基于振動條件下的不同墊圈結(jié)構(gòu)防松性能研究*

高學(xué)敏，石大鵬，馮韶偉，關(guān) 悅，閆 路，楊冬梅

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

在航空航天領(lǐng)域，緊固件產(chǎn)品以“數(shù)以萬計(jì)、類以群分、連結(jié)構(gòu)、接系統(tǒng)、小物大為”的特點(diǎn)，保障了裝備的質(zhì)量可靠性。墊圈主要用于緊固件支撐面與被連接部位之間，起著保護(hù)被連接件表面、防止緊固件松動作用及其他特殊用途[1]。運(yùn)載火箭芯級捆綁助推器的捆綁連桿一般采用緊固件連接，緊固件經(jīng)常采用螺栓與墊圈組合的防松方式。運(yùn)載火箭在服役和運(yùn)輸過程中，經(jīng)常受到振動、沖擊和交變溫度載荷等復(fù)雜外部載荷的作用發(fā)生緊固件松動失效，造成助推器與芯級之間的捆綁連接技術(shù)可靠性直接影響火箭發(fā)射。而針對不同墊圈結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下的防松性能相關(guān)研究很少，相關(guān)學(xué)者從理論方面也提出了一些觀點(diǎn)，劉檢華等[2–5]通過有限元分析了結(jié)構(gòu)的防松性能，表明楔形墊圈在振動條件下具有良好的防松性能。王崴等[6–8]對雙螺母結(jié)構(gòu)防松性能進(jìn)行了一些研究，揭示了雙螺母防松的原理。研究人員從原理上分析了聯(lián)接松動的原因，介紹了螺紋聯(lián)接的防松方法[9–12]。GB/T10431 標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了緊固件橫向振動試驗(yàn)方法，為進(jìn)行防松性能驗(yàn)證提供相應(yīng)操作方法[13–15]。雖然學(xué)者們通過仿真和理論分析了部分防松結(jié)構(gòu)的有效性，但是僅停留在學(xué)術(shù)探討層面，并沒有在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。

基于上述原因，本文以某型運(yùn)載火箭捆綁連桿用螺栓與不同結(jié)構(gòu)墊圈組合為例，開展不同墊圈結(jié)構(gòu)在振動條件下的防松性能研究。同時(shí)通過開展不同墊圈防松方式下的橫向振動試驗(yàn)，分析不同墊圈結(jié)構(gòu)條件下螺栓摩擦系數(shù)及預(yù)緊力相關(guān)規(guī)律，考核螺栓與不同墊圈組合在振動環(huán)境下防松性能，其研究成果不僅保障國家型號的質(zhì)量可靠性，也具有重要學(xué)術(shù)理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 測試材料與方法

1.1 測試材料

本次試驗(yàn)采用的墊圈結(jié)構(gòu)及螺栓螺母標(biāo)準(zhǔn)見表1，規(guī)格為M16，產(chǎn)品表面處理、熱處理等性能參數(shù)一致，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 不同墊圈產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Different gasket product structure

表1 試驗(yàn)材料屬性Table 1 Test material properties

1.2 測試方法與原理

不同墊圈振動試驗(yàn)方法為《緊固件橫向振動試驗(yàn)方法》GB/T 10431—2008，橫向振動試驗(yàn)是研究分析緊固件防松性能的重要手段。1969年德國Junker 研究發(fā)現(xiàn)了容克振動防松原理，設(shè)備原理圖見圖2，即往返的橫向振動是緊固件產(chǎn)生松脫的主要原因。試驗(yàn)裝置見圖3。

圖2 橫向振動試驗(yàn)設(shè)備原理圖Fig.2 Schematic diagram of transverse vibration test equipment

圖3 橫向振動試驗(yàn)裝置Fig.3 Transverse vibration test device

2 防松性能評估

按照GB/T 10431—2008 規(guī)定方法進(jìn)行試驗(yàn)，5 種不同結(jié)構(gòu)墊圈殘余預(yù)緊力百分比平均值如圖4所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)墊圈殘余預(yù)緊力百分比曲線Fig.4 Percentage curve of residual clamp force with different structures

（1）平墊圈測試：抽樣5 件，采用扭矩法安裝，實(shí)測軸向夾緊力為120～143 kN，平墊圈5 件試樣在振動500次左右時(shí)失去緊固能力，軸力急速衰減。

（2） 彈墊+平墊圈測試：抽樣5 件，采用扭矩法安裝，實(shí)測軸向夾緊力為110～114 kN，彈墊+平墊圈組合試樣在振動1000 次時(shí)失去緊固能力，軸力急劇衰減。

（3）HS 墊圈測試：抽樣5 件，采用扭矩法安裝，實(shí)測軸向夾緊力為105～115 kN，HS 墊圈5 件試樣在500 次時(shí)失去緊固能力，軸力急速衰減，1000 次時(shí)全部衰減為0。

（4）雙面斜齒墊圈測試：抽樣5 件，采用扭矩法安裝，實(shí)測軸向夾緊力為74～92 kN，雙面斜齒墊圈5 件試樣在完成3000 次振動試驗(yàn)后，殘余軸力與初始軸力的值仍保持在74%～82%，防松性能優(yōu)良。

（5）NordLock 墊圈測試：抽樣5 件，采用扭矩法安裝，實(shí)測軸向夾緊力為75～86 kN，NordLock 墊圈5 件試樣在完成3000 次振動試驗(yàn)后，殘余軸力與初始軸力的值仍保持在75%～84%，防松性能優(yōu)良。

同等試驗(yàn)條件下的橫向振動測試表明，NordLock墊圈和雙面斜齒墊圈防松性能最好；平墊圈加標(biāo)準(zhǔn)彈簧墊圈組合雖具有一定的防松能力，但失效的概率大；而平墊圈、HS 墊圈抗震防松能力最差。取不同墊圈試樣各10 件進(jìn)行對比測試，結(jié)果見圖5。

圖5 不同墊圈各10 件的結(jié)構(gòu)殘余預(yù)緊力測試均值Fig.5 Average value of residual clamp force per 10 pieces with different gasket structures

3 防松性能差異機(jī)理分析

3.1 緊固件擰緊時(shí)力學(xué)模型

如圖6所示，緊固件及墊圈在安裝的過程中，內(nèi)外螺紋形成螺旋副，在驅(qū)動力矩和軸向力作用下相對運(yùn)動。力學(xué)模型可以簡化為作用在中徑上的直線運(yùn)動，即水平推力推動滑塊沿中徑展開的斜面上的運(yùn)動 （圖6（a））。

擰緊時(shí)等效為滑塊沿斜面勻速上升，維持滑塊勻速運(yùn)動所需的推力為F=Fatan（Ψ+ρ），產(chǎn)生的螺紋扭矩為（圖6（b））。

圖6 力學(xué)模型圖Fig.6 Diagram of mechanical model

擰松時(shí)等效為滑塊沿斜面勻速下降，維持滑塊勻速運(yùn)動所需的平衡力為F=Fatan（Ψ–ρ）。產(chǎn)生的螺紋扭矩為（圖6（c））。

理論上，螺栓擰緊過程中安裝扭矩T、螺栓預(yù)緊力Fy與摩擦系數(shù)及螺紋尺寸之間有如下關(guān)系：

式中，T為施加的扭矩；Fy為扭矩產(chǎn)生的軸向拉力；μw為支撐面摩擦系數(shù)；μs為螺紋副摩擦系數(shù)；dp為螺栓有效直徑；dw為支撐面摩擦圓等效直徑；α'為垂直截面內(nèi)的螺紋牙形半角；β為螺紋升角。

3.2 防松性能差異的原因分析

采用多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)測試緊固件及墊圈在擰緊過程中的預(yù)緊力及摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，設(shè)備見圖7，試驗(yàn)裝置見圖8。

圖7 多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)Fig.7 Multi function screw fastening analysis system

圖8 試驗(yàn)裝置圖Fig.8 Diagram of test device

測試方法按GB/T 16823.3—2010《緊固件 扭矩–夾緊力試驗(yàn)》，測試結(jié)果見圖9。

圖9 不同結(jié)構(gòu)墊圈支撐面和螺紋摩擦系數(shù)Fig.9 Friction coefficient of support surface and thread of gasket with different structures

通過對支撐面摩擦系數(shù)及螺紋摩擦系數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，5 種墊圈組合支撐面摩擦系數(shù)較螺紋摩擦系數(shù)變化大，在支撐面上表現(xiàn)出了極為明顯的差異分化，其支承面摩擦系數(shù)排序?yàn)椋篘ordLock 墊圈>雙面斜齒墊圈>平墊圈>HS 墊圈>彈墊+平墊圈，即NordLock 墊圈與雙面斜齒墊圈為第1 梯隊(duì)，平墊圈為第2 梯隊(duì)，HS 墊圈和彈墊+平墊圈為第3 梯隊(duì)。

3.3 防松性能差異的主要因素

通過對比分析Nordlock 墊圈、雙面斜齒墊圈、平墊圈、HS 墊圈、彈墊+平墊5 種不同防松結(jié)構(gòu)形式的橫向振動試驗(yàn)，并考核其防松性能。

采用多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)測試緊固件及墊片在擰緊過程中的支撐面摩擦系數(shù)及螺紋摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)NordLock 墊圈和雙面斜齒墊圈支撐面摩擦系數(shù)及螺紋摩擦系數(shù)均較其他結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)大，由力學(xué)模型中螺栓擰緊過程中安裝扭矩T、螺栓預(yù)緊力F與摩擦系數(shù)μ及螺紋尺寸之間形成的經(jīng)典扭拉關(guān)系式可知，NordLock 墊圈和雙面斜齒墊圈結(jié)構(gòu)所承載的支撐面扭矩與螺紋扭矩較其他3 種結(jié)構(gòu)大，因此在振動、沖擊等條件下，松脫過程中所要克服的摩擦扭矩，防松性能最佳。而摩擦系數(shù)不僅與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)，與產(chǎn)品材料、硬度、表面處理、潤滑條件、表面粗糙度等因素也息息相關(guān)。

4 結(jié)論

本文以M16 規(guī)格緊固件為研究對象，分析了航天某型號用緊固件在不同墊圈結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的防松性能，著重研究了M16 緊固件在模擬航天某型號部段實(shí)際安裝環(huán)境下，不同墊圈結(jié)構(gòu)對防松性能以及支撐面摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、預(yù)緊力等相關(guān)參數(shù)的影響及其相應(yīng)變化的規(guī)律。

（1）在裝配條件一致的情況下，墊圈結(jié)構(gòu)不同造成支承面摩擦系數(shù)出現(xiàn)較大變化，同時(shí)相同安裝力矩條件下軸向預(yù)緊力出現(xiàn)了極大的差異；

（2）NordLock 墊圈和雙面斜齒墊圈防松性能最好，平墊圈+彈簧墊圈組合雖具有一定的防松能力，但失效的概率大，而平墊圈、HS 墊圈防松性能最差；

（3）得出了不同墊圈結(jié)構(gòu)對防松性能以及支撐面摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、預(yù)緊力相應(yīng)變化的影響規(guī)律，為航天型號可靠性裝配中防松墊圈的選擇提供指導(dǎo)意見。

航天型號緊固件在運(yùn)輸及服役過程中，受震動、沖擊等外力因素影響在所難免，因此型號用緊固件及墊圈要考慮防松性能。影響防松性能的摩擦系數(shù)等參數(shù)不僅與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)，與產(chǎn)品材料、硬度、表面處理、潤滑條件、表面粗糙度等因素也息息相關(guān)。為有效保障型號用緊固件質(zhì)量可靠性，分析研究其相關(guān)防松可靠性對提升型號裝配水平具有極其重要意義。