)據(jù)分析，得出螺栓螺母旋合安裝過程中，對螺母施加的擰緊力矩與螺栓產生的軸力之間的關系。

2 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 第一次擰入擰緊力矩與預緊力關系曲線

我們選用10 個M22 樣品分別進行試驗，螺栓螺母旋合子試樣以鋼實用墊圈作基體材料，在涂覆潤滑脂和不涂潤滑脂的情況下，測定的擰緊力矩與預緊力關系曲線如圖3所示。

圖3 M22 規(guī)格螺栓（潤滑/無潤滑，鋼實用墊圈）擰緊力矩與預緊力關系曲線圖

圖3中，1#～5# 試驗子樣采用了潤滑脂，6#～10# 試驗子樣無任何潤滑。以螺栓理論破壞抗拉載荷的百分點（如10%Fmax、20%Fmax、30%Fmax……，F(xiàn)max為預設的螺栓軸力目標值）作為試驗數(shù)據(jù)采集基點，圖中以X 軸表示；通過試驗測得的擰緊力矩，圖中以Y 軸表示。從曲線關系可以看出，螺栓螺母10 個旋合子樣在無潤滑和有潤滑的條件下，螺栓預緊力由10%Fmax增加至40%Fmax（Fmax為預設的螺栓軸力目標值，為380kN）時，其對應施加的擰緊力矩與預緊力基本都呈線性遞增關系。根據(jù)試驗情況來看，螺栓螺母旋合模擬擰緊時，螺栓的預緊力與對應施加的擰緊力矩整體數(shù)據(jù)反映比較穩(wěn)定，各子樣的試驗效果一致性較好，配合螺紋副間的摩擦、接觸端面的摩擦，即扭拉系數(shù)一致性較好。

以M22 規(guī)格螺栓螺母旋合子試樣為例，以鋁實用墊圈作為基體材料涂覆潤滑脂，測定擰緊力矩與預緊力關系試驗，曲線如圖4所示。

圖4 M22 規(guī)格螺栓（潤滑脂，鋁實用墊圈）擰緊力矩與預緊力曲線圖

2.1.1 潤滑對擰緊力矩與預緊力關系的影響

在螺栓達到預設的預緊力目標值時，比較有潤滑條件和無潤滑條件下的螺栓螺母子樣，可以看出施加的擰緊力矩顯著降低（圖3上反映的擰緊力矩遞增趨勢減緩），曲線斜率減小，潤滑對螺紋副減小摩擦有顯著效果。因此，大規(guī)格螺栓螺母配合擰緊時，采用額外的潤滑脂，可用較小的擰緊力矩使螺栓達到預設的預緊力，這在實際工程上應用顯著。但潤滑脂的涂覆需在精密裝配的場合，并應加以控制，即涂覆的量、涂覆的位置和涂覆的范圍都應明確，這關系到各零件裝配的一致性。以M22 規(guī)格為例，當使螺栓達到預設的15%Fmax軸向載荷時，在無任何潤滑情況下，對螺母施加的擰緊力矩在208N·m～223N·m 之間；而螺紋副增加潤滑脂后，對螺母施加的擰緊力矩在107N·m～117N·m 之間，潤滑與不潤滑兩種狀態(tài)達到相同的預緊力所需的擰緊力矩相差約100N·m，見表1。

表1 潤滑條件對擰緊力矩的影響（Fmax=380kN）

2.1.2 基體材料對擰緊力矩與預緊力關系的影響

在相同的潤滑條件下，通過緊固件連接不同基體材料（試驗中用實用墊圈模擬），以考察不同基體材料對擰緊力矩與預緊力關系是否存在影響。分析圖3和圖4得出，在相同潤滑條件下，使螺栓產生相同的預緊力時，給螺母施加的擰緊力矩，帶有鋼實用墊圈（30CrMnSiA）的比鋁實用墊圈（LC9）的要小，如表2中的數(shù)據(jù)顯示。以螺栓產生15%Fmax軸向載荷為例，擰緊帶有鋼實用墊圈的螺母的力矩為103N·m～117N·m，其范圍值波動14N·m；，擰緊帶有鋁實用墊圈的螺母的力矩為141N·m ～180N·m，其范圍值波動39N·m。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，由于鋁材的剛度軟于鋼材，在大規(guī)格螺栓螺母配合擰緊過程中，其受到的軸向載荷較大，從而導致鋁材逐步發(fā)生微變形，而促使加載過程中其綜合摩擦系數(shù)迅速增加，導致其擰緊力矩加大。

表2 潤滑條件下基體材料對擰緊力矩的影響（Fmax=380kN）

2.2 擰入次數(shù)對擰緊力矩與預緊力關系的影響

本次試驗針對螺栓螺母的反復循環(huán)使用，考察了預緊力與擰緊力矩之間的關系。我們選用1個帶有鋁實用墊圈M18 規(guī)格螺栓螺母試樣在無任何潤滑條件下進行5 次旋合試驗，第1 次到第5 次測得的擰緊力矩與預緊力關系曲線如圖5所示。

圖5 M18 規(guī)格子樣（無潤滑，鋁實用墊圈）擰入擰緊力矩與預緊力關系曲線

從圖5可以看出，M18 規(guī)格螺栓螺母在反復旋合5 次試驗過程中，隨著旋合次數(shù)的增加，對應施加的擰緊力矩也逐次遞增，在螺栓預緊力記錄基點10%Fmax至40%Fmax區(qū)間內，其對應施加的擰緊力矩與預緊力基本呈線性遞增關系。

試驗發(fā)現(xiàn)，M22 規(guī)格與M18 規(guī)格一樣，當對螺母施加擰緊力矩促使螺栓預緊力≥50%Fmax時，除施加的擰緊力矩迅速增加外，螺栓螺紋由于承受較大的載荷發(fā)生變形，特別是處于無潤滑條件的狀態(tài)，配合螺紋副很快受到破壞，導致螺紋副壽命顯著降低，螺栓螺母后續(xù)反復加載擰入試驗次數(shù)驟減。帶有鋁實用墊圈M22 規(guī)格螺栓的軸向載荷比M18 規(guī)格更大，螺紋加載后其變形更加嚴重，因此對其反復旋合試驗只進行了2 次，得到擰緊力矩與預緊力關系曲線如圖6所示。

2.3 扭拉系數(shù)的變化規(guī)律

在工程應用中，扭拉關系常用簡化公式進行計算：M=K d F，其中，M 為對螺母施加的扭矩（N·mm）；F 為由扭矩產生的螺栓軸向拉力（N）；d 為螺紋的公稱直徑（mm）；K 為扭拉系數(shù)，或者當量力矩系數(shù)。

圖6 M22 規(guī)格子樣（無潤滑，鋁實用墊圈）擰緊力矩與預緊力關系曲線

這個近似的計算公式，嚴格來講，M 和F 是近似的直線關系，但因其計算簡單，對于要求不嚴的使用環(huán)境，該公式可以完全滿足，因此在工程設計中廣泛應用。

此處以帶有鋁實用墊圈M18 規(guī)格螺紋副為例，介紹扭拉系數(shù)計算過程。由圖7（a）可知，擰緊力矩與軸向預緊力呈線性關系（Y=1.548X+33.165），線性斜率為1.548，公稱直徑為18，所以扭拉系數(shù)為1.548/18=0.086，依此類推，獲得5次擰進試驗中的扭拉系數(shù)的變化曲線；由圖7（b）可知，隨著擰緊次數(shù)的增加，扭拉系數(shù)增加。

圖7 M18 規(guī)格螺紋副（潤滑，鋁實用墊圈）擰入次數(shù)與對應的扭拉系數(shù)關系曲線

圖8為M22 規(guī)格子樣首次擰入的扭拉系數(shù)變化規(guī)律。其中：1# 線為無潤滑條件下扭拉系數(shù)變化曲線；2# 線為潤滑條件下扭拉系數(shù)變化曲線。對比可知，無潤滑條件下，扭拉系數(shù)數(shù)值較高，且波動較大；有潤滑條件比無潤滑條件下的扭拉系數(shù)更小，且數(shù)據(jù)一致性較好。

圖8 M22 規(guī)格子試樣（潤滑/無潤滑，鋁實用墊圈）首次擰入的扭拉系數(shù)變化曲線

3 安裝力矩建議

在實際裝配過程中，通常設定安裝力矩值，采用力矩扳手實現(xiàn)螺紋聯(lián)接副的可靠安裝。根據(jù)上述大規(guī)格螺栓螺母旋合試驗得出的數(shù)據(jù)，在潤滑或不潤滑的條件下，其擰緊力矩及螺栓螺母循環(huán)使用次數(shù)的差異較大。為保證現(xiàn)場裝配的可操作性與可靠性，建議大規(guī)格螺栓螺母的旋合裝配盡量使用潤滑脂潤滑，以減小螺紋副的摩擦，提高聯(lián)接副的使用壽命。在確實無法潤滑的場合，建議螺栓螺母的首次旋合裝配達到的預緊力不易超過40%Fmax，螺紋副至多反復使用3 次。

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)分析，提供的安裝力矩建議值求平均值處理后，在達到設定的預緊力時，按照最大最小值給定一定范圍的偏差。安裝力矩建議見表3～表5。

表3 規(guī)格M18 達到預定的預緊力的安裝力矩建議（潤滑，鋁實用墊圈）

表4 規(guī)格M22 達到預定的預緊力的安裝力矩建議（潤滑/無潤滑，鋼實用墊圈）

表5 規(guī)格M22 達到預定的預緊力的安裝力矩建議（潤滑脂，鋁實用墊圈）

4 結論

a）M18、M22 規(guī)格高溫合金緊固件螺紋副，在模擬實際安裝環(huán)境時，螺栓預緊力由10%Fmax增加至40%Fmax時，其對應施加的擰緊力矩與預緊力基本都呈線性遞增關系。

b）螺栓螺母子樣在采取潤滑的條件下，在螺栓達到預設的預緊力目標值時，對螺母施加的擰緊力矩相比無潤滑條件時顯著降低。

c）在相同潤滑條件下，使螺栓產生相同的預緊力時，給螺母施加的擰緊力矩，采用鋼實用墊圈（30CrMnSiA）比鋁實用墊圈（LC9）要小。

d）高溫合金緊固件螺紋副隨著反復擰入次數(shù)的增加，達到相同的預緊力時，所需的擰緊力矩呈現(xiàn)遞增的變化規(guī)律，其扭拉系數(shù)也明顯呈遞增變化趨勢。

因此，筆者建議大規(guī)格螺栓螺母的旋合裝配盡量使用潤滑脂潤滑；在確實無法潤滑的場合，建議螺栓螺母的首次旋合裝配達到的預緊力不易超過40%Fmax；螺紋副至多反復使用3 次。

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