楔型螺紋螺母可靠性初步評(píng)估方法研究

，，

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天型號(hào)產(chǎn)品隨著研制領(lǐng)域的延展和深入，在發(fā)射和飛行過程中要經(jīng)受愈發(fā)復(fù)雜苛刻的環(huán)境。為確保型號(hào)產(chǎn)品在這些環(huán)境下能夠長期可靠服役，要求對(duì)型號(hào)上的緊固件產(chǎn)品及其連接可靠性提出嚴(yán)格的要求。

作為航天器結(jié)構(gòu)連接的主要形式之一，緊固連接的可靠性要求不允許有失效的可能，但在實(shí)際工程中是很難做到的，因此需要進(jìn)行可靠性分析，找出可能失效的薄弱環(huán)節(jié)，采取措施進(jìn)行糾正和預(yù)防。

楔型螺紋螺母產(chǎn)品是用以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜可靠環(huán)境的一類優(yōu)良緊固件[1]。而對(duì)于楔型螺紋螺母產(chǎn)品在復(fù)雜載荷和環(huán)境下的可靠性設(shè)計(jì)需求，僅采用傳統(tǒng)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型[2]的可靠性設(shè)計(jì)方法(靜態(tài)載荷分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方法)已無法滿足。因此，為評(píng)估楔型螺紋螺母產(chǎn)品的可靠性，本文將針對(duì)其特點(diǎn)和可能的失效模式，建立楔形螺紋螺母產(chǎn)品的可靠性評(píng)估流程和可靠性理論模型。

1 楔型螺紋螺母產(chǎn)品及其連接形式

1.1 楔型螺紋螺母產(chǎn)品

楔形螺紋螺母是一種新型的自鎖內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品。楔形螺紋具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)——在內(nèi)螺紋的牙底處有一個(gè)30°的楔形斜面，當(dāng)螺栓螺母相互擰緊時(shí)，螺栓的牙尖就緊緊地頂在楔形螺紋的楔形斜面上，從而產(chǎn)生了很大的鎖緊力，增加防松摩擦力(見圖1)。同時(shí)，外螺紋牙頂在與楔形螺紋咬合時(shí)，牙頂處齒尖易變形，使載荷均勻地分布在接觸的螺旋線全長上，避免了普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋咬合時(shí)，80%以上的總載荷集中作用在第一和第二牙的螺紋面上的現(xiàn)象。因此，楔形螺紋聯(lián)結(jié)副不僅克服了普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋聯(lián)結(jié)副在振動(dòng)條件下易于自松的缺點(diǎn)，而且還使得楔形螺紋的軸向力均勻分布在整個(gè)螺紋的旋合長度上，從而提高了整個(gè)內(nèi)螺紋的承載能力，對(duì)于延長螺紋連接的使用壽命具有重要意義。

圖1 楔形螺紋示意圖Fig.1 Wedge screw example

1.2 緊固連接形式

緊固連接用的緊固件，需要承受靜載荷和動(dòng)載荷，要求緊固連接必須具有一定的強(qiáng)度。航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上典型的緊固連接形式見圖2、圖3，將上述楔形螺紋螺母與配用螺栓及安裝板連接在一起，即構(gòu)成單個(gè)緊固連接。

圖2 連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Connection structure example

圖3 單個(gè)螺釘-螺母連接Fig.3 A single bolt-nut connection

2 楔型螺紋螺母產(chǎn)品的可靠性理論模型

2.1 可靠性

可靠性特征量一般包括：可靠度、失效概率、失效率、平均壽命[3]。其中，可靠度是對(duì)于可靠性的概率測(cè)量，其定義是產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件和規(guī)定的使用壽命內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。與可靠度相對(duì)應(yīng)的特征量是失效概率，是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的壽命內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率。失效率的定義是產(chǎn)品工作到某時(shí)刻尚未失效，在該時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。平均壽命指的是產(chǎn)品使用壽命的數(shù)學(xué)期望值；對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命是指失效前的平均時(shí)間[4]。

對(duì)于螺栓連接，一般假設(shè)其強(qiáng)度與應(yīng)力均為正態(tài)分布，可大為簡(jiǎn)化可靠度的計(jì)算。

2.2 楔型螺紋螺母產(chǎn)品的可靠性評(píng)估流程

為評(píng)估楔形螺紋螺母產(chǎn)品可靠性，首先需要明確緊固件的主要性能指標(biāo)，然后確定楔型螺紋螺母產(chǎn)品的可靠性評(píng)估方法和要求，通過可靠性模型計(jì)算得到可靠性水平。針對(duì)楔形螺紋螺母產(chǎn)品的特點(diǎn)，其可靠性評(píng)估的分析流程如圖4所示。首先，對(duì)楔型螺紋螺母產(chǎn)品的特性進(jìn)行理論分析，然后通過故障樹分析(FTA)和故障模式影響及危害性分析(FEMCA)并計(jì)算得到可靠性，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證并修正可靠性模型[5]。

圖4 可靠性評(píng)估研究流程Fig.4 Reliability evaluation research process

2.3 楔型螺紋螺母的FTA分析

根據(jù)緊固件的結(jié)構(gòu)特性和楔形螺紋螺母產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立楔形螺紋螺母緊固件的失效故障樹模型，如圖5所示，其中故障樹編號(hào)的意義見表1。

圖5 楔形螺母失效故障樹模型Fig.5 Wedge screw failure tree mode

表1 故障樹編號(hào)意義Tab.1 Failure tree mode symbols

2.4 楔型螺紋螺母連接可靠性模型

進(jìn)行螺栓連接可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)螺栓連接的使用要求確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于靜載可靠度、拆裝可靠度的評(píng)價(jià)，可采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型；對(duì)疲勞可靠度的評(píng)價(jià)，可采用疲勞模型計(jì)算。基于上述模型，推導(dǎo)出螺栓連接可靠性的模型和計(jì)算公式。對(duì)于耐腐蝕可靠度和抗振防松可靠度，試驗(yàn)采用了截尾試驗(yàn)的方法，其評(píng)價(jià)采用威布爾分布的截尾試驗(yàn)可靠度計(jì)算公式。

3 可靠性試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 可靠性試驗(yàn)

為評(píng)估楔形螺紋螺母產(chǎn)品可靠性，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：極限抗拉性能試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、防松壽命試驗(yàn)、拆裝壽命試驗(yàn)、應(yīng)力持久試驗(yàn)以及防腐蝕壽命試驗(yàn)。本文中選用螺紋為M10×1.5；普通外螺紋：8個(gè)螺紋牙，材料GH4169；普通內(nèi)螺紋：6個(gè)螺紋牙，材料GH4169；楔形螺紋：6個(gè)螺紋牙，材料GH2132楔形螺紋，尺寸標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10971-2010[6]。

3.2 可靠性試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 極限抗拉性能試驗(yàn)

極限抗拉性能的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，楔型螺紋螺母的失效形式為螺栓斷裂和螺母脫扣。靜載失效平均軸力為89.95kN，標(biāo)準(zhǔn)差為1.69 kN，變異系數(shù)為0.019。對(duì)于靜載可靠性的計(jì)算采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，被試組合件的靜載可靠性為RT=Φ(zT)>99.9916%。

表2 靜載可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Static load reliability test data

3.2.2 疲勞壽命試驗(yàn)

疲勞壽命試驗(yàn)分為兩組，第一組完全按照GJB715.30A-2002[7]進(jìn)行，樣本量為10件；第二組對(duì)試驗(yàn)件施加安裝力矩(68N·m)，試驗(yàn)樣本量為18件。帶力矩疲勞壽命測(cè)試試件失效后的狀態(tài)可以看到較為明顯的貝殼形斷口紋理。表3給出了楔型螺紋螺母產(chǎn)品疲勞壽命，由于帶力矩狀態(tài)更好地模擬了組合件在實(shí)際使用中的受載狀態(tài)，使試驗(yàn)件組合體不僅受拉-拉載荷的作用，同時(shí)受到剪切載荷的作用，受載情況更為復(fù)雜，數(shù)據(jù)離散度相對(duì)較高，疲勞壽命更低，即該方法對(duì)可靠性的要求更為嚴(yán)格。因此，本文提出的帶力矩狀態(tài)疲勞壽命測(cè)試方法優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試方法。

表3 疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Fatigue life test data

3.2.3 抗振防松壽命試驗(yàn)

為對(duì)楔型螺紋螺母緊固件組合的抗振防松壽命按照GJB 715.3A-2002[8]進(jìn)行摸底，在振動(dòng)循環(huán)合格后，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)振動(dòng)循環(huán)達(dá)到10次標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求或所有被試件松脫試驗(yàn)停止。試驗(yàn)的安裝力矩為40N·m。經(jīng)過10次標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)后，無一松動(dòng)，試驗(yàn)后的拆卸力矩見表4。

表4 抗振防松壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Anti-vibration and anti-loose life test data

根據(jù)截尾試驗(yàn)的可靠性計(jì)算方法以及常規(guī)自鎖緊固件抗振防松壽命要求，取任務(wù)數(shù)=截尾數(shù)=300000個(gè)循環(huán)周期，試驗(yàn)置信度為0.7，投試數(shù)量n=20件，為提高安全系數(shù)，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，由此計(jì)算得到組合抗振防松性能的可靠度為：

根據(jù)楔型螺紋螺母緊固件抗振防松壽命要求，取任務(wù)數(shù)=60000個(gè)循環(huán)周期，其他數(shù)據(jù)同上，則計(jì)算出的抗振防松壽命可靠度為：

3.2.4 拆裝壽命試驗(yàn)

拆裝壽命試驗(yàn)按照北京宇航系統(tǒng)工程研究所《楔形內(nèi)螺紋自鎖螺母技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝力矩進(jìn)行50次加載試驗(yàn)。由于楔型螺紋螺母緊固件的特點(diǎn)(第一次安裝的扭矩系數(shù)與其后各次差異較大，隨著拆裝次數(shù)的增加，緊固連接的軸向力不斷增大。故將產(chǎn)生的軸向力控制在一定的范圍內(nèi))，規(guī)定以第2次～第5次的平均扭矩系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，各次拆裝若扭矩系數(shù)與其偏差大于30%，判定失效。其中，扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中扭矩與軸力之間的系數(shù)，是零件的一個(gè)特征參數(shù)。拆裝壽命的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。對(duì)于拆裝壽命可靠性的計(jì)算采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，被試件拆裝壽命為正態(tài)分布，根據(jù)工程實(shí)踐，確定拆裝壽命的合格次數(shù)為10次，則被試組合件的拆裝可靠性為RM=Φ(zM)>98.03%。

表5 拆裝壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Dismantling life test data

3.2.5 應(yīng)力持久試驗(yàn)

參照GIB 715.12-1990標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)要求[9]，應(yīng)力持久試驗(yàn)時(shí)間設(shè)為48h，取這一數(shù)值作為產(chǎn)品任務(wù)數(shù)，取試驗(yàn)置信度γ=0.7，投試數(shù)量n=20件，為提高安全系數(shù)，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入截尾試驗(yàn)的可靠性計(jì)算公式，可得應(yīng)力持久性能可靠性為：

=98.51%

3.2.6 耐腐蝕壽命試驗(yàn)

防腐蝕壽命試驗(yàn)通常通過鹽霧試驗(yàn)等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)中，50%的試件參照GJB 715.1-1989的相關(guān)要求[10]，另外的50%施加68N·m的扭矩之后進(jìn)行試驗(yàn)。施加安裝力矩試樣的拆卸力矩?cái)?shù)據(jù)見表6。根據(jù)對(duì)表面的觀察以及對(duì)于拆卸力矩的考察，所有20個(gè)子樣均未發(fā)生失效。

表6 帶力矩試樣拆卸力矩?cái)?shù)據(jù)Tab.6 Data of disassembly moment of sample with moment

根據(jù)GJB 715.1-1989的標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，耐腐蝕試驗(yàn)時(shí)間為96h，取這一數(shù)值作為產(chǎn)品任務(wù)數(shù)，試驗(yàn)置信度γ=0.7，投試數(shù)量n=20件，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入截尾試驗(yàn)的可靠性計(jì)算公式，可得耐腐蝕性能可靠性為：

=97.03%

4 結(jié)論

本文針對(duì)楔型螺紋螺母的特點(diǎn)，根據(jù)可靠性初步評(píng)估流程完成了對(duì)楔型螺紋螺母的FTA分析，建立了其可靠性模型；根據(jù)可靠性模型，針對(duì)性能設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行考核，如在標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)件施加安裝力矩進(jìn)行考核，更貼近實(shí)際載荷狀態(tài)。最終對(duì)楔型螺紋螺母需要考核的性能進(jìn)行了可靠度計(jì)算，得到各性能可靠度數(shù)據(jù)并驗(yàn)證了本文所提出的對(duì)楔型螺紋螺母進(jìn)行可靠性評(píng)估的流程及其可靠性模型的正確性。