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标准与技术

螺纹紧固件松弛曲线的分析与研究

发布时间:2019-01-09   来源:航天标准化   作者:七零八所,马显军  

  安装螺纹紧固件的目的在于使连接牢固, 牢固的前提是紧固件不松弛。要解决螺纹紧固件防松问题, 有必要通过测试螺纹紧固件得出其锁紧性能曲线图, 系统地分析和深入研究螺纹紧固件的松弛现象及其规律。

  一 螺纹紧固件松弛指标及其曲线

  1.衡量螺纹紧固件松弛的指标

  螺纹紧固件的松弛现象是伴随着螺纹紧固件的拧紧而发生的, 由于紧固方法是拧紧, 因而拧紧过程必然有松弛或松弛倾向。对实际安装的螺纹紧固件拧得愈紧, 其松弛的倾向愈强烈。拧紧与松弛是螺纹紧固件锁紧系统在锁紧过程中一个矛盾的两个方面,衡量螺纹紧固件拧紧程度的轴向拉力可以用来衡量松弛程度。安装紧固件当然希望紧固件能长期保持良好的锁紧状态, 长时间内紧固件锁紧系统发生较少松弛, 说明该锁紧系统锁紧性能好, 反之则差。因此, 反映紧固件锁紧系统松弛现象的另一个变量是时间。

  2.试验确定松驰曲线

  任何在应力状态下的系统都有释放应力的倾向, 螺纹紧固件锁紧系统也不例外。紧固件的拧紧过程实际是对该系统施加应力的过程, 在施加拧紧力矩的外部作用停止后,紧固件锁紧系统一直处在不停的松弛过程中。原机械部标准化所的“ 容克”(Junkers)振动试验机采用的是国际上通用的测试螺纹紧固件锁紧性能的试验方法, 它利用以上的原理, 为突出表现螺纹紧固件的松弛特性, 施加某种稳定的外界作用, 使之松弛特性明显, 以便于研究。1996 年, 七零八所在“ 容克” 振动试验机上对不同型式、规格的“ 螺栓—螺母”紧固件锁紧系统进行了锁紧性能对比试验。在振幅为±0.50mm , 频率为30Hz 的振动环境下, 测出几乎所有螺栓—螺母的轴向拉力变化都遵循图1 所示曲线。

图1  螺纹紧固件锁紧系统振动松弛曲线

  图1 中, “轴向拉力—振动时间”曲线(简称“ F — T ”曲线)反映了在振动条件下紧固件锁紧系统的轴向拉力F 随振动时间T 的延长而变小的现象, 反映了锁紧系统在振动条件下的松弛情况。因此, 图示“ F — T ”曲线就是螺纹锁紧系统在振幅为±0.5mm 、频率为30Hz 条件下的振动松弛曲线。

   二 松弛曲线与影响因素分析

  如图1 所示, 螺纹紧固件锁紧系统的松弛曲线有2 个明显特征段。其一是迅速松弛段, 即曲线的“ Ⅰ” 部分, 这段曲线表明,锁紧系统的部分轴向拉力F 在短时间内迅速释放;其二是相对稳定段, 即曲线的“ Ⅱ” 部分, 这段曲线表明, 锁紧系统在释放部分轴向力后, 其轴向拉力F 有一个较长的相对稳定期。

  在以上的测试中, 操作者施加到紧固件上的拧紧力矩的平衡力矩可以分解成“螺栓—螺母” 螺纹副之间的摩擦力产生的力矩Mf 、螺母与被连接件支承面之间的摩擦力产生的力矩Mr 和紧固件因扭转弹性变形产生的力矩Me 。即拧紧力矩:

  M = Mf +Mr +Me

  这三个力矩都与紧固件产生的轴向拉力F 正相关, 任何力矩的变化都将引起F 的变化, 反之亦然。在一定F 的作用状态下,Mf 和Mr 取决于螺纹接触副和被连接件的表面状态, Me 则取决于锁紧系统的刚度和扭转变形量。在这三组影响因素中, 螺纹接触副和被连接件的表面状态在不更换试件、不重新安装拧紧时是相对稳定的, 只有锁紧系统的扭转弹性变形量在冲击或振动等外界条件下会迅速变小, 使F 变小, 系统松弛。同时, 锁紧系统在力矩的作用下也发生蠕变, 也是使F 变小的原因。

  因此, 锁紧系统扭转弹性变形量的变小和锁紧系统在外力作用下的蠕变是造成锁紧系统在“ Ⅰ ” 段内发生F 迅速降低、在锁紧后的初期剧烈松弛的主要原因。

  三 松弛曲线研究的实际意义

  紧固件松弛现象或松弛曲线的研究, 与紧固件锁紧研究一样具有特殊的重要意义。

  1.“ Ⅰ” 段松弛曲线研究的意义

  紧固件安装完成后, 在外界环境影响下将迅速发生弹性变形量变小和蠕变, 使紧固件的轴向拉力减小, 降低了紧固件的锁紧效果。但扭转弹性变形量的变小倾向和在外力作用下的蠕变是锁紧系统的固有物理特性,只要条件具备, 弹性变形量的变小和蠕变就会发生。螺纹锁紧系统作为有条件的应力平衡体系, 有强烈的弹性变形量变小或恢复以及蠕变倾向, 在振动或其它环境条件影响下迅速松弛, 也是必然的。这在日常生活中似乎没什么关系, 但对航空航天等国防高科技工业产品的影响则可能是致命的。试想, 如果空间飞行器升空前, 连接其陀螺平台螺栓可能影响平台基准的弹性变形应力和蠕变应力没有充分释放, 当其升空后, 在强烈的冲击振动或宇宙空间环境作用下, 螺栓发生弹性变形恢复和蠕变, 导致轴向拉力减小;由于连接螺栓的应力释放不可能同步进行, 不同连接螺栓的异步应力变化又将对陀螺平台的应力分布和变形产生放大作用, 则将会导致平台基准偏斜, 影响空间飞行器使用寿命的严重后果。

  同样, 紧固件锁紧系统的松弛作用对运载火箭等型号的重要连接部位也将产生不良影响。

  2.“ Ⅱ” 段松弛曲线研究的意义

  选用和安装紧固件, 我们都希望其锁紧性能良好, 能在相当长的时间内保持良好的锁紧状态。“ Ⅱ” 段松弛曲线形象、准确地反映了紧固件的锁紧特性。通过试验, 根据“ Ⅱ” 段松弛曲线的长短, 我们可以选择锁紧时间较长、锁紧性能较好的紧固件;还可以试验和选择更好的紧固件材料及表面处理方法和安装工艺。

  四 结论

  综上所述, 对螺纹锁紧系统松弛曲线进行分析研究, 探讨螺纹锁紧系统的松弛现象, 掌握其松弛规律是十分必要的。我们应该在积极开发和使用新型、先进紧固件, 制定新标准的同时, 重视紧固件安装工艺的研究, 对紧固件安装前的预处理、安装过程工艺参数的量化控制、安装后的处理工艺方法等进行系统研究, 并制定相应的工艺规范。

  鉴于螺纹紧固件锁紧系统的松弛可能会对产品的关键重要部位产生致命的影响, 建议有关单位采取有效措施, 将紧固件锁紧系统的松弛隐患消除在火箭发射之前, 卫星上天之前;将紧固件锁紧系统的松弛隐患消除在关键部位、重要机构的调试、校准之前,以确保型号研制的稳妥可靠、万无一失。

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