飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中卡板擰緊力矩研究

劉興科，楊鵬飛

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所?全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實驗室，陜西?西安?710065）

螺栓連接是一種廣泛的機(jī)械連接形式，過大預(yù)緊力會造成傳載過程中出現(xiàn)螺栓塑性變形[1]，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力損傷[2]，太小的預(yù)緊力會出現(xiàn)振動或者滑動甚至連接失效的問題。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，卡板加載是一種常見的加載形式[3-4]，為了得到準(zhǔn)確和穩(wěn)定的加載結(jié)果，需要對卡板螺桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。一直以來，國內(nèi)外對于卡板加載形式的預(yù)緊力研究都不是很充分，或者很難應(yīng)用于實際工程試驗，此類研究資料很少。

針對此類加載方式，為得到較好的連接及加載特性，應(yīng)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力[5]，選取合適的預(yù)緊力計算公式。本文結(jié)合工程手冊，推導(dǎo)了擰緊力矩與螺桿預(yù)緊力之間計算公式，并設(shè)計了驗證試驗，通過測試結(jié)果證明了公式的可行性。同時，分析了卡板受力形式，通過分析計算給出了一般卡板預(yù)緊力選取方法，其結(jié)果可作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中選取依據(jù)。

1 擰緊力矩和預(yù)緊力關(guān)系

在實際的試驗工況中，如圖1所示，一般連接件螺栓擰緊力矩和預(yù)緊力存在一定聯(lián)系，預(yù)緊力Qp的數(shù)值根據(jù)螺栓本身和螺母與板、墊圈接觸面粗糙程度確定如下。

圖 1??擰緊力矩

螺旋副間的摩擦力矩為：

式中，d2為螺紋中徑， 為螺紋升角，φv為當(dāng)量摩擦角。螺母與支撐面之間的摩擦力矩為：

式中，fc為螺母與被連接件承壓面間摩擦系數(shù)，D0為螺母承壓面外徑，d0為螺母承壓面內(nèi)徑。

擰緊力矩T等于T1和T2之和：

式（4）即為本文預(yù)緊力計算關(guān)系式。

實際應(yīng)用中常見的是一般加工表面，且無潤滑的普通粗牙螺紋，故在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，卡板中擰緊力矩系數(shù)K=0.3，這符合式（4）計算結(jié)果，擰緊力矩系數(shù)一般在0.1～0.3范圍內(nèi)變動，具體值可參考表1。

表1 ??擰緊力矩系數(shù)K

2 測試試驗

2.1 測試方法

圖2為一般飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中卡板加載形式，采用前后兩根螺桿將上下承載墊塊夾緊，通過調(diào)節(jié)螺桿擰緊力矩大小，改變墊塊接觸力小大。圖3為卡板加載傳力原理，其中Qp為預(yù)緊力，兩端擰緊力矩相等，F(xiàn)1為1號墊塊接觸力，F(xiàn)2為2號墊塊接觸力，a、b、c為各段尺寸。當(dāng)兩端預(yù)緊力相等時，。其中，所選取的螺桿直徑d=20 mm。

圖 2??卡板加載形式

圖 3??測試原理

測試方法及具體流程如下。

（1）取卡板橫梁一對，在橫梁之間的橫梁與杠桿連接處安裝力傳感器，為了保持平衡共安裝2個，安裝示意圖見圖4。

（2）初始狀態(tài)下記錄力傳感器讀數(shù)，消除卡板橫梁自重的影響。

（3）逐級加大兩側(cè)螺母擰緊力矩，同時記錄橫梁之間力傳感器數(shù)據(jù)。

（4）更換橫梁，重復(fù)（2）、（3）步驟測試不同類型橫梁相同連接螺桿數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)測量結(jié)果與杠桿結(jié)構(gòu)算得橫梁緊固螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力之間對應(yīng)關(guān)系。

圖4 ??卡板預(yù)緊力測試安裝圖

2.2 測試結(jié)果

螺桿擰緊過程中逐級記錄測力傳感器1和測力傳感器2的反饋，表2為不同橫梁下螺桿預(yù)緊力測試結(jié)果。

表2 ??擰緊力矩與預(yù)緊力測試結(jié)果?N

圖5為擰緊力矩與預(yù)緊力測試結(jié)果，可以看出，所測得數(shù)據(jù)呈線性分布，截距由測試時預(yù)先擰緊調(diào)零造成。忽略調(diào)零影響，故可僅取，根據(jù)式（4），可得理論，測試結(jié)果與理論計算相差3%，證明了理論公式推導(dǎo)的合理性。因此，此理論公式可作為工程計算卡板螺栓預(yù)緊力公式。

圖5 ??載荷-擰緊力矩趨勢

3 卡板預(yù)緊確定

通常的卡板加載首先作用在試驗件上，一般希望施加的擰緊力越小越好?？ò鍨槁輻U連接，螺母和被連接件結(jié)合面之間的接觸擠壓傳遞軸向力，壓緊橫梁在加載過程中會出現(xiàn)彎曲，因此要求在試驗加載狀態(tài)下保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，此預(yù)緊力在結(jié)構(gòu)和材料確定之后僅與卡板設(shè)計尺寸相關(guān)。螺紋的最大受力取決于最大拉載F，圖6為其使用狀態(tài)下受力情況，對于合金鋼螺桿，[6]，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗要求傳載設(shè)備安全系數(shù)δ不小于4倍，則 。

圖6 ??卡板預(yù)緊后使用受力分析

式（8）可作為一般飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗卡板預(yù)緊力計算依據(jù)，其中d1為螺紋小徑，結(jié)合公式（4）可選擇合適的擰緊力矩。

4 結(jié)????論

結(jié)合一般飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中卡板加載及受力特點(diǎn)，推導(dǎo)了卡板螺桿預(yù)緊力與擰緊力矩轉(zhuǎn)換公式，設(shè)計了合理的預(yù)緊力測試方法，測試結(jié)果與理論分析吻合較好，驗證了計算公式的正確性，此方法可作為一般測試卡板形式加載系統(tǒng)預(yù)緊力方案。通過受力分析，給出了工程實際中預(yù)緊力大小的設(shè)置范圍，其可作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中卡板預(yù)緊力選擇方法，具有一定的工程意義。