航天器狹小空間總裝緊固件預(yù)緊技術(shù)研究

宋曉暉，劉智斌，薛 峰，顧 磊

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)中心，北京 100094）

螺紋連接結(jié)構(gòu)作為航天器產(chǎn)品大量使用的基本結(jié)構(gòu)，直接影響到航天器整體性能，甚至?xí)苯雨P(guān)系到航天器飛行任務(wù)的成敗。美國第1顆WGS（World Geodetic System）衛(wèi)星在2005年組裝時，有148個緊固件安裝不當(dāng)（每顆衛(wèi)星上有1500多套緊固件），因而需要重新組裝，并由波音公司負(fù)責(zé)緊固件的檢查費用，同時另外2顆WGS衛(wèi)星也要進(jìn)行檢查。螺紋連接的可靠性成為航天器研制過程中關(guān)注的焦點。

國內(nèi)衛(wèi)星上的螺紋連接形式一般是通過鈦螺釘與結(jié)構(gòu)板（如鋁蒙皮蜂窩板、碳纖維蒙皮蜂窩板）內(nèi)的鋼絲螺套連接。為保證螺紋連接的高可靠性，確保滿足力學(xué)環(huán)境要求，一般采用對螺紋緊固件施加預(yù)緊力的方法進(jìn)行緊固。對螺紋緊固件預(yù)緊力的控制一般采用力矩控制法，即采用扭矩擰緊裝置通過操縱擰緊力矩值T的方式來控制螺紋連接的預(yù)緊力F。

扭矩擰緊裝置在航天器總體裝配中扮演著重要角色。特別是在長壽命、高可靠航天器的高質(zhì)量研制背景下，扭矩擰緊裝置成為機(jī)械連接中必不可少的在線檢測和裝配設(shè)備，對保證航天器的裝配質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。航天器總裝研制中使用的扭矩擰緊裝置一般為預(yù)置式力矩扳手，尤其是手動預(yù)置式力矩扳手應(yīng)用尤其普遍。目前常用的手動預(yù)置式力矩扳手型號有GEDORE DREMOMETER 753型、GEDORE DREMOMETER 8560型等。

盡管預(yù)置式力矩扳手在航天器研制過程中發(fā)揮了很大的積極作用，滿足了大部分工況下緊固件預(yù)緊力的加載需求，但隨著航天器結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，由于操作空間的限制導(dǎo)致的緊固件無法實施力矩擰緊的情況日趨增多。如果緊固件的預(yù)緊力未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，則可能導(dǎo)致螺釘脫落、螺釘斷裂等故障[1]，致使航天器研制質(zhì)量受到影響。

在航天器總裝研制過程中，對緊固件進(jìn)行扭矩加載是控制螺紋擰緊程度的主要手段。由于航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計日趨復(fù)雜，受到操作空間限制，扭矩擰緊工具無法在該空間內(nèi)進(jìn)行正常作業(yè)，緊固件無法使用標(biāo)準(zhǔn)工具實施扭矩加載的問題越來越多。經(jīng)過分析，可將問題主要歸納為兩種情況，一種是緊固件軸向空間受到限制，即螺釘軸線方向上的空余有效高度小于力矩扳手及轉(zhuǎn)接頭的高度之和，力矩扳手無法與螺釘實施有效連接。另一種是緊固件徑向空間受到限制， 即螺釘直徑方向上的空余有效空間小于力矩扳手頭部的回轉(zhuǎn)直徑，力矩扳手無法與螺釘進(jìn)行有效連接。

本文在分析航天器緊固件無法實施扭矩加載工況的基礎(chǔ)上，提出了一整套基于一體式L型桿的航天器狹小空間內(nèi)緊固件螺釘預(yù)緊解決方案，有效解決了惡劣工況下對螺釘施加預(yù)緊力的難題。

1 螺紋預(yù)緊機(jī)理

在緊固件安裝過程中，螺釘?shù)臄Q緊力矩通過螺紋副的相對運動轉(zhuǎn)化成從軸向壓緊螺紋的預(yù)緊力，螺紋連接的可靠性主要取決于緊固件與基體之間發(fā)生的預(yù)緊力[2]，預(yù)緊力的主要形式是拉力。擰緊力矩和預(yù)緊力之間存在對應(yīng)關(guān)系，在緊固件、被連接件和基體狀態(tài)確定的情況下，一般而言，加載在螺釘上的擰緊力矩越大，預(yù)緊力相應(yīng)越大，相應(yīng)螺紋擰緊程度越高，螺紋連接越可靠。螺釘擰緊力矩T與軸向預(yù)緊力F存在以下關(guān)系[3]：

其中，K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑。

在螺釘同等規(guī)格的情況下，螺釘?shù)臄Q緊力矩受到兩個因素影響：合理的預(yù)緊力和擰緊系數(shù)。

擰緊力矩系數(shù)K的理論公式：

其中，φ為螺紋升角，φ=arctan(p/πd2)；ρ為螺紋連接副的當(dāng)量摩擦角，通常φ=arctan1.15f；f為螺紋副摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑；μn為螺釘與被連接件支撐面間的組合摩擦系數(shù)；rn為圓環(huán)面當(dāng)量摩擦半徑，。

在航天器總體設(shè)計過程中，緊固件的規(guī)格是預(yù)先設(shè)計的，因此螺釘?shù)墓Q直徑d為確定值。螺釘?shù)臄Q緊系數(shù)K主要受螺釘與被連接件螺紋副之間的摩擦和螺釘頭部與被連接件表面之間的摩擦影響[4]。

航天器一般采用內(nèi)六角形式的鈦螺釘，基體一般是鋁蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)板，被連接材料一般為鋁合金板。在螺釘、基體和被連接件狀態(tài)均確定的情況下，相應(yīng)的擰緊系數(shù)K應(yīng)為一定值。航天器上典型的螺紋連接方式如圖1所示。圖2是航天器上典型的螺釘安裝過程中扭拉關(guān)系曲線[5]，其中緊固件規(guī)格為M3，采用強(qiáng)度等級為880MPa的ML30CrMnSiA材質(zhì)，基體材料為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼，被連接件為牌號5A06的鋁材。

可知，緊固件進(jìn)行力矩加載后產(chǎn)生的抗拉力與預(yù)置的扭矩之間的關(guān)系基本成線性，也就是說只要合理地對螺釘施加安裝扭矩就能實現(xiàn)緊固件預(yù)緊力控制，從而保證緊固件安裝牢靠，進(jìn)而確保被連接件的安裝可靠性。

2 方案設(shè)計及分析

對于因軸向、徑向空間受限造成的緊固件無法實施扭矩擰緊的原因可以歸結(jié)為力矩扳手（包含轉(zhuǎn)接桿）頭部過大，不能在目標(biāo)緊固件空余空間內(nèi)進(jìn)行有效運動，在操作空間無法改變的前提情況下，解決渠道只能是將力矩扳手頭部盡量變小，以適應(yīng)操作空間需要。

圖1 螺紋連接示意圖Fig.1 Sketch of screw installation

圖2 螺釘安裝扭拉關(guān)系曲線Fig.2 Pull-up curve of screw installation

對于軸向空間受限制的情況，應(yīng)將扳手頭部連同與螺釘連接的垂直轉(zhuǎn)接桿盡量變短，以適應(yīng)有限的軸向操作空間。

對于徑向空間受限制的情況，應(yīng)將扳手頭部直徑沿徑向縮小或者將扳手頭部沿徑向后退至不占用有效操作空間的位置。

目前在航天器總裝過程中常用的力矩扳手，例如GEDORE DREMOMETER 753型，其頭部高度約為50mm，頭部半徑約為15mm，極大地占用了操作空間。根據(jù)對航天器總裝緊固件的調(diào)研，航天器緊固件實施力矩加載的軸向空間最少值約16mm、徑向空間最小值約10mm，現(xiàn)有的力矩扳手無法滿足需求。

GEDORE4400型力矩扳手與普通力矩扳手結(jié)構(gòu)形式不同，其力矩輸出部位可以遠(yuǎn)離與緊固件連接的部位，可以與L型連接桿組合從而實現(xiàn)狹小空間內(nèi)緊固件力矩加載。一體式L型連接桿具有較好的剛性，且可根據(jù)需要定制不同的長度，以適應(yīng)軸向、徑向空間需要。轉(zhuǎn)接桿與力矩扳手采用過渡配合，能夠最大限度減少配合引起的系統(tǒng)誤差。圖3是GEDORE4400型力矩扳手與一體式L型轉(zhuǎn)接桿組合后與內(nèi)六角螺釘連接的示意圖。

2.1 L型桿設(shè)計

某種意義上來說，力矩扳手轉(zhuǎn)接工裝實際上就是連接需緊固的螺釘與力矩扳手的工具，其目的是通過轉(zhuǎn)接獲得有效的連接及操作空間，從而有效地控制緊固件的擰緊力矩[6]。

按照系列化、模塊化、參數(shù)化的設(shè)計原則，與GEDORE4400型力矩扳手連接的轉(zhuǎn)接桿設(shè)計為一體式L型結(jié)構(gòu)，可分為水平桿和垂直桿兩部分，垂直桿與水平桿采用一體式連接設(shè)計，以減少轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)引入的誤差，其中垂直桿用于與目標(biāo)緊固件連接，水平桿用于與力矩扳手連接。

一體式L型轉(zhuǎn)接桿構(gòu)型示意如圖4所示，設(shè)定垂直桿有效長度為l1，水平桿有效長度為l2，水平桿后部的連接套根據(jù)力矩扳手形式設(shè)計為φ15mm圓柱形，水平桿與連接套通過鎖定螺絲固連在一起，L型桿截面形狀為正六邊形，與對應(yīng)的內(nèi)六角螺釘端頭匹配。通過對轉(zhuǎn)接桿截面規(guī)格及l(fā)1、l2長度分別進(jìn)行不同的組合，研制一套轉(zhuǎn)接桿，以滿足不同工況需要。

圖3 力矩扳手及L型桿組合與螺釘連接示意圖Fig.3 Sketch of the combination of one-piece L-shaped connecting rod joint with screw

在航天器研制中，L型桿截面形狀可適應(yīng)M3、M4、M5、M6、M8等內(nèi)六角圓柱頭螺釘，垂直桿長度包括15mm、20mm、30mm、50mm共4個規(guī)格，水平桿長度包括50mm、80mm、100mmm、120mm共4個規(guī)格。

2.2 L型桿有限元分析

L型轉(zhuǎn)接桿的材料為T9工具鋼，采用一次成形加工而來。工具鋼是用來制造耐磨工具的鋼，具有較高的硬度和適當(dāng)?shù)捻g性。使用ANSYS Workbench軟件對L型桿進(jìn)行力學(xué)仿真計算，其中水平桿長度設(shè)置為最大值150mm，M4螺釘擰緊力矩取設(shè)計要求的最大值2.5N·m時，將集中載荷施加在垂直桿末端，得出應(yīng)力分布如圖5所示。應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在水平桿與垂直桿結(jié)合部位，應(yīng)力最大值為870Pa，遠(yuǎn)低于該工具鋼的屈服強(qiáng)度240MPa。因此不會出現(xiàn)材料破壞的情況，強(qiáng)度能夠滿足力矩加載要求。

3 試驗驗證

由于一體式L型桿與力矩扳手組合后，相當(dāng)于改變了力臂長度，而且由于系統(tǒng)誤差的存在，會造成理論力矩傳遞系數(shù)與實際力矩傳遞系數(shù)之間有偏差。為了得出對應(yīng)于每個L型桿的真實力矩傳遞系數(shù)，設(shè)計了扭矩加載工具組合的標(biāo)定試驗，并分析力矩扳手加轉(zhuǎn)接桿系統(tǒng)輸出力矩與力矩扳手輸入值、轉(zhuǎn)接桿長度等參數(shù)的關(guān)系，得出扭矩加載工具力矩傳遞系數(shù)。

圖4 一體式L型桿構(gòu)型示意Fig.4 Sketch of one-piece L-shaped transfer

圖5 一體式L型桿應(yīng)力云圖Fig.5 Stress diagram of L-shaped

3.1 試驗方案

本次試驗的設(shè)備主要為8624–001型扭矩測試儀，測試精度0.001N·m，試驗對象主要包括力矩扳手、一體式L型轉(zhuǎn)接桿。試驗過程中，操作者采用鉗夾方式把握力矩扳手，以最大限度地減少人為誤差和隨機(jī)誤差，而且保證垂直桿盡量與力矩標(biāo)定儀轉(zhuǎn)接頭垂直，操作過程中緩慢、平穩(wěn)實施加力。

3.2 傳遞系數(shù)分析

圖6為力矩扳手與一體式L型轉(zhuǎn)接桿連接關(guān)系的簡化示意圖。其中：線段AB表示水平桿，有效長度為l；線段BC表示力矩扳手的施力力臂，點D表示操作者使用力矩扳手時的施力點，線段BD表示力矩扳手施力點到方榫中心線的距離，有效長度為l；α表示水平桿與力矩扳手手柄之間的夾角；F表示從點D處施加的垂直于線段BC的力。

在力矩扳手加轉(zhuǎn)接工裝系統(tǒng)處于靜力學(xué)平衡的前提下，對外力F施加給點A的力矩M'以及施加給力矩扳手（即點B）M之間的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)。

可知，力矩扳手加轉(zhuǎn)接工裝系統(tǒng)力矩輸出值M'與力矩扳手力矩輸入值M之間的關(guān)系取決于力矩轉(zhuǎn)接工裝水平桿的長度l'、力矩扳手施力力臂的長度l以及水平桿與力矩扳手施力臂之間的夾角α。計算傳遞系數(shù)K時，先測量轉(zhuǎn)接工裝水平桿的有效長度以及待使用的力矩扳手的有效長度，并根據(jù)公式（7）計算給出理論上的傳遞系數(shù)K。

圖6 力矩扳手與L型桿組合系統(tǒng)受力分析示意Fig.6 Stress analysis diagram of torque spanner plus one-piece L shaped

3.3 試驗過程

采用不同長度的垂直桿分別進(jìn)行適應(yīng)，發(fā)現(xiàn)垂直桿的長度變化對力矩輸出值基本無影響。在輸入力矩一定的情況下，影響力矩輸出值變化的主要因素是水平桿的長度，水平桿長度直接決定了扭矩傳遞系數(shù)K。

將試驗中不同水平桿長度的試驗數(shù)據(jù)羅列如表1所示。表1還給出了M4螺釘?shù)呐ぞ貍鬟f系數(shù)K的試驗測量值和理論值比對，可知力矩扳手加一體式L型轉(zhuǎn)接工裝系統(tǒng)的輸出力矩實測值基本上在理論計算值的88%～98%之間。造成誤差的主要原因包括兩個方面，其一是水平桿自身的剛度，隨著水平桿長度的增加，金屬桿在力矩施加過程中會產(chǎn)生一定的彈性變形，造成有效長度l'的變化；其次是力矩扳手和水平桿二者之間的同軸度，二者之間的α越大，輸出力矩的誤差也隨之增大。對表1的數(shù)據(jù)比對、分析，考慮到系統(tǒng)誤差，可以認(rèn)為一體式L型轉(zhuǎn)接工裝的力矩傳遞系數(shù)在合理可控的范圍內(nèi)[7]。

3.4 結(jié)果分析與討論

對比表1中的試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)可知，使用一體式L型轉(zhuǎn)接桿的理論傳遞系數(shù)與標(biāo)定試驗得出的實際傳遞系數(shù)存在一定誤差，影響傳遞系數(shù)誤差的主要因素在于使用轉(zhuǎn)接工裝后至少增加1個轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，且力矩扳手與轉(zhuǎn)接工裝間的配合引入的摩擦將帶來一定的系統(tǒng)誤差，而且水平桿與力矩扳手存在不確定的夾角誤差也會引入到傳遞系數(shù)系統(tǒng)誤差里。

為了減少輸出力矩的偏差，保證K值的準(zhǔn)確性，應(yīng)在設(shè)計及實施過程中采取如下措施：

（1）盡量減小水平桿有效長度l'與力矩扳手力臂長度l之比，即在滿足要求的前提下，選用l'與l之比較小的一體式L型轉(zhuǎn)接工裝加力矩扳手組合。

（2）為減少測量過程中產(chǎn)生的誤差對K值的影響，可盡量使力矩扳手和水平桿在一條直線上，即α=0，則該工況下的力矩傳遞系數(shù)計算公式可簡化為。

4 結(jié)論

對于因軸向空間受限而引起的無法使用標(biāo)準(zhǔn)力矩扳手實施緊固件扭矩加載的問題，可以根據(jù)緊固件端頭軸向空間的大小選取所需要的一體式L型轉(zhuǎn)接工裝垂直桿的長度，與一定長度的水平桿結(jié)合，可以實現(xiàn)緊固件力矩加載。根據(jù)對各型號的調(diào)研，軸向空間最小值確定為16mm，故將垂直桿的長度最小值定義為15mm，能夠滿足型號總裝研制需要。對于緊固件徑向空間受限而引起的無法使用標(biāo)準(zhǔn)扳手實施緊固件扭矩加載的問題，該一體式L型桿采用與緊固件相同的正六邊形，不會凸出在螺釘徑向包絡(luò)，能夠滿足總裝作業(yè)需求需要。

表1 M4螺釘扭矩測量記錄表Table 1 Log sheet of torque about M4 bolt

基于一體式L型桿的航天器狹小空間內(nèi)緊固件預(yù)緊技術(shù)， 解決了航天器總裝過程中緊固件軸向、徑向空間受限工況下的力矩加載難題，合理地控制了系統(tǒng)誤差，具有通用性強(qiáng)、靈活性好的特點。通過理論計算和試驗驗證了該方案的工程應(yīng)用效果，在有效提高緊固件安裝可靠性的基礎(chǔ)上，滿足了長壽命、高可靠性航天器研制需求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。