溫楠 侯崇強(qiáng) 劉長(zhǎng)棟

（航天標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng) 劉長(zhǎng)棟

（航天標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)內(nèi)容、設(shè)備、程序及數(shù)據(jù)處理，在分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法和試驗(yàn)系數(shù)法。

鋼絲螺套；扭拉試驗(yàn)；安裝力矩；預(yù)緊力。

隨著航天產(chǎn)品對(duì)減重要求越來(lái)越高，鎂合金、鋁合金、復(fù)合材料等高比強(qiáng)度和比剛度材料在航天器上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于這些材料相對(duì)較軟，一般不能直接使用螺紋緊固件進(jìn)行連接。為提高基體材料的強(qiáng)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(guò)鋼絲螺套和螺栓實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的連接。

鋼絲螺套是用高強(qiáng)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(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(guò)扭矩與拉力關(guān)系（即扭拉關(guān)系）試驗(yàn)，量化螺栓預(yù)緊力/安裝力矩，指導(dǎo)實(shí)際裝配。作者擬從鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗(yàn)及預(yù)緊力/安裝力矩控制方面進(jìn)行分析研究，希望能對(duì)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(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)選用

緊固件的力矩-拉力試驗(yàn)，又稱(chēng)扭拉試驗(yàn)或扭拉關(guān)系試驗(yàn)，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(yàn)方法。目前，開(kāi)展扭拉關(guān)系試驗(yàn)最常用的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)，分別是GB/T 16823.3-2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)》和GJB 715.15-1990《緊固件試驗(yàn)方法力矩-拉力》。GJB 715.15-1990參照采用美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1312-15《緊固件試驗(yàn)方法方法15力矩-拉力》（1985版），對(duì)測(cè)量力矩設(shè)備、測(cè)力設(shè)備、試驗(yàn)夾具、試樣、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，但標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有關(guān)內(nèi)容較為簡(jiǎn)略，未對(duì)試驗(yàn)原理、試驗(yàn)墊片、擰緊速度等信息進(jìn)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(yàn)》，對(duì)試驗(yàn)原理、試驗(yàn)墊片、擰緊速度、標(biāo)準(zhǔn)條件試驗(yàn)、特殊情況試驗(yàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定，且該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)摩擦系數(shù)的測(cè)定也進(jìn)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(rèn)為，GB/T 16823.3均要優(yōu)于GJB 715.15。因此，在進(jìn)行鋼絲螺套組件的扭拉關(guān)系試驗(yàn)時(shí)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣件、工裝及設(shè)備

a）試驗(yàn)樣件。根據(jù)鋼絲螺套應(yīng)用場(chǎng)合的不同，將鋼絲螺套組件的扭拉關(guān)系試驗(yàn)分為電子連接鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)連接鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗(yàn)。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(yàn)樣件信息見(jiàn)表1。

b）試驗(yàn)工裝。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的工裝結(jié)構(gòu)（如圖1所示），工裝過(guò)孔直徑符合GB/T 16823.3-2010標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定。

表1 鋼絲螺套組件扭拉關(guān)系試驗(yàn)樣件匯總表

圖1 扭拉試驗(yàn)工裝連接示意

c）試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備采用GB/T 16823.3-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備，開(kāi)展扭拉試驗(yàn)的扭拉試驗(yàn)機(jī)最大測(cè)量拉力為200kN，最大測(cè)量扭矩為350Nm，扭矩傳感器、拉力傳感器的示值誤差均為±1%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求。

2.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)程序主要包括試驗(yàn)樣件的清洗、試樣樣件的編號(hào)與分組、試樣組件安裝（必要時(shí)潤(rùn)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(yàn)步驟：

●對(duì)試驗(yàn)樣件用酒精或丙酮進(jìn)行清洗；

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

●將試驗(yàn)樣件按要求進(jìn)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(jìn)行扳擰；

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

●通過(guò)扭拉試驗(yàn)機(jī)上的扭矩傳感器與力傳感器，連續(xù)測(cè)量試驗(yàn)組合件在擰緊過(guò)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(yàn)完成后，拆下樣件并裝袋編號(hào)保存；

●為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與充分性，每組至少需要保證10個(gè)有效試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)處理及分析

a）試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)應(yīng)于表1各試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

b）數(shù)據(jù)處理。對(duì)試驗(yàn)得到的扭拉關(guān)系曲線通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性擬合，擬合時(shí)截取中間段試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)粗大值進(jìn)行剔除。

表2 扭拉關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

c）結(jié)果分析。電子連接鋼絲螺套組件在不潤(rùn)滑條件下的扭拉試驗(yàn)結(jié)果一致性相對(duì)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(rùn)滑條件下扭矩系數(shù)較不潤(rùn)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(jìn)行了扭拉關(guān)系試驗(yàn)之后，設(shè)計(jì)人員即可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(duì)確定安裝力矩或預(yù)緊力有所幫助。

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

b）美國(guó)MIL-HDBK-60《螺紋緊固件—擰緊到合適的預(yù)緊力》標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)所對(duì)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(yàn)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(dāng)于取了MIL-HDBK-60標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，計(jì)算擰緊力矩時(shí)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(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)中可以看出，國(guó)外螺紋緊固件安裝力矩或預(yù)緊力的取值較國(guó)內(nèi)航天規(guī)定的相對(duì)要高。

3.2 預(yù)緊力/安裝力矩的確定與控制

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法

標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法即通過(guò)查手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)，得到典型配合條件下的扭矩系數(shù)K，將其作為標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，并通過(guò)參考德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2230《高載荷螺紋連接件系統(tǒng)計(jì)算》規(guī)定或型號(hào)設(shè)計(jì)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(guò)公式（1）、（2）可分別計(jì)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(rùn)滑時(shí)取35%，潤(rùn)滑時(shí)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(biāo)準(zhǔn)扭矩系數(shù)；D為公稱(chēng)直徑，單位為mm；P正熱、P負(fù)熱分別為正向和負(fù)向熱載荷，Ploss為預(yù)緊力的損失，單位為kN。

3.2.2 試驗(yàn)系數(shù)法

通過(guò)試驗(yàn)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(shí)預(yù)緊力的最大值和最小值可通過(guò)公式（3）、（4）計(jì)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(yàn)得到的扭矩系數(shù)的最小值和最大值，其它符號(hào)的含義同3.2.1節(jié)。

由于通過(guò)試驗(yàn)剔除了不確定因素，因此，試驗(yàn)系數(shù)法的精度和可靠性均要高于標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法，在條件允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用。

第2章“扭拉關(guān)系試驗(yàn)”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(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)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(yàn)在指導(dǎo)螺紋緊固件力矩裝配、實(shí)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(yàn)或沿用老型號(hào)規(guī)定值的做法已無(wú)法滿(mǎn)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(gè)值得研究的問(wèn)題。預(yù)緊力或安裝力矩給定的不合適，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)擰或欠擰，都會(huì)對(duì)連接質(zhì)量帶來(lái)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(duì)其扭拉關(guān)系及安裝力矩的確定均帶來(lái)一定影響，最好是在扭拉試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，確定相關(guān)的系數(shù)，以對(duì)鋼絲螺套預(yù)緊力和安裝力矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，保證連接的質(zhì)量與可靠性。

[1]中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心.GB/T 16823.3-2010緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)[S].中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(yàn)方法力矩-拉力[S].國(guó)防科技工業(yè)委員會(huì)，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(guó)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(yàn)的數(shù)據(jù)處理.航天標(biāo)準(zhǔn)化，2013（1）.

溫楠（1982年—），男，碩士/工程師，研究方向：標(biāo)準(zhǔn)件研究與檢測(cè)技術(shù)。

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