基于振動(dòng)條件下的雙螺母防松性能研究

馮韶偉，高學(xué)敏，程全士，馮德榮，馬建華

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 河南航天精工制造有限公司，信陽，464000；3. 河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，信陽，464000；4. 天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300300）

0 引 言

運(yùn)載火箭芯級(jí)捆綁助推器的捆綁連桿一般采用爆炸螺栓連接，爆炸螺栓防松方式采用雙螺母摩擦防松，助推器與芯級(jí)之間的捆綁連接技術(shù)可靠性直接影響火箭發(fā)射的成敗。目前針對(duì)爆炸螺栓-雙螺母組合采用經(jīng)驗(yàn)算法和有限元方法對(duì)爆炸螺栓的承載能力分析等方法研究較多，而針對(duì)爆炸螺栓-雙螺母組合在振動(dòng)環(huán)境下的防松性能無相關(guān)研究，其質(zhì)量可靠性給運(yùn)載火箭的運(yùn)輸及發(fā)射帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。

目前中國(guó)各領(lǐng)域雙螺母安裝方式和安裝方法存在很大差異，存在“上下螺母厚度相同”、“上薄螺母、下厚螺母”、“上厚螺母、下薄螺母”等多種結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式，即使同一種結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式，其安裝方法亦存在差異。不僅中國(guó)行業(yè)間安裝方法不同，與國(guó)外的安裝方法也存在很大差異，例如中國(guó)機(jī)械行業(yè)雙螺母安裝方法是先用80%的擰緊力矩安裝下螺母，再用100%的擰緊力矩安裝上螺母，而國(guó)外則是先用25%~50%的擰緊力矩安裝下螺母，然后再用100%的擰緊力矩安裝上螺母。針對(duì)國(guó)內(nèi)外雙螺母安裝的差異，無相關(guān)的借鑒經(jīng)驗(yàn)，亟需開展某運(yùn)載火箭雙螺母防松性能研究。

本文以某型運(yùn)載火箭捆綁連桿用爆炸螺栓-雙螺母為例，開展雙螺母在振動(dòng)條件下的防松性能研究。同時(shí)通過開展雙螺母不同防松方式下的橫向振動(dòng)試驗(yàn)與加速振動(dòng)試驗(yàn)，分析不同安裝扭矩比例條件下螺栓預(yù)緊力衰減規(guī)律，考核爆炸螺栓-雙螺母組合在振動(dòng)環(huán)境下防松性能。

1 試驗(yàn)過程

1.1 雙螺母防松原理

雙螺母防松也稱對(duì)頂螺母防松，屬于摩擦防松的一種方式，當(dāng)兩個(gè)螺母對(duì)頂擰緊后，雙螺母之間始終存在相互作用的壓力，這種壓力會(huì)傳遞到旋合螺紋的接觸面上，雙螺母擰的越緊，旋合螺紋接觸面壓力越大，摩擦阻力越大，防松效果越好。雙螺母擰緊有兩種情況：a）當(dāng)上螺母施加力矩不足以克服下螺母的螺紋下側(cè)與螺栓螺紋上側(cè)接觸（如圖1a 所示），則雙螺母只相當(dāng)于一個(gè)螺母，防松效果較差；b）當(dāng)上螺母施加力矩足以克服下螺母的螺紋下側(cè)與螺栓螺紋上側(cè)接觸（如圖1b 所示），則雙螺母形成對(duì)頂效果，螺母螺紋副始終受附加的壓力與摩擦力，即使工作載荷變化時(shí)，依然存在摩擦防松。

圖1 雙螺母防松原理Fig.1 Anti-loosening Principle of Double-nut

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 雙螺母橫向振動(dòng)試驗(yàn)

雙螺母橫向振動(dòng)試驗(yàn)常用的試驗(yàn)方法為GB/T10431-2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》，橫向振動(dòng)試驗(yàn)是研究螺栓防松性能的重要手段。1969 年德國(guó)Junker 研究發(fā)現(xiàn)：往返的橫向振動(dòng)是螺紋緊固件產(chǎn)生松脫的主要原因，發(fā)現(xiàn)了容克振動(dòng)防松原理，目前的橫向振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備大部分是由Junker 試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)而來，此次試驗(yàn)的設(shè)備也是由Junker 試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)而來，橫向振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備如圖2 所示，試驗(yàn)裝置如圖3 所示。

圖2 橫向振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Transverse Vibration Test Equipment

圖3 橫向振動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.3 Transverse Vibration Test Device

1.2.2 雙螺母加速振動(dòng)試驗(yàn)

雙螺母加速振動(dòng)試驗(yàn)常用的試驗(yàn)方法為GJB715.3A-2002《緊固件試驗(yàn)方法振動(dòng)》，考核在規(guī)定的時(shí)間或振動(dòng)次數(shù)內(nèi)是否超過規(guī)定的最大轉(zhuǎn)動(dòng)量、脫落或試樣出現(xiàn)裂紋等情況，用于鑒定軍用型號(hào)緊固件在加速振動(dòng)條件下的防松性能，此次試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造如圖4 所示，試驗(yàn)裝置如圖5 所示。

圖4 加速振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Acceleration Vibration Test Equipment

圖5 加速振動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.5 Acceleration Vibration Test Device

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.3.1 試驗(yàn)防松方式

雙螺母試驗(yàn)采用3 種防松方式，包括“上下螺母厚度相同”、“上薄螺母、下厚螺母”、“上厚螺母、下薄螺母”。

1.3.2 橫向振動(dòng)試驗(yàn)樣件準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文雙螺母的防松效果，確定雙螺母螺栓安裝方式及上、下螺母的扭矩比例優(yōu)化取值，在航天科工集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)緊固件研究檢測(cè)中心分別進(jìn)行了采用雙螺母的螺栓橫向振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10431-2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》，本次試驗(yàn)采用的螺栓、螺母材料分別為30CrMnSiA，規(guī)格為M12，抗拉強(qiáng)度σ≥1100 MPa，表面作鍍鋅鈍化處理，螺紋精度5h6h。每種試驗(yàn)工況包含5 個(gè)樣本，振動(dòng)次數(shù)3000 次，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為4 min，推薦的試驗(yàn)頻率為12.5 Hz，振幅±1.2 mm，采用雙螺母的螺栓試驗(yàn)工況見表1。

表1 橫向振動(dòng)試驗(yàn)工況Tab.1 Working Condition of Transverse Vibration Test

1.3.3 加速振動(dòng)試驗(yàn)樣件準(zhǔn)備

根據(jù)加速振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GJB715.3A-2002《緊固件試驗(yàn)方法振動(dòng)》要求，本次試驗(yàn)采用的螺栓、螺母相關(guān)屬性同橫向振動(dòng)試驗(yàn)樣件。每組螺栓螺母試驗(yàn)件數(shù)各3 件，試驗(yàn)參數(shù)推薦采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，振動(dòng)頻率30 Hz、振動(dòng)次數(shù)30000 次、振幅（11.43±0.4） mm，雙螺母加速振動(dòng)試驗(yàn)工況如表2 所示，為加嚴(yán)考核雙螺母的防松性能，振動(dòng)次數(shù)采用90 000 次，振動(dòng)90 000 次內(nèi)若螺母脫落則終止試驗(yàn)。

表2 加速振動(dòng)試驗(yàn)工況Tab.2 Working Condition of Acceleration Vibration Test

2 結(jié)果與分析

2.1 橫向振動(dòng)防松性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 同一防松方式不同安裝方法防松性能對(duì)比

a）“下薄螺母+上厚螺母”防松方式。

“下薄螺母+上厚螺母”3 種工況，共計(jì)15 個(gè)試驗(yàn)樣本，3000 次循環(huán)振動(dòng)，殘余預(yù)緊力百分比均值為62.3%、23.5%、3.1%，振動(dòng)曲線如圖6 所示。

圖6 “下薄螺母、上厚螺母”殘余預(yù)緊力百分比曲線Fig.6 Residual Preload Percentage Curve of The Bolted Joints with Top Thin Nut and Bottom Thick Nut

“下薄螺母25%+上厚螺母100%”（工況1-1-1 至工況1-1-5）工況殘余預(yù)緊力百分比是“下薄螺母80%+上厚螺母100%”（工況1-3-1 至工況1-3-5）的20.1 倍。此種結(jié)構(gòu)方式，當(dāng)下薄螺母扭矩比例取上厚螺母25%時(shí)，雙螺母的殘余預(yù)緊力百分比衰減最為緩慢，防松性能最優(yōu)。

b）“下厚螺母+上薄螺母”防松方式。

“下厚螺母+上薄螺母”3 種工況，共計(jì)15 個(gè)試驗(yàn)樣本，3000 次循環(huán)振動(dòng)，殘余預(yù)緊力百分比均值為61.3%、46.9%、33.5%，振動(dòng)曲線如圖7 所示，“下厚螺母25%+上薄螺母100%”工況殘余預(yù)緊力百分比是“下厚螺母80%+上薄螺母100%”的1.83 倍。此種結(jié)構(gòu)方式，當(dāng)下厚螺母扭矩比例取上薄螺母25%時(shí)，雙螺母的殘余預(yù)緊力百分比衰減最為緩慢，防松性能最優(yōu)。

圖7 “下厚螺母、上薄螺母”殘余預(yù)緊力百分比曲線Fig.7 Residual Preload Percentage Curve of The Bolted Joints with Top Thick Nut and Bottom Thin Nut

2.1.2 不同防松方式同一安裝方法防松性能對(duì)比

對(duì)于“下薄螺母、上厚螺母”、“下厚螺母、上薄螺母”、“下薄螺母、上薄螺母”、“下厚螺母、上厚螺母”3 種類型的普通雙螺母結(jié)構(gòu)方式，振動(dòng)3000 次后殘余預(yù)緊力最大，振動(dòng)3000 次后殘余預(yù)緊力百分比分別為62.3%、61.30%、53.14%和61.70%，振動(dòng)曲線如圖8 所示。

圖8 “下螺母25%、上螺母100%”殘余預(yù)緊力百分比曲線Fig.8 Residual Preload Percentage Curve of The Bolted Joints with Top Nut 100% and Bottom Nut 25%

由圖8 可知，“下薄螺母、上厚螺母”、“下厚螺母、上薄螺母”防松方式比“下薄螺母、上薄螺母”、“下厚螺母、上厚螺母”防松性能要好，但不可否認(rèn)的是“下薄螺母、上厚螺母”、“下厚螺母、上薄螺母”兩種防松方式差異很小。

2.2 加速振動(dòng)防松性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 “下薄螺母+上厚螺母”防松方式

“下薄螺母+上厚螺母”3 種工況，共計(jì)9 個(gè)試驗(yàn)樣本，90 000 次循環(huán)振動(dòng)，3 個(gè)工況共9 個(gè)試驗(yàn)樣本的試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，“下薄螺母25%+上厚螺母100%”工況下試驗(yàn)后雙螺母未脫落，且試驗(yàn)后雙螺母拆卸最大力矩平均值為53.1 N·m，較工況（工況5-9-1～工況5-9-3）拆卸最大力矩平均值29 N·m 大，而“工況5-10-1～工況5-10-3”安裝方式，雙螺母振動(dòng)不到30 000 次，直接脫落，防松性能完全喪失。“下薄螺母25%+上厚螺母100%”工況防松性能最佳。

表3 雙螺母加速振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of Double Nut Acceleration Vibration Test

2.2.2 “下厚螺母+上薄螺母”防松方式

“下厚螺母+上薄螺母”3 個(gè)工況，共計(jì)9 個(gè)試驗(yàn)樣本，90 000 次循環(huán)振動(dòng)，3 個(gè)工況共9 個(gè)試驗(yàn)樣本的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。“下厚螺母25%+上薄螺母100%”工況下試驗(yàn)后雙螺母未脫落，且試驗(yàn)后雙螺母拆卸最大力矩平均值為53.4 N·m，大于工況6-12-1 至工況6-12-3 拆卸的最大力矩平均值，而工況6-13-1 至工況6-13-3 安裝方式，雙螺母振動(dòng)不到30 000 次，螺母直接脫落，防松性能完全喪失?！跋潞衤菽?5%+上薄螺母100%”工況防松性能最佳。

表4 雙螺母加速振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of Double Nut Acceleration Vibration Test

3 結(jié) 論

本文通過開展雙螺母防松性能試驗(yàn)研究，提出了上螺母取下螺母安裝扭矩的最優(yōu)比例，主要結(jié)論如下：

a）雙螺母在橫向振動(dòng)條件下。

1）同一防松方式的3 種工況下，在下螺母安裝扭矩達(dá)到上螺母安裝扭矩25%時(shí)，雙螺母殘余預(yù)緊力最大，防松性能最好。對(duì)于“上下螺母相同”、“上薄螺母、下厚螺母”、“上厚螺母、下薄螺母”3 種普通雙螺母防松方式，扭矩比例為“下螺母25%、上螺母100%”安裝時(shí)，3 種類型雙螺母振動(dòng)3000 次后的殘余預(yù)緊力最大，防松性能最好。

由式（9）同理可得到香港股市的代理變量恒生指數(shù)的日收益率，并將“深港通”開通前的深證成指日收益率及香港恒生指數(shù)日收益率分別定義為QRSZ、QRHS，“深港通”開通后的深成指數(shù)及香港恒生指數(shù)的日收益率分別定義為HRSZ、HRHS，統(tǒng)計(jì)分析軟件為WINRATS8.0和EVIEWS8.0。

2）不同防松方式的同一“下螺母25%+上螺母100%”工況下，“下厚螺母、上薄螺母”與“下薄螺母、上厚螺母”結(jié)構(gòu)方式比“下薄螺母、上薄螺母”、“下厚螺母、上厚螺母”防松性能要好，但不可否認(rèn)的是“下薄螺母、上厚螺母”與“上薄螺母、下厚螺母”兩種結(jié)構(gòu)殘余預(yù)緊力比例差異很小。

b）雙螺母在加速振動(dòng)條件下。

1）同一防松方式的3 種工況下，在下螺母安裝扭矩達(dá)到上螺母安裝扭矩25%時(shí)，雙螺母防松性能最好。對(duì)于“上厚螺母、下薄螺母”、“上薄螺母、下厚螺母”2 種普通雙螺母防松方式，扭矩比例為“下螺母25%、上螺母100%”時(shí)，2 種類型雙螺母振動(dòng)90 000 次后防松性能最好。

2）不同防松方式的同一“下螺母25%+上螺母100%”工況下，“上薄螺母、下厚螺母”與“上厚螺母、下薄螺母”結(jié)構(gòu)防松性能差異很小。

雙螺母在橫向振動(dòng)及加速振動(dòng)條件下，通過同一防松方式的3 種工況下及不同防松方式對(duì)比，在下螺母安裝扭矩達(dá)到上螺母安裝扭矩25%時(shí)，雙螺母殘余預(yù)緊力最大，防松性能最好。建議選用雙螺母結(jié)構(gòu)類型的產(chǎn)品，按照下螺母安裝扭矩達(dá)到上螺母安裝扭矩25%時(shí)安裝最佳。