溫楠 侯崇強 劉長棟

（航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

研究與探討

鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系及預(yù)緊力/安裝力矩控制研究*

溫楠 侯崇強 劉長棟

（航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：概述鋼絲螺套扭拉關(guān)系試驗內(nèi)容、設(shè)備、程序及數(shù)據(jù)處理，在分析相關(guān)標準安裝力矩與預(yù)緊力選擇和確定原則基礎(chǔ)上，介紹安裝力矩與預(yù)緊力確定的標準系數(shù)法和試驗系數(shù)法。

鋼絲螺套；扭拉試驗；安裝力矩；預(yù)緊力。

隨著航天產(chǎn)品對減重要求越來越高，鎂合金、鋁合金、復(fù)合材料等高比強度和比剛度材料在航天器上的應(yīng)用越來越廣泛，但由于這些材料相對較軟，一般不能直接使用螺紋緊固件進行連接。為提高基體材料的強度，通常將鋼絲螺套安裝在這些材料制成的結(jié)構(gòu)件上，通過鋼絲螺套和螺栓實現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的連接。

鋼絲螺套是用高強度、高精度、具有菱形截面的不銹鋼絲繞制成彈簧狀的螺紋連接件。將鋼絲螺套旋入安裝鋼絲螺套用內(nèi)螺紋，其菱形截面的外角與內(nèi)螺紋緊密貼合，菱形截面的內(nèi)角則形成一個新的標準內(nèi)螺紋。由于基體材料是連接的薄弱環(huán)節(jié)，采用常用螺栓連接所規(guī)定的預(yù)緊力/安裝力矩可能會造成鋼絲螺套拉出、基體破壞等情況。為了確保連接的質(zhì)量與可靠性，需通過扭矩與拉力關(guān)系（即扭拉關(guān)系）試驗，量化螺栓預(yù)緊力/安裝力矩，指導(dǎo)實際裝配。作者擬從鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗及預(yù)緊力/安裝力矩控制方面進行分析研究，希望能對鋼絲螺套組件安裝有一定的指導(dǎo)作用。

1 緊固件扭拉試驗及標準選用

緊固件的力矩-拉力試驗，又稱扭拉試驗或扭拉關(guān)系試驗，是研究螺紋緊固件安裝力矩和相應(yīng)產(chǎn)生的拉力之間關(guān)系的一種試驗方法。目前，開展扭拉關(guān)系試驗最常用的試驗方法標準主要有兩個，分別是GB/T 16823.3-2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗》和GJB 715.15-1990《緊固件試驗方法力矩-拉力》。GJB 715.15-1990參照采用美國軍用標準MIL-STD-1312-15《緊固件試驗方法方法15力矩-拉力》（1985版），對測量力矩設(shè)備、測力設(shè)備、試驗夾具、試樣、試驗程序、試驗報告進行了相應(yīng)的規(guī)定，但標準規(guī)定的有關(guān)內(nèi)容較為簡略，未對試驗原理、試驗墊片、擰緊速度等信息進行描述和確定。GB/T 16823.3-2010則等同采用ISO 16407：2005《緊固件扭矩-夾緊力試驗》，對試驗原理、試驗墊片、擰緊速度、標準條件試驗、特殊情況試驗進行了較為詳細的規(guī)定，且該標準對摩擦系數(shù)的測定也進行了相應(yīng)的規(guī)定。不管是從詳盡程度還是適應(yīng)范圍上，作者認為，GB/T 16823.3均要優(yōu)于GJB 715.15。因此，在進行鋼絲螺套組件的扭拉關(guān)系試驗時我們選擇參考了GB/T 16823.3-2010。

2 典型鋼絲螺套組件的扭拉關(guān)系試驗

2.1 試驗樣件、工裝及設(shè)備

a）試驗樣件。根據(jù)鋼絲螺套應(yīng)用場合的不同，將鋼絲螺套組件的扭拉關(guān)系試驗分為電子連接鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗和結(jié)構(gòu)連接鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗。電子連接用鋼絲螺套的規(guī)格一般為小于等于ST4，而結(jié)構(gòu)連接用鋼絲螺套的規(guī)格一般為大于等于ST4。典型的鋼絲螺套試驗樣件信息見表1。

b）試驗工裝。設(shè)計滿足試驗要求的工裝結(jié)構(gòu)（如圖1所示），工裝過孔直徑符合GB/T 16823.3-2010標準中的有關(guān)規(guī)定。

表1 鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗樣件匯總表

圖1 扭拉試驗工裝連接示意

c）試驗設(shè)備。試驗設(shè)備采用GB/T 16823.3-2010標準規(guī)定的設(shè)備，開展扭拉試驗的扭拉試驗機最大測量拉力為200kN，最大測量扭矩為350Nm，扭矩傳感器、拉力傳感器的示值誤差均為±1%以內(nèi)，滿足要求。

2.2 試驗程序

試驗程序主要包括試驗樣件的清洗、試樣樣件的編號與分組、試樣組件安裝（必要時潤滑螺紋部分）、扭矩施加、數(shù)據(jù)保存、樣件拆卸與保存等內(nèi)容。試驗步驟：

●對試驗樣件用酒精或丙酮進行清洗；

●為了使試驗曲線（數(shù)據(jù)）與試驗樣件具有對應(yīng)關(guān)系，將螺釘與配用基體進行分組編號，組合成試驗樣件；

●將試驗樣件按要求進行裝配，并將六角基體固定在夾具中，采用相應(yīng)的扳擰工具進行扳擰；

●試驗加載速度4r/min，加載次數(shù)為1次，直至出現(xiàn)破壞；

●通過扭拉試驗機上的扭矩傳感器與力傳感器，連續(xù)測量試驗組合件在擰緊過程中的擰緊力矩值M與軸向力值F，分別保存扭拉關(guān)系曲線和數(shù)據(jù)；

●試驗完成后，拆下樣件并裝袋編號保存；

●為保證試驗結(jié)果的準確性與充分性，每組至少需要保證10個有效試驗。

2.3 試驗結(jié)果、數(shù)據(jù)處理及分析

a）試驗結(jié)果。對應(yīng)于表1各試驗組別，得到的電子連接和結(jié)構(gòu)連接鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗結(jié)果見表2。

b）數(shù)據(jù)處理。對試驗得到的扭拉關(guān)系曲線通過最小二乘法進行線性擬合，擬合時截取中間段試驗數(shù)據(jù)，取最小破壞載荷的20%～80%，除非數(shù)據(jù)有異常。采用肖維勒法對試驗粗大值進行剔除。

表2 扭拉關(guān)系試驗結(jié)果

c）結(jié)果分析。電子連接鋼絲螺套組件在不潤滑條件下的扭拉試驗結(jié)果一致性相對較好，扭矩系數(shù)K的平均值約為0.33。結(jié)構(gòu)連接鋼絲螺套組件在潤滑條件下扭矩系數(shù)較不潤滑電子連接有較大的下降，K的平均值為0.11。

3 鋼絲螺套組件預(yù)緊力/安裝力矩選擇與控制

3.1 預(yù)緊力/安裝力矩選擇與確定的依據(jù)

在進行了扭拉關(guān)系試驗之后，設(shè)計人員即可根據(jù)試驗結(jié)果來確定相應(yīng)的安裝力矩或預(yù)緊力。以下幾方面的文件/資料，可以對確定安裝力矩或預(yù)緊力有所幫助。

a）美國馬歇爾航天飛行中心螺紋緊固件擰緊力矩標準中，給出的安裝力矩規(guī)定為：對于一般結(jié)構(gòu)連接場合，安裝力矩不應(yīng)超過拉力屈服載荷的65%；對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接場合，安裝力矩應(yīng)占相應(yīng)拉力屈服載荷更高的比例（標準中未給出具體值）。

b）美國MIL-HDBK-60《螺紋緊固件—擰緊到合適的預(yù)緊力》標準中，給出的最大螺栓預(yù)緊力應(yīng)在以下范圍內(nèi)：①螺栓最小拉力載荷的50% ～80%；②最小屈服載荷或保證載荷的75%～90%；③比例極限或屈服起始點所對應(yīng)的力值。

c）ISO 16407：2005（GB/T 16823.3-2010）規(guī)定：夾緊力應(yīng)為試驗螺栓或螺母的保證載荷的75%（取較小值），除非另有規(guī)定。相當于取了MIL-HDBK-60標準預(yù)緊力范圍要求的下限。

d）QJ 2886-1997《鈦合金螺栓擰緊力矩》中規(guī)定：工程應(yīng)用時，計算擰緊力矩時的預(yù)緊力一般可按螺栓最小破壞拉力的35%選取。

從以上標準或文獻中可以看出，國外螺紋緊固件安裝力矩或預(yù)緊力的取值較國內(nèi)航天規(guī)定的相對要高。

3.2 預(yù)緊力/安裝力矩的確定與控制

3.2.1 標準系數(shù)法

標準系數(shù)法即通過查手冊或標準，得到典型配合條件下的扭矩系數(shù)K，將其作為標準系數(shù)，并通過參考德國標準VDI 2230《高載荷螺紋連接件系統(tǒng)計算》規(guī)定或型號設(shè)計人員仿真分析等手段得到螺栓連接的最大和最小預(yù)緊力，然后通過公式（1）、（2）可分別計算得到預(yù)緊力的最大值Pmax和最小值Pmin。

式中：Γ為扭拉安裝方法的不確定因子，螺栓不潤滑時取35%，潤滑時取25%；Tmax、Tmin分別為安裝力矩的最大值和最小值，單位為N·m；K為標準扭矩系數(shù)；D為公稱直徑，單位為mm；P正熱、P負熱分別為正向和負向熱載荷，Ploss為預(yù)緊力的損失，單位為kN。

3.2.2 試驗系數(shù)法

通過試驗的方法，可以確定特定連接情況下的扭矩系數(shù)K、螺紋副摩擦系數(shù)μt、支承面摩擦系數(shù)μb，則可以不引入不確定因子，此時預(yù)緊力的最大值和最小值可通過公式（3）、（4）計算：

式中：Tp為自鎖螺母等的鎖緊力矩，單位為N·m；Kmax、Kmin分別為試驗得到的扭矩系數(shù)的最小值和最大值，其它符號的含義同3.2.1節(jié)。

由于通過試驗剔除了不確定因素，因此，試驗系數(shù)法的精度和可靠性均要高于標準系數(shù)法，在條件允許時應(yīng)優(yōu)先采用。

第2章“扭拉關(guān)系試驗”是第3章“預(yù)緊力/安裝力矩選擇與控制”的基礎(chǔ)，根據(jù)第3章的試驗結(jié)果，設(shè)計人員可按第2章中的方法更精確地選擇和控制預(yù)緊力和安裝力矩。

4 結(jié)論

扭拉關(guān)系試驗在指導(dǎo)螺紋緊固件力矩裝配、實現(xiàn)螺紋緊固件裝配質(zhì)量控制方面有著重要作用，特別是隨著量化安裝力矩要求的提出，很多靠經(jīng)驗或沿用老型號規(guī)定值的做法已無法滿足要求，特別是如何給出合理的預(yù)緊力和安裝力矩，是一個值得研究的問題。預(yù)緊力或安裝力矩給定的不合適，可能會導(dǎo)致過擰或欠擰，都會對連接質(zhì)量帶來不利影響。特別是鋼絲螺套組件連接，由于其在內(nèi)螺紋基礎(chǔ)上安裝了菱形纏繞的鋼絲螺套，對其扭拉關(guān)系及安裝力矩的確定均帶來一定影響，最好是在扭拉試驗研究基礎(chǔ)上，確定相關(guān)的系數(shù)，以對鋼絲螺套預(yù)緊力和安裝力矩進行準確控制，保證連接的質(zhì)量與可靠性。

[1]中機生產(chǎn)力促進中心.GB/T 16823.3-2010緊固件扭矩-夾緊力試驗[S].中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2011-01-10.

[2]孫小炎，佘公藩，陶華，等.GJB 715-15-90緊固件試驗方法力矩-拉力[S].國防科技工業(yè)委員會，1990-07-17.

[3]Lyndon B.Johnson Space Center.NSTS 08307 SPACE SHUTTLECRITERIA FORPRELOAD BOLTS[S].National Aeronautics and Space Administration，1998-07-06.

[4]孫小炎，馬顯軍.QJ 2886-97鈦合金螺栓擰緊力矩[S].中國航天工業(yè)總公司，1997-03-10.

[5]George C.Marshall Space Flight Center.MSFC-STD-486B.STANDARD，THREADED FASTENERS,TORQUELIMITSFOR[S]. NationalAeronauticsandSpaceAdministration，November 1992.

[6]孫升.緊固件力矩-拉力試驗的數(shù)據(jù)處理.航天標準化，2013（1）.

溫楠（1982年—），男，碩士/工程師，研究方向：標準件研究與檢測技術(shù)。

*本文源于國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)課題（課題號Z03××13T001）。