雙耳托板游動可更換自鎖螺母設(shè)計及應(yīng)用研究

張 健，劉紀(jì)福

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

雙耳托板游動可更換自鎖螺母設(shè)計及應(yīng)用研究

張 健，劉紀(jì)福

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

為解決某型直升機尾減整流罩與尾減平臺連接用托板自鎖螺母易失效問題，設(shè)計一種可用于經(jīng)常拆裝部位的可更換、易拆卸的雙耳托板游動自鎖螺母。對該新型標(biāo)準(zhǔn)件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，并完成了各項性能試驗。該新型標(biāo)準(zhǔn)件解決了已有型號上的問題，同時在新型號上獲得了應(yīng)用，具有廣泛前景。

雙耳托板；可更換自鎖螺母；結(jié)構(gòu)設(shè)計；性能試驗；應(yīng)用研究

0 引言

某型直升機由于尾減整流罩與尾減平臺連接處螺釘經(jīng)常拆裝，托板螺母易失效且失效后螺釘易脫落，影響飛行安全。對尾減整流罩與尾減平臺連接處原5LA105托板螺母進行更換，需要對安裝鉚釘進行分解。多次更換托板螺母，也可能對機體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。通過研制可更換、易拆卸的托板自鎖螺母，解決該處連接用托板自鎖螺母易失效的問題，提高尾減整流罩與尾減平臺連接處托板自鎖螺母與螺釘連接固定的可靠性；同時，也為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種可用于經(jīng)常拆裝部位的作為易損件的可更換自鎖螺母，提高結(jié)構(gòu)連接的可靠性和維修性。

1 原理分析

在LA105托板自鎖螺母基礎(chǔ)上，對雙耳托板游動可更換自鎖螺母進行改進，應(yīng)具備托板自鎖螺母及游動托板自鎖螺母的功能特性。裝配尺寸與LA105托板自鎖螺母相同，能夠替代LA105托板自鎖螺母，用于結(jié)構(gòu)連接。同時滿足如下要求：a)支架和螺母分離；b)螺母具有自鎖結(jié)構(gòu)，鎖緊結(jié)構(gòu)應(yīng)使螺紋經(jīng)幾次裝拆后可重復(fù)使用；c)施加規(guī)定的擰緊力矩后，能確保螺栓在拉力載荷下不發(fā)生破壞；d)在不拆卸支架的情況下，不用拆裝工具，自鎖螺母能夠自由拆卸、安裝和更換；e)自鎖螺母能在雙耳托板支架內(nèi)水平方向自由游動；f)卡簧應(yīng)能經(jīng)受自鎖螺母至少1500次的重復(fù)拆卸和安裝而不出現(xiàn)卡緊失效。對現(xiàn)有的托板螺母，譬如GB930-88、GB943-88、LA105、LA115、LA145、HB7595-2011和HB7596-2011進行分析，依照可快速更換的特點，設(shè)計出雙耳托板游動可更換自鎖螺母，其結(jié)構(gòu)外形示意如圖1所示，由雙耳托板、自鎖螺母和卡簧組成。

2 設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1設(shè)計方案一

在結(jié)構(gòu)外形示意圖的基礎(chǔ)上，依據(jù)GB930-88、GB943-88提出方案一：①支架和自鎖螺母采用合金鋼材料；②性能指標(biāo)按照GB943-88要求執(zhí)行。自鎖力矩和軸向載荷滿足GB943-88的要求；③外形尺寸按照GB930-88執(zhí)行；④螺母在支架上水平方向相對于中心的游動量為0.7mm；⑤卡簧為彈性件。在水平方向上對螺母施加一定大小推力的情況下，螺母可以快速拆卸和安裝。

該方案結(jié)構(gòu)緊湊、適宜用于頻繁更換自鎖螺母的部位，大部分產(chǎn)品可以實現(xiàn)快速安裝和拆卸，如圖2所示。GB系列產(chǎn)品的鉚釘孔孔間距較小，小規(guī)格產(chǎn)品不能容納支架中間部分。因此，M3規(guī)格的產(chǎn)品的支架必須為鉚釘預(yù)留空間，中間部分設(shè)計有凹陷結(jié)構(gòu)，如圖3所示。實際使用時，必須將支架鉚接到機體上之后，才能安裝卡簧。小空間范圍內(nèi)，M3規(guī)格不能正常使用，未能完全實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

2.2設(shè)計方案二

依據(jù)LA105、LA115、LA145、HB7595-2011和HB7596-2011，提出方案二，如圖4所示：a)結(jié)構(gòu)強度1100MPa，螺紋為公制M螺紋；b)支架的外形尺寸按LA105、LA115及LA145執(zhí)行；c)螺母在支架上水平方向相對于中心的游動量為0.7mm；d)螺母的性能指標(biāo)達到HB7595-2002的要求；e)卡簧為彈性件，在水平方向上對螺母施加一定大小的推力，螺母可以快速拆卸和安裝。

方案二的外形尺寸更大，有利于支架用于配合自鎖螺母的中間部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計。支架兩邊的托板有足夠的空間可以安裝鉚釘或者抽釘。該方案實現(xiàn)了全系列產(chǎn)品在使用過程中無干涉現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝、拆卸、更換的目標(biāo)。該方案結(jié)構(gòu)緊湊、適宜用于頻繁更換自鎖螺母的部位，全系列產(chǎn)品均可以實現(xiàn)快速安裝和拆卸，達到了設(shè)計目標(biāo)。

2.3自鎖螺母結(jié)構(gòu)優(yōu)化

螺母采用有沉頭窩的結(jié)構(gòu)，便于容納螺栓的螺紋收尾部分，螺母改進對比情況如圖2和圖4中所示。該設(shè)計參考LA105、LA115、LA145、HB8027-2002和HB8026-2002，但其尺寸遠遠大于HB系列產(chǎn)品。產(chǎn)品的支架和自鎖螺母上均有導(dǎo)向裝置。該裝置能夠為自鎖螺母在裝入支架時提供導(dǎo)向，使自鎖螺母在安裝和拆卸時更加方便、好用。自鎖螺母通過收口加工形成螺紋變形，通過螺母直口部位的彈性變形為產(chǎn)品提供可靠的防松力矩。

2.4雙耳托板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在直升機上的某些部位，能安裝自鎖螺母的空間有限，安裝自鎖螺母的部位存在圓弧等不平整的平面。這種情況下需要一種托板尺寸更小的自鎖螺母，能夠避開不規(guī)則的基體。在方案二的基礎(chǔ)上增加了一種能夠適應(yīng)更小空間使用的快卸自鎖螺母。該自鎖螺母具備方案二螺母的的全部功能和機械性能，同時能夠避開安裝部位機體不平整的問題。

為了容納自鎖螺母安裝導(dǎo)向角和避讓機體不平倒角，該支架托板尺寸更厚。此雙耳托板對卡簧的安裝方向提出了要求：支架上表面有倒角的一面與卡簧開口方向相同；反之，則不能使用。支架長度增加，可以在鉚釘孔內(nèi)安裝頭部尺寸更大的抽芯鉚釘，提高產(chǎn)品的通用性。

2.5卡簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化

卡簧在本雙耳游動快卸自鎖螺母上是唯一的彈性件。卡簧將自鎖螺母限制在支架的槽內(nèi)。在一定推力的作用下，自鎖螺母可以通過卡簧的開口部分進出，實現(xiàn)快速安裝和拆卸。每一次安裝和拆卸，卡簧都要張開、閉合一次。因此，良好的彈性是卡簧的關(guān)鍵。

1)材料選擇

卡簧對彈性的要求較高。卡簧選用的材料為不銹鋼材料。該材料的強度范圍較廣，按照不同強度等級，對材料進行了數(shù)十組彈性試驗，對比后選擇最有利于本產(chǎn)品使用的強度等級。根據(jù)GB/T4240的規(guī)定，材料的強度范圍較大，1mm直徑以下絲材主要覆蓋的強度范圍為：σb=690～2180MPa。對不同性能等級的鋼絲進行試驗，驗證該抗拉強度等級的彈性、回彈量、壽命等指標(biāo)，最終選擇了合適強度范圍的鋼絲。該強度等級的鋼絲能夠很好地保證產(chǎn)品的彈性，并為螺母提供軸向力，保證螺母能夠正常安裝。按照標(biāo)準(zhǔn)要求對裝配好的螺母施加460N的軸向推出力，支架變形量遠遠小于0.8mm。支架能夠承受的推出力完全能夠保證產(chǎn)品的正常安裝使用。

2)開口尺寸

卡簧的開口尺寸的選取將影響產(chǎn)品的使用。開口尺寸偏小，安裝和拆卸螺母需要施加的力偏大，使用不方便，尤其是使用到不容易施力的小空間時更加困難。開口尺寸偏大，不能夠有效保護螺母。當(dāng)裝配好的螺母在運輸過程中或者安裝到機體上但還未安裝螺栓時，螺母可能會出現(xiàn)振動脫落現(xiàn)象。

在研制過程中，按照0.2mm一個尺寸區(qū)間進行驗證試驗。在試驗過程中，采用多種試驗措施：①使用拉力機測試安裝、拆卸時的力矩；②將產(chǎn)品鉚裝到小空間的機體上模擬安裝過程，測試使用舒適度及便捷性；③將裝配好的產(chǎn)品放在振動臺上模擬振動情況，測試螺母是否會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。通過典型尺寸對比試驗最終確定適當(dāng)范圍的開口尺寸。在該組別范圍內(nèi)的產(chǎn)品，經(jīng)裝配后，使用方便，力度適中，不會出現(xiàn)螺母脫落或者難于安裝、拆卸的問題。

3)使用壽命

研制的產(chǎn)品主要使用于需要經(jīng)常拆卸、更換自鎖螺母的部位。螺母可以頻繁更換，但是卡簧不容易更換?？ɑ蓧勖枰M行試驗和驗證。預(yù)期目標(biāo)，卡簧應(yīng)當(dāng)至少能夠承受1500次以上的安裝和拆卸。本文對卡簧按照拆卸、安裝2000次進行試驗。

試驗在拉力試驗機上進行，可以測量實際拆卸、安裝自鎖螺母需要的力值。在每個循環(huán)結(jié)束后，必須在投影儀下檢測卡簧開口的尺寸。通過這些試驗測量卡簧開口尺寸及安裝、拆卸自鎖螺母所需力值隨使用次數(shù)增加的變化情況?？ɑ砷_口尺寸及自鎖螺母安裝、拆卸力分布如圖5所示。

試驗完成后，對卡簧表面進行微觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和劃傷；外觀檢查完成后，將卡簧剖開，使用金相顯微鏡檢查微觀組織，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫。經(jīng)過2000次循環(huán)的拆卸和安裝試驗后，卡簧的開口尺寸和拆卸、安裝力值并沒有發(fā)生明顯的衰減，卡簧能夠承受反復(fù)拆卸、安裝所帶來的交變載荷。該卡簧能夠承受全壽命使用。

2.6技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合以上分析，將方案二和在空間受限情況下的改進型分別命名為托板游動可更換自鎖螺母A型和B型，雙耳托板游動可更換自鎖螺母的材料、熱處理及表面處理見表1。

雙耳托板游動可更換自鎖螺母技術(shù)要求參照HB7595-2011《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范》[1]的相關(guān)規(guī)定。為確定性能，要進行鎖緊力矩試驗、振動試驗、軸向載荷試驗、擰脫力試驗和耐鹽霧腐蝕試驗。

研制的雙耳托板快卸自鎖螺母的設(shè)計指標(biāo)較高，實現(xiàn)的功能比較全面；各項性能指標(biāo)優(yōu)于GB系列自鎖螺母，等同于HB系列自鎖螺母。該系列產(chǎn)品采用M螺紋，可以和M螺紋及MJ螺紋的螺栓配合使用；可以替代GB、HB、LA 105、LA 115、LA 145及其他托板自鎖螺母[2]。典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對比如表2所示。

表1 材料、熱處理及表面處理

表2 典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對比(M5)

3 性能試驗及分析

3.1鎖緊力矩試驗

鎖緊力矩試驗主要用于考核螺栓在反復(fù)擰入擰出螺母時，螺母的鎖緊力矩衰減情況。本鎖緊力矩試驗考核15次擰入擰出狀態(tài)下，產(chǎn)品的鎖緊力矩情況。室溫下15次鎖緊力矩試驗按HB7596-2011《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母試驗方法》[3]的規(guī)定進行。鎖緊力矩試驗要求：環(huán)境溫度：室溫；力矩范圍：0.25～1.6N·m；加載力矩：4.7N·m；循環(huán)次數(shù)：15次；試驗設(shè)備：扭力機。鎖緊力矩試驗曲線如圖6。標(biāo)準(zhǔn)值為第1次擰入最大1.6N·m，第15次擰出最小0.25N·m。所示試驗過程中，鎖緊力矩經(jīng)每次擰入擰出循環(huán)后，鎖緊力矩衰減較??；鎖緊曲線平順穩(wěn)定，螺紋沒有出現(xiàn)磨損、失效現(xiàn)象；所有試驗數(shù)據(jù)集中度較高，離散很小。產(chǎn)品的鎖緊力矩符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這些表明收口方案可行、有效，能夠穩(wěn)定地保證產(chǎn)品的鎖緊性能。

3.2振動試驗

振動試驗用于檢測產(chǎn)品在經(jīng)受振動的情況下螺母的松動情況。該試驗用于模擬安裝好的自鎖螺母在承受航空航天器的振動的情況下，螺母的防松效果。振動試驗按HB7596-2011《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母試驗方法》和GJB715.3A-2002《緊固件試驗方法 振動》的規(guī)定進行。試驗要求：頻率：30Hz；振幅：(11.43±0.4)mm；次數(shù)：30000次；試驗設(shè)備：振動臺。振動試驗結(jié)果表明，研制的自鎖螺母能夠滿足振動試驗的要求，產(chǎn)品的抗振防松性能良好。

3.3軸向載荷試驗

本文的雙耳游動快卸自鎖螺母設(shè)計強度較高，軸向載荷強度為1100MPa級別，軸向載荷16.8kN。軸向載荷試驗按HB7596-2011《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母試驗方法》的規(guī)定執(zhí)行。按照標(biāo)準(zhǔn)要求對產(chǎn)品的抗拉載荷進行檢查。軸向載荷試驗后，抗拉試驗曲線如圖7所示。

經(jīng)軸向載荷試驗后，自鎖螺母沒有出現(xiàn)變形、鎖緊失效、裂紋、裂縫等缺陷。將螺母剖開，使用金相法檢測微觀組織，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等不合格現(xiàn)象，表明軸向載荷滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4擰脫力試驗

擰脫力試驗主要是考核支架能夠為自鎖螺母提供足夠的扳擰力矩而不出現(xiàn)破壞，保證正常安裝。將裝配好的雙耳游動快卸自鎖螺母安裝到扳擰工裝上，施加擰緊力矩，按GJB715.5所示方法進行試驗，擰緊力矩為9N·m。按照GJB715.5完成擰脫試驗后，對產(chǎn)品進行了擰脫破壞性試驗，并與HB1-808-83系列游動托板自鎖螺母比較。結(jié)果表明，研制的雙耳游動快卸自鎖螺母能夠承受的扳擰力矩要遠遠高于其他游動托板自鎖螺母，達數(shù)倍之多。該系列產(chǎn)品完全能夠滿足安裝扳擰力矩的要求。

3.5耐鹽霧腐蝕試驗

耐鹽霧腐蝕試驗按GJB150.11A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境實驗方法 第11部分：鹽霧試驗》[4]的規(guī)定進行。耐鹽霧腐蝕試驗主要是模擬高濕度和鹽度的大氣條件下組件抵抗腐蝕的能力，定位潛在的問題區(qū)域，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制缺陷和設(shè)計缺陷等。以雙耳游動可拆卸自鎖螺母A型和改進型B型重復(fù)鹽霧試驗和干燥試驗2次循環(huán)，總試驗時間96h。最后檢測結(jié)果，外形完好，無銹蝕。該系列產(chǎn)品完全滿足耐鹽霧腐蝕試驗要求。

3.6應(yīng)用研究

設(shè)計的雙耳托板游動可更換自鎖螺母替換5LA105用于尾減整流罩與尾減平臺連接處。由于安裝空間受限，選用B型。因接口一致，分解原尾減平臺安裝處5組5LA105托板螺母，換裝雙耳托板游動可更換自鎖螺母，采用原牌號鉚釘鉚接，允許視情加大一級或采用抽釘代替。換裝雙耳托板游動可更換自鎖螺母時須注意卡簧開口端應(yīng)朝上，換用零件清單如表3所示。A型也用于某改進型直升機某安裝平臺，使用性能良好。

表3 零部件清單

4 結(jié)論

本文在分析了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研制了一種可用于經(jīng)常拆裝部位的作為易損件的雙耳托板游動可更換自鎖螺母。結(jié)構(gòu)外形設(shè)計結(jié)合試驗等技術(shù)手段，完成了相關(guān)結(jié)構(gòu)及尺寸優(yōu)化。設(shè)計的雙耳游動可拆卸自鎖螺母A型和B型通過了軸向載荷試驗、擰脫力試驗、鎖緊力矩試驗、振動試驗、耐鹽霧腐蝕試驗，試驗結(jié)果表明該新型標(biāo)準(zhǔn)件具有良好的性能。研制的B型可更換自鎖螺母用于某型直升機，解決了尾減整流罩與尾減平臺連接處螺釘經(jīng)常拆裝、托板螺母易失效的問題，提高了結(jié)構(gòu)連接的可靠性和維修性。同時，A型可更換自鎖螺母用于某直升機改進型某安裝平臺，進一步說明該標(biāo)準(zhǔn)件具有廣泛應(yīng)用前景。

[1] HB7595-2011，使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范[S].國家國防科技工業(yè)局.2011.

[2] 李英亮.緊固件概論[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[3] HB7596-2011，使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母試驗方法[S].國家國防科技工業(yè)局,2011.

[4] GJB150.11A-2009，軍用裝備實驗室環(huán)境實驗方法 第11部分：鹽霧試驗[S].人民解放軍總裝備部,2009.

DesignandApplicationResearchonaNewReplaceableQuickDisconnectTwoLugAnchorFlotingSelf-lockingNut

ZHANG Jian, LIU Jifu

(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

In order to solve the anchor,self-locking nuts failure problem of connection between tail reduction gearbox cowling and tail reduction gearbox platform of the helicopter,a new replaceable, quick disconnect two lug,anchor,floting, self-locking nut for current disassembling position was designed. Structural design and optimization of the new standard part were carried out, what’s more, the performance test were completed.The new standard part solved the problem of existing models and the new models got the application.It has wide prospects.

two lug; anchor; replaceable self-locking nuts; structural design; performance test; application research

2016-11-16

張 健(1988-)，男，河南省信陽市人，碩士，主要研究方向：通用零部件設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)研究，直升機技術(shù)基礎(chǔ)研究

1673-1220(2017)04-053-05

V229+.1

A