民用飛機(jī)緊固件扭矩及術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化研究

李 劍

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海200436）

0 引言

緊固件是民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)連接件，是保證結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，緊固件用量占飛機(jī)零件總量的70%以上，在大型商用飛機(jī)中達(dá)數(shù)十萬[1]。從消耗工時(shí)上看，結(jié)構(gòu)裝配緊固件占到整個(gè)飛機(jī)裝配總工作量的40%～50%，因此緊固件安裝是飛機(jī)裝配的主要內(nèi)容之一[1]。

在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，緊固件安裝后的疲勞是考慮的重要問題之一。為此設(shè)計(jì)與制造工程師采用多種工藝方法和措施提高緊固件連接處的疲勞強(qiáng)度，如孔強(qiáng)化工藝、應(yīng)力壓印工藝和緊固件預(yù)加載，其中緊固件預(yù)加載是最常用的方法。緊固件預(yù)加載原理是在安裝過程中對(duì)緊固件施加一定程度（低于緊固件材料的屈服強(qiáng)度）的預(yù)載，并在緊固件安裝后服役工況下與拉伸工作載荷疊加，從而有效降低應(yīng)力幅，顯著提高該緊固件連接處的疲勞壽命。根據(jù)不同安裝要求，緊固件預(yù)加載可通過多種方法實(shí)現(xiàn)，如：扭矩控制法、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)控制法和伸長(zhǎng)量控制法[2]，其中扭矩控制法因其成本低廉、操作方便而成為民用飛機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)最常見的方法。

本文擬從民用飛機(jī)的生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，從扭矩控制法的測(cè)量原理、扭矩分類等方面提出緊固件力矩術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化的必要性，針對(duì)設(shè)計(jì)分析、維護(hù)手冊(cè)中常用緊固件力矩術(shù)語提出標(biāo)準(zhǔn)化建議。

1 扭矩控制法原理及扭矩分類

扭矩控制法基本思路是通過將扭矩轉(zhuǎn)化成預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)緊固件的預(yù)加載過程。根據(jù)機(jī)械原理可知：

從式（1）可知：扭矩與預(yù)緊力在彈性區(qū)范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系，其中K系數(shù)最為重要，K系數(shù)越大，所需要的力矩就越大，但是K系數(shù)與多個(gè)因素有關(guān)，造成力矩變動(dòng)范圍也較大。

考慮到各種條件造成的K值變化，得到扭矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系如圖1所示。圖1中陰影面積對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為緊固件安裝扭矩的極大值和極小值。根據(jù)西方對(duì)間隙配合螺栓所做的研究，安裝力矩中在不同條件下扭矩法得到的數(shù)值波動(dòng)較大，一般來說只有10%左右對(duì)軸向預(yù)載荷有貢獻(xiàn)[2]，對(duì)于航空緊固件而言，其影響則更大一些。為描述方便，需要將扭矩按照功能和作用進(jìn)行分解和分類，與此同時(shí)，在研發(fā)緊固件時(shí)需要測(cè)試一些重要的緊固件力矩，優(yōu)化緊固件的安裝扭矩范圍，這些測(cè)試力矩顯然不能作為安裝力矩直接使用。

圖1 扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系[2]

針對(duì)航空緊固件實(shí)際情況，可分類如下。

1.1 無自鎖功能緊固件力矩

因沒有自鎖功能，故此類緊固件的總安裝扭矩主要由三部分組成：螺母和螺栓頭與被連接材料的摩擦力矩、螺母克服螺紋副摩擦力矩、緊固件預(yù)載荷所需要的力矩，在這三部分力矩中，前面兩種力矩可以單獨(dú)測(cè)量，第三種只能從總的安裝力矩中減去前面兩者的數(shù)值間接得到。一般來說，總的安裝力矩等于凈力矩與無載力矩之和。

1.2 有自鎖功能緊固件力矩

因存在自鎖功能，故此類緊固件的總安裝力矩主要由四部分組成：螺母的自鎖功能所需要的力矩、螺母克服螺紋副摩擦力矩、螺母和螺栓頭與被連接材料之間的摩擦力矩（干涉配合還要包括緊固件光桿部分與孔內(nèi)壁的摩擦力矩）和緊固件預(yù)載荷所需要的力矩。由于自鎖功能所需要的力矩與螺母克服螺紋副摩擦力矩?zé)o法分開測(cè)量，只能理論分析使用，在實(shí)際測(cè)量中通常將這兩個(gè)力矩作為一個(gè)力矩使用，故在實(shí)際測(cè)量中也分成三部分，其中緊固件預(yù)載荷所需要的力矩是通過間接計(jì)算得到。一般來說，總的安裝力矩等于凈力矩與自鎖力矩之和。

1.3 測(cè)試力矩

除了對(duì)安裝力矩進(jìn)行分解外，某些檢測(cè)緊固件安裝質(zhì)量的力矩對(duì)重復(fù)使用的緊固件也十分重要。比如松開力矩，松脫力矩，擰緊力矩，過渡鎖定力矩等等。

在民用飛機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐中，國(guó)外供應(yīng)商常常不會(huì)直接給出這些數(shù)據(jù)。

2 航空緊固件力矩國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

查詢已發(fā)布的SAE標(biāo)準(zhǔn)可知：AS1310標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緊固件力矩術(shù)語進(jìn)行了詳細(xì)歸納和規(guī)定，整理后的基本信息如表1所示。

表1 A S1310緊固件力矩術(shù)語表

從表1中可以看出：

對(duì)于自鎖緊固件，存在如下關(guān)系：

Assembly Torque(安裝力矩)=Net Torque(凈力矩)+Prevailing Torque(自鎖力矩)

對(duì)于非自鎖緊固件，存在如下關(guān)系：

Assembly Torque(安裝力矩)=Net Torque(凈力矩)+Free-Running Torque(無載力矩)

對(duì)于測(cè)試力矩，AS1310中給定測(cè)試該力矩的方向；

與安裝有關(guān)力矩通常存在多個(gè)同義語，AS1310一并列出并允許使用。

在SAE標(biāo)準(zhǔn)中，AIR1471A以到發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓為例，給出扭矩的詳細(xì)計(jì)算方法，可供設(shè)計(jì)工程師參考使用。

值得注意的是：上述標(biāo)準(zhǔn)中的AS1310標(biāo)準(zhǔn)在SAE標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛引用，但在主要飛機(jī)制造商及其相關(guān)維護(hù)手冊(cè)中引用卻并不普遍，如波音飛機(jī)各類手冊(cè)中的緊固件力矩定義是根據(jù)其自身使用習(xí)慣（如BAC5004/5009）進(jìn)行定義。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及比較

國(guó)內(nèi)航空行業(yè)涉及緊固件擰緊力矩的標(biāo)準(zhǔn)較多，航空標(biāo)準(zhǔn)主要有 HB6586-1992，HB/Z 251-1993；國(guó)軍標(biāo)主要有GJB715.14、GJB715.15.上述4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（HB6586-1992，HB/Z 251-1993，GJB715.15）或提供安裝扭矩的數(shù)值、或提供設(shè)計(jì)計(jì)算方法，均沒有涉及安裝扭矩分解后的力矩，僅GJB715.14中給出緊固件安裝扭矩分解后力矩的測(cè)量，同樣也沒有定義，在HB中有關(guān)緊固件安裝標(biāo)準(zhǔn)中引用較少。

與AS1310對(duì)照，GJB715.14存在如下幾點(diǎn)不足：

1）未根據(jù)航空緊固件的實(shí)際情況，按照自鎖和非自鎖兩種情況對(duì)緊固件進(jìn)行區(qū)分，導(dǎo)致非自鎖螺母無法對(duì)應(yīng)GJB715.14中內(nèi)容進(jìn)行力矩測(cè)量；

2）部分概念缺失：在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GJB715.14中沒有Seating Torque，Transition Lock Torque 等 力 矩 的 概念；

3）沒有交代進(jìn)行力矩測(cè)量時(shí)力矩值的記錄方法：工程應(yīng)用中，由于影響因素較多，如動(dòng)摩擦、靜摩擦、表面粗糙度等表面情況差別較大，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)通常并不是一個(gè)點(diǎn)，而是存在一定波動(dòng)范圍的數(shù)值，那么應(yīng)該記錄最大值、最小值、還是算術(shù)平均值？如果在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中沒有注明，將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)過程中無法處理得到的數(shù)據(jù)，不同測(cè)試者也會(huì)根據(jù)自身對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的不同理解而對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用不同處理方式，這將降低標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性和可靠性。

在翻譯國(guó)外文獻(xiàn)資料時(shí)，工程技術(shù)人員經(jīng)常按照國(guó)外文獻(xiàn)資料的英文字面直接翻譯，由于不理解力矩的確切含義建造了“巴別塔”，給技術(shù)交流制造了不必要的障礙，甚至錯(cuò)誤。

針對(duì)國(guó)內(nèi)緊固件力矩使用較為混亂的情況，建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）在GJB714.15的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充完善，在HB體系內(nèi)單獨(dú)制定一份適合航空制造業(yè)需要的緊固件力矩術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)A，在編制該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)充分考慮飛機(jī)制造人員與飛機(jī)維護(hù)人員的習(xí)慣；

2）根據(jù)已制訂的緊固件力矩術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)A，航空各專業(yè)研究機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)單位分別編制緊固件力矩術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)A的中英文名詞對(duì)照表，作為對(duì)力矩定義標(biāo)準(zhǔn)A的補(bǔ)充，其中應(yīng)包括AS1310中的同義語、波音等公司維護(hù)手冊(cè)中的等效定義，便于工程技術(shù)人員進(jìn)行查詢、資料翻譯和技術(shù)交流；

3）在HB體系中的其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，除非特殊定義外，均統(tǒng)一引用緊固件力矩術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)A；

4）針對(duì)正在編制或?qū)⒁幹凭S護(hù)手冊(cè)的飛機(jī)型號(hào)，在手冊(cè)編制時(shí)應(yīng)優(yōu)先引用緊固件力矩術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)A，便于普及推廣該標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

緊固件力矩是影響緊固件安裝效果的重要因素，對(duì)飛機(jī)服役期的結(jié)構(gòu)完整性十分重要。國(guó)外SAE標(biāo)準(zhǔn)體系以AS1310進(jìn)行較為充分的標(biāo)準(zhǔn)化，但目前在國(guó)內(nèi)尚未統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理。建議進(jìn)行如下工作：

（1）對(duì)緊固件力矩術(shù)語進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，編制HB標(biāo)準(zhǔn)A進(jìn)行統(tǒng)一定義，并以HB標(biāo)準(zhǔn)A為基準(zhǔn)，規(guī)范緊固件力矩術(shù)語的翻譯，消除不必要的技術(shù)交流障礙；

（2）所有涉及緊固件力矩術(shù)語的HB標(biāo)準(zhǔn)，除非特殊要求外，均直接引用上述HB標(biāo)準(zhǔn)A；

（3）對(duì)于正在研發(fā)或已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的飛機(jī)型號(hào)，如果手冊(cè)中沒有定義，則按上述HB標(biāo)準(zhǔn)A定義進(jìn)行修改或編寫。