鄭建鋒

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院標(biāo)材部

提高疲勞壽命的托板自鎖螺母選項(xiàng)研究

鄭建鋒

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院標(biāo)材部

目前飛機(jī)上應(yīng)用的托板自鎖螺母主要有：粘接式無(wú)耳游動(dòng)托板自鎖螺母、齒形無(wú)耳游動(dòng)托板自鎖螺母、座圈式無(wú)耳游動(dòng)托板螺母、有耳游動(dòng)托板自鎖螺母，通過(guò)測(cè)試研究對(duì)比這4類托板自鎖螺母進(jìn)行重量、強(qiáng)度性能參數(shù)，并對(duì)四種托板螺母進(jìn)行抗剪搭接疲勞對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，給出飛機(jī)不同區(qū)域?qū)?yīng)的最佳托板自鎖螺母類型選擇指導(dǎo)。

研究對(duì)比的測(cè)試項(xiàng)目

研究對(duì)比的測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果

重量檢測(cè)

經(jīng)在天平上檢測(cè)，5件 MS21076L4的平均重量 為2.596g，安裝 后 對(duì) 結(jié) 構(gòu)增 重1.8232g；5件 CB6014CR4－1P的平均重量為3.342g，安裝后對(duì)結(jié)構(gòu)增重2.7452g；5件CNP11C4－2－03CC的平均重量為4.598g，安裝后對(duì)結(jié)構(gòu)增重3.7435g；5件FTR－4－0－2－0.18－S的平均重量為5.640g，安裝后對(duì)結(jié)構(gòu)增重4.8012g。

表1　試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)件數(shù)量

推出力試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果

推出力試驗(yàn)要求每一個(gè)樣品不小于556.15N，測(cè)試的4種無(wú)鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均推出力達(dá)到1984.32N，破壞形式為支架變形，螺母從支架中脫落；CB6014CR4－1P平均推出力達(dá)到1986.18N，其中2個(gè)樣品破壞形式為支架變形，螺母從支架中脫落，另外3個(gè)為膠層破壞；CNP11C4－2－03CC的平均推出力達(dá)到650.78N，破壞形式為螺母支架從夾層中推出；FTR－4－0－2－0.18－S的平均推出力達(dá)到1827.64N，破壞形式為彈簧支架破壞，螺母脫落。

試驗(yàn)結(jié)果分析

a）4種托板自鎖螺母推出力平均值最好的是CB6014CR4－1P粘接式游動(dòng)無(wú)耳托板自鎖螺母，其推出力與MS21076L4雙耳游動(dòng)托板自鎖螺母相當(dāng)。且5件數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，為理論值325%～385%之間，高出理論值較多；

b）在施加推出載荷的過(guò)程中，CB6014CR4－1P粘接式游動(dòng)無(wú)耳托板自鎖螺母隨著載荷的增加，連接處變形量最小，且曲線變化和破壞形式比較穩(wěn)定。推出力破壞形式是膠層和支架混合破壞，可以認(rèn)為膠層和支架處于等強(qiáng)度水平；

c）FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母的推出力，稍微低于CB6014CR4－1P，水平比較相當(dāng)。FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母的推出力連接處變形量曲線變化和破壞形式比較穩(wěn)定，反映出該種螺母的安裝工藝穩(wěn)定性比較好。其退出全部是彈簧支架破壞，說(shuō)明其干涉安裝部位、與彈簧支架相比，還具有較強(qiáng)的抗推出能力；

d）對(duì)于CNP11C4－2－03CC齒形游動(dòng)托板自鎖螺母，其推出力平均值最低為650.78N，稍微高于理論值556.15N，而且其破壞形式是：螺母支架從夾層中推出，說(shuō)明該種結(jié)構(gòu)的干涉安裝形式在使用過(guò)程中抗推出力的能力較弱，選用時(shí)應(yīng)特別注意，就單項(xiàng)指標(biāo)而言，應(yīng)該慎重選用。

擰脫力矩試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果

政府補(bǔ)助。政府補(bǔ)助主要包括財(cái)政貼息、研究開(kāi)發(fā)補(bǔ)貼和政策性補(bǔ)貼。該變量的數(shù)據(jù)來(lái)源于企業(yè)財(cái)務(wù)報(bào)表附注中損益項(xiàng)目下政府補(bǔ)助項(xiàng)目，是當(dāng)期企業(yè)收到的政府補(bǔ)助合計(jì)減去退回政府補(bǔ)助的金額。

擰脫力矩試驗(yàn)要求每一個(gè)樣品不小于11.3 N·m，測(cè)試的4種無(wú)鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均擰脫力矩達(dá)到16.79N·m，其中2個(gè)樣品破壞形式為鉚釘剪斷，另外3個(gè)為支架變形，螺母從支架中脫落；CB6014CR4－1P平均擰脫力矩達(dá)到18.61 N·m，其中2個(gè)樣品破壞形式為支架破壞，另外3個(gè)為支架變形，膠層破壞；CNP11C4－2－03CC的平均擰脫力矩達(dá)到14.32N·m，破壞形式為齒槽支架相對(duì)于夾層轉(zhuǎn)動(dòng)；FTR－4－0－2－0.18－S的平均擰脫力矩達(dá)到19.51N·m，破壞形式為座圈相對(duì)于夾層轉(zhuǎn)動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)果分析

a）4種托板自鎖螺母擰脫力矩平均值最好的是FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母，而且其擰脫力矩破壞形式都是座圈相對(duì)于夾層轉(zhuǎn)動(dòng)。5件試樣擰脫力矩均高于理論值較多，為理論值的261%；

b）CB6014CR4－1P粘接式游動(dòng)無(wú)耳托板自鎖螺母，擰脫力矩略低于FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母。5件試樣擰脫力矩均高于理論值較多，為理論值的167%；

c）對(duì)于CNP11C4－2－03CC齒形游動(dòng)托板自鎖螺母，其擰脫力矩平均值最低為13.47N·m，稍微高于理論值11.3N·m，而且其破壞形式是：齒槽支架相對(duì)于夾層轉(zhuǎn)動(dòng)。說(shuō)明該種結(jié)構(gòu)的干涉安裝形式在使用過(guò)程中抗擰脫力矩的能力較弱，選用時(shí)應(yīng)特別注意，就單項(xiàng)指標(biāo)而言，應(yīng)該慎重選用。

振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)試驗(yàn)要求每一個(gè)樣品旋轉(zhuǎn)角度不大于360°，測(cè)試的4種無(wú)鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均轉(zhuǎn)角度為22°；CB6014CR4－1P的平均旋轉(zhuǎn)角度為26°；CNP11C4－2－03CC的平均旋轉(zhuǎn)角度為16°；FTR－4－0－2－0.18－S的平均旋轉(zhuǎn)角度為18°。

試驗(yàn)結(jié)果分析

本次振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)主要是考核4種自鎖螺母的抗振動(dòng)能力，與安裝工藝沒(méi)有關(guān)系，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4種螺母都具有較好的抗振動(dòng)能力，相互差異較小，螺母多數(shù)只發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，抗振動(dòng)能力基本相當(dāng)。

搭接剪切疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試每一種螺母連接的接頭靜載荷，然后分別取靜載荷的67%、50%及30%作為疲勞載荷進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況增加2個(gè)疲勞載荷數(shù)據(jù)，形成每一種螺母的S－N曲線，見(jiàn)圖1。

從4種螺母的S－N曲線圖可以看出：

a）MS螺母的應(yīng)力集中影響最大，疲勞性能最差；

b）高載荷區(qū)：FTR螺母疲勞性能比其他3種好，其次是CB螺母及CNP螺母；

c）低載荷區(qū)：CB螺母疲勞性能比其他3種好，其次是CNP螺母，F(xiàn)TR螺母在此區(qū)域性能與MS相當(dāng)。

圖1　4種螺母S－N疲勞曲線

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上測(cè)試項(xiàng)目的綜合對(duì)比，4種無(wú)鉚托板自鎖螺母的性能均滿足規(guī)范NASM20257的要求，但都具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)。綜合來(lái)看，MS螺母（有耳游動(dòng)托板自鎖螺母）應(yīng)力集中影響最大，連接疲勞性能最差，F(xiàn)TR螺母（座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母）高載荷區(qū)疲勞性能較好，低載荷區(qū)CB螺母（粘接式式游動(dòng)托板自鎖螺母）較好。CNP螺母（齒形游動(dòng)托板自鎖螺母）的抗扭脫力矩和推出力較其他3種低，故在需要多次拆卸或受力部位不宜使用CNP型托板螺母。

若從連接疲勞性能上比較，建議在飛機(jī)結(jié)構(gòu)高載區(qū)域，即當(dāng)設(shè)計(jì)載荷大于破壞載荷的30%時(shí)，優(yōu)先選擇座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母，其次是粘接式式游動(dòng)托板自鎖螺母，最后是齒形游動(dòng)托板自鎖螺母；在飛機(jī)結(jié)構(gòu)低載區(qū)域，即當(dāng)設(shè)計(jì)載荷小于破壞載荷的30%時(shí)，優(yōu)先選擇粘接式式游動(dòng)托板自鎖螺母，其次是座圈式游動(dòng)托板自鎖螺母，最后是齒形游動(dòng)托板自鎖螺母。