某直升機(jī)高強(qiáng)度螺栓防預(yù)緊力丟失設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

胡磊

摘? ?要：文章分析了某直升機(jī)高強(qiáng)度螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，著重研究了該螺栓緊固件在直升機(jī)結(jié)構(gòu)安裝環(huán)境下，螺栓松脫并引發(fā)螺栓磨損的原因。根據(jù)螺栓連接結(jié)構(gòu)的實(shí)際松脫及磨損現(xiàn)象，分析定位了故障原因。研究表明：螺栓發(fā)生松脫是由于螺栓連接耳片的襯套磨損造成擰緊力矩丟失，從而引起螺栓與連接耳片之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成磨損失效;根據(jù)Archard磨損模型分析，通過(guò)增大襯套接觸面積、提高接觸區(qū)硬度、增大擰緊力矩值等參數(shù)，可以減小襯套的磨損量，提高螺栓的維護(hù)時(shí)間周期。

關(guān)鍵詞：故障分析;Archard磨損模型;優(yōu)化

1? ? 螺栓擰緊力矩重要性

直升機(jī)部件中通常存在很多的螺栓連接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接的可靠性通常取決于螺栓的防松設(shè)計(jì)[1]，其中，對(duì)螺栓施加擰緊力矩是防松措施中常用的一種防松措施。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中一旦螺栓的擰緊力矩丟失，會(huì)造成預(yù)緊力丟失，將直接影響螺栓連接區(qū)的載荷傳遞關(guān)系，給直升機(jī)使用安全帶來(lái)極大的隱患。本文分析了某直升機(jī)螺栓連接結(jié)構(gòu)的螺栓松脫故障，研究了螺栓擰緊力矩丟失的原因。通過(guò)分解、檢查連接結(jié)構(gòu)各個(gè)部件，發(fā)現(xiàn)其中的襯套端面有明顯磨損。襯套端面的磨損，將極大地影響預(yù)緊力的夾緊作用，因此，本文采用Archard磨損模型對(duì)磨損原因和該螺栓連接區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析。

2? ? 故障分析

該連接區(qū)主要包含螺母、螺栓、耳片、凸肩襯套、關(guān)節(jié)軸承等零件，采用了擰緊力矩和保險(xiǎn)絲防松，如圖1所示。耳片上的螺栓孔鑲嵌了凸肩襯套，螺栓連接耳片與關(guān)節(jié)軸承，關(guān)節(jié)軸承安裝在耳片中間，最后，由螺母鎖緊。鎖緊后，耳片緊緊夾住關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈，耳片的凸肩襯套與關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈接觸，螺栓的預(yù)緊力保證耳片的凸肩襯套、螺栓、關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈三者不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)軸承承受徑向交變載荷，該載荷經(jīng)由螺栓傳遞給耳片。由于該徑向載荷為交變載荷，且載荷方向繞螺栓軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此該螺栓連接結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境嚴(yán)酷，必須采取有效的防松措施，避免螺栓松動(dòng)，避免螺栓與耳片的凸肩襯套、關(guān)節(jié)軸承發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而磨損失效。

在某型直升機(jī)使用維護(hù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)螺栓、螺母處的保險(xiǎn)絲斷裂，螺栓脫出約3 mm。經(jīng)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，磨損區(qū)域?yàn)槁菟ㄅc耳片襯套接觸區(qū)域。凸肩襯套與關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈接觸的端面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，磨損區(qū)域如圖2中a區(qū)域所示。螺栓的磨損區(qū)域表明，螺栓在使用過(guò)程中與耳片的凸肩襯套發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。正常情況下，螺栓由擰緊力矩產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力將螺栓、螺母、耳片、凸肩襯套及關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈5個(gè)部分緊緊壓在一起，不易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)軸承承受徑向交變載荷并隨外構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)給螺栓傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在擰緊的情況下，該轉(zhuǎn)動(dòng)力矩會(huì)由螺栓頭與耳片、凸肩襯套的摩擦力來(lái)平衡。因此，只有當(dāng)螺栓的擰緊力矩丟失，螺栓與耳片之間沒(méi)有預(yù)緊力來(lái)產(chǎn)生抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力時(shí)，螺栓在交變的徑向載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下，會(huì)與耳片發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。尋找螺栓擰緊力矩丟失的原因是優(yōu)化該螺栓連接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

在該故障中，耳片的凸肩襯套端面也發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。凸肩襯套磨損端面處與關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈端面接觸，由于螺栓和凸肩襯套、螺栓與關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈的配合關(guān)系為間隙配合，在交變的徑向載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下，預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力不能克服徑向載荷，凸肩襯套與關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈一定會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。凸肩襯套的材料為不銹鋼OCr17Ni7Al，其硬度為HRC43，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈材料為軸承鋼GCr15，其硬度為HRC60，因此兩者發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，凸肩襯套的磨損將比較明顯。由于凸肩襯套不夠耐磨，隨著磨損深度的增大，擰緊力矩產(chǎn)生的彈性變形將慢慢釋放，最終導(dǎo)致擰緊力矩丟失。綜上所述，該螺栓連接區(qū)的擰緊力矩丟失原因?yàn)樵诰薮蟮膹较蚪蛔冚d荷和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下，耳片的凸肩襯套與關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，由于凸肩襯套的硬度較低，凸肩襯套的端面磨損劇烈，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的彈性變形被釋放，螺栓預(yù)緊力丟失，最終螺栓在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下與耳片的凸肩襯套發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致螺栓表面磨損。

圖2? 螺栓及凸肩襯套磨損區(qū)域

3? ? 磨損分析

根據(jù)上文的分析，要防止螺栓磨損，就要盡可能減小凸肩襯套端面因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的磨損。零件表面相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面會(huì)逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，這種表面材料逐漸流失的現(xiàn)象即為磨損。磨損主要是力學(xué)作用引起的，摩擦副材料、潤(rùn)滑條件、加載方式和大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性（方式和速度）以及工作溫度等諸多因素均影響磨損量的大小，所以磨損是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。Archard磨損模型是一種廣泛應(yīng)用的磨損模型[2]，可表述為：

（1）

其中，V為磨損體積，l為相對(duì)滑動(dòng)距離，F(xiàn)N為法向接觸載荷，H為較軟材料的硬度，K1為無(wú)量綱的磨損系數(shù)，它是由摩擦副的配對(duì)材料和磨損條件所決定的。公式表明，相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦副的磨損量與摩擦行程和法向接觸載荷成正比，與摩擦副中較軟材料的表面硬度成反比。對(duì)于本文而言，考慮磨損對(duì)擰緊力矩的影響，因此，對(duì)磨損深度h分析更具有實(shí)際的意義。所以考慮：

（2）

（3）

其中，S為磨損面的接觸面積，受到磨損影響，當(dāng)產(chǎn)生一定的磨損時(shí)，預(yù)緊力會(huì)發(fā)生變化，設(shè)Fh為產(chǎn)生磨損后的預(yù)緊力變化值，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理有：

（4）

其中，k1為螺栓在單位載荷下沿軸向的變形量，k2分別為耳片、凸肩襯套、關(guān)節(jié)軸承在單位載荷下沿軸向的變形量。當(dāng)磨損產(chǎn)生一定的磨損深度時(shí)，螺栓的應(yīng)變將會(huì)變小，預(yù)緊力會(huì)因此而下降，因此，法向接觸載荷FN為：

（5）

其中，P0為螺栓的初始預(yù)緊力，F(xiàn)h為受磨損深度影響的預(yù)緊力變化量。

受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的影響，當(dāng)法向接觸載荷FN下降至某一限制值時(shí)，由FN產(chǎn)生的摩擦止動(dòng)力矩將不能克服轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而螺栓與耳片發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的法向接觸載荷限制值FNlimit為：

（6）

磨損深度限制為：

（7）

將Fh代入：

（8）

l為相對(duì)滑動(dòng)距離，是滑動(dòng)速度和時(shí)間的乘積，此處滑動(dòng)速度為一常數(shù)v ，因此，式（8）可寫(xiě)成：

（9）

式中的K1為無(wú)量綱的磨損系數(shù)，它是由摩擦副的配對(duì)材料和磨損條件所決定的。根據(jù)張景柱等[3]的研究，磨損系數(shù)K1可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：

（10）

式中：KH，m，n皆為與材料硬度相關(guān)的參數(shù)，且通常m，n均大于1。將K1代入式（10）可得：

（11）

根據(jù)上式可建立微分方程：

（12）

可得其解為：

（13）

初始時(shí)刻t=0時(shí)，h=0，可求得常數(shù)C，代入式（13）可得：

（14）

代入公式（7），可得磨損至極限的時(shí)間為：

（15）

由式（15）可知，影響磨損限制時(shí)間tlimit的參數(shù)為P0，S，H 3個(gè)主要參數(shù)。

4? ? 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)本文分析，要延長(zhǎng)磨損限制時(shí)間tlimit，可進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)為P0，S，H。P0是螺栓的初始預(yù)緊力，對(duì)于某一螺栓，當(dāng)螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，P0的取值范圍是有限的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，螺栓的預(yù)緊力大小應(yīng)當(dāng)恰當(dāng)，過(guò)大影響螺栓的強(qiáng)度，過(guò)小影響螺栓的疲勞強(qiáng)度，而且還會(huì)影響到連接的正常工作。一般擰緊力矩的大小應(yīng)控制在使螺栓產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力約在0.2σb左右的范圍內(nèi)[4]。由公式（15）可知，當(dāng)P0增大時(shí)增大，tlimit增大，因此，增加螺栓的初始預(yù)緊力可以延長(zhǎng)磨損限制時(shí)間，但受到螺栓強(qiáng)度、使用要求的限制，預(yù)緊力參數(shù)的設(shè)計(jì)空間有限。S是磨損面的面積，對(duì)于本文的研究對(duì)象而言，就是圖2中凸肩襯套端面面積。根據(jù)公式（15），磨損限制時(shí)間tlimit是襯套端面面積S的冪函數(shù)，因此，增大襯套端面面積S，可以大大提高磨損限制時(shí)間tlimit。由于m一般是大于1的常數(shù)，因此，增大一倍襯套端面面積S可以提高4倍以上的磨損時(shí)間。H是摩擦副中較軟材料的布氏硬度，即凸肩襯套的端面硬度。KH，m，n是與硬度H有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)H增大時(shí)，KH，m，n一般呈下降趨勢(shì)。由公式（15），當(dāng)硬度H增大，tlimit的變化趨勢(shì)不明顯。但根據(jù)通常的經(jīng)驗(yàn)，一般材料的硬度增加，其耐磨性能將提高，但增大硬度H能提高多少磨損限制時(shí)間tlimit，應(yīng)當(dāng)由H，KH，m，n的具體取值確定。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某直升機(jī)螺栓連接結(jié)構(gòu)的磨損故障進(jìn)行了分析，采用Archard磨損模型，推導(dǎo)了磨損限制時(shí)間，根據(jù)公式分析了可優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，提供了優(yōu)化方向。根據(jù)本文的分析，要降低該螺栓連接區(qū)的磨損，提高結(jié)構(gòu)的使用維護(hù)性能，可進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)為螺栓預(yù)緊力P0、凸肩襯套端面面積S、凸肩襯套端面硬度H。根據(jù)分析結(jié)果，最有效的優(yōu)化參數(shù)為凸肩襯套端面面積S，增大S對(duì)磨損限制時(shí)間tlimit的增益最明顯;增大螺栓預(yù)緊力P0也能夠提高磨損限制時(shí)間tlimit;提高凸肩襯套端面硬度H對(duì)損限制時(shí)間tlimit的增益大小由KH，m，n的具體取值確定，針對(duì)具體的摩擦副，KH，m，n的具體取值可通過(guò)試驗(yàn)確定。

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Optimization analysis of anti-pretightening force loss

design of high strength bolt in a helicopter

Hu Lei

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

Abstract：The design principles of high strength bolted joints of helicopter are analyzed. The causes of bolt loosening and bolt wear are studied in detail. According to the actual failure phenomenon of bolt loosening and wear， the main problems are the wear of lug bushings which leads to the loss of bolts tightening moment. The loss of bolts tightening moment leads to the relative rotation between bolts and connecting lugs， ultimately results in wear failure. According to the analysis results by using Archrad wear model， the wear amount of bushings can be reduced and the maintenance period of bolts can be improved by increasing the bushing contact area， increasing the hardness of contact zone， adjusting the tightening moment.

Key words：fault analysis; Archard wear model; optimize