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图4 Ediit螺母 图3 高锁螺母示意图 图2 可调节预紧力垫圈（左图）和DTI垫圈（右图） 图1 国内外拧紧力矩标准要素 预紧力形成原理 螺纹连接件的预紧力是通过拧紧力矩经螺纹副转化而成的，因此控制预紧力的关键是研究螺纹连接的扭-拉载荷转换关系。对螺栓-螺母连接结构，拧紧螺栓时，其拧紧力矩需要克服螺母与被连接件或垫圈支撑面间的摩擦力矩和螺纹副的摩擦力矩，螺纹斜面受力而产生的阻力矩同时使连接件产生预紧力。螺纹连接件的预紧力与拧紧力矩的关系可参考《紧固件连接设计手册》中第三章内容。 在航空紧固件的使用中要求有防松措施。航空螺纹连接件中最常见的防松措施为金属自锁，通过螺母螺纹区变形增加摩擦实现防松，此时拧紧力矩需要受锁紧力矩和预紧力等多重因素的影响，在计算自锁螺母的拧紧力矩和预紧力之间的关系时应该将锁紧力矩考虑进去。其中锁紧力矩应该为实际最大锁紧力矩，经过试验发现实际锁紧力矩一般为规定最大锁紧力矩的50%～60%左右，因此需要在实际工程中考虑。 预紧力确定 在型号应用中如何确定预紧力并达到预定的目的是本文讨论的一项重要内容，一般理论上受拉螺栓预紧力≈75%材料屈服强度， 但是在实际工程中材料的屈服强度不能对每一颗螺栓进行测量，因为材料屈服强度的测量属于破坏性试验，因此一般选取理论载荷为参考依据。按照OCT标准的要求，一般最大预紧力不超过实际螺栓计算抗拉破坏载荷的70%。在MSFC-STD-557中对火箭发动机和太空船中钛合金螺纹连接件的使用限制中明确，不超过规定理论载荷的60%。按照国外对高锁螺母标准规范的控制要求，预紧力要求大于螺母理论抗拉载荷的50%，国内一般确定为标准规定的理论载荷的50%～70%（波音规定为75%）,在MIL-HDBK-60中给出了多种预紧力应用的类型，包括在屈服强度点上下的使用情况,本文仅对一般飞机上大量使用的螺纹连接件进行讨论。 对一般的螺纹连接件，在考虑连接的疲劳性能时，是建立在螺纹连接件本身的抗疲劳能力基础之上，在螺纹连接件本身的拉伸疲劳试验中，是以GJB715.30A为试验方法开展高频高低载交变疲劳试验，疲劳试验中的高载，一般凸头螺栓的钢材料的疲劳高载按理论载荷的45%，钛合金为40%，沉头的疲劳载荷高载水平钢材料的为37.5%，钛合金为33.3%。一般满足平均6.5万次循环的试验，在实际使用过程中，高载是设计疲劳承载能力的主要参考数据，如果将预紧力设定高于疲劳试验的高载，那么可大大提高连接件的疲劳能力，因此预紧力水平的最低水平应该高于试验疲劳载荷。因此本文推荐的载荷水平见表1。 为验证国外产品的实际预紧力控制水平，经过对英制钛合金螺栓规格为.375，涂铝（自润滑）配合A286进行二硫化钼干膜润滑的自锁螺母，通过拧螺栓进行拧紧力矩和预紧力关系进行分析，见表2。 按照对应的BAC5009对上述同类产品的规定拧紧力矩。.375规格的为243inch.lb(27.0N.m)～259inch.lb(29.2N.m)按照对应试验数据预紧力水平为理论抗拉力的50%～65%左右。 预紧力试验方法 目前国内进行螺纹连接件预紧力测试的方法主要有GJB715.13和GJB 715.15。 GJB715.13 紧固件试验方法-安装成形紧固件的预紧力，包括传感器法和浆片法两种，本标准源自MIL-STD-1312-16，但是在原文中给出了浆片法适用于质量一致性的考核，具体数值要大于实际的预紧力，预紧力的数值依据为传感器法得出的数据，但是在国军标中没有明确本条内容。因此对于获取预紧力的准确方法应该是通过传感器方法进行测量，浆片法可以对产品的预紧力的一致性及误差要求不高的紧固件进行试验。 常用预紧力控制方法 分类 对于工程应用首先根据连接件的规格及特点确定预紧应力水平，其次是如何达到既定的预紧力，在工程实践中给出了多种有效控制方法，一般常用的预紧力控制方法有力矩法、预紧力指示垫圈、测量螺栓伸长法、应变计法和螺母自带扭矩控制法等几种控制方法。 力矩法 力矩法是间接控制预紧力的一种方法，一般是通过定力扳手控制拧紧力矩来达到预定的预紧力的目的，也是目前最常用的一种预紧力控制方式，特点是简单易于实施，但是受到被链接件的粗糙度、螺纹的摩擦系数、润滑情况等的影响，预紧力误差较大，一般误差在25%左右，适用于大部分紧固件的预紧力控制。目前比较适用的方式是在标准规范中明确拧紧力矩。 对国内外拧紧力矩的标准进行对比如图1所示。 从国内外对拧紧力矩的标准的对比来看，波音公司BAC标准对标准框架的构建是比较完整的，考虑了各种因素，并且给出了具体的操作要求，但是对于控制的预紧力水平在标准中没有明确。OCT标准中给出了预紧力水平及如何计算，但是受目前型号使用的实际情况限制，不是很全，但是对于通过计算公式的推导及预紧力水平的控制有很大的帮助。按国内的标准来说受编写年代的限制对目前使用的新材料和表面处理等没考虑进去。 预紧力垫圈 预紧力指示垫圈是直接通过垫圈的特性反映预紧力的大小，在安装过程中螺栓和螺母产生预紧力直接反映到垫圈上，垫圈是直接受力单元，垫圈所承受轴向压力直接反映预紧力。典型的预紧力垫圈有可调节预紧力垫圈、DTI垫圈（如图2所示）。可调节预紧力垫圈随着预紧力的不断增大中心环开始变形，在上下平垫和中心环的作用下影响外部可调节环的转动，当用手无法拨动可调节环，达到既定的预紧力。 DTI垫圈是在垫圈的四周有固定的凸起，在安装过程中达到既定的预紧力后凸起被压平，达到显示预紧力大小的目的。 预紧力垫圈的误差范围一般在10%，精度较高，是最直接的预紧力控制方法，但是成本较高，一般用于大规格关键部位的连接。 长度测量法 长度测量法是通过测量螺栓在弹性范围内的变形，通过螺栓在预紧力下的伸长量来计算承受的预紧力的方法，此方法在工程中的应用是在螺纹的尾部定位，然后对螺栓的刚度进行标定，经过对比安装前后螺栓的长度计算出螺栓在安装过程中承受的预紧力载荷。此种方法精度一般在3%～5%，精度较高，花费较贵，一般用于特殊预紧力变化大，但是核心的连接部位，每颗螺栓都要标定。 典型产品为预紧力螺栓，通过二维码定义螺栓尾部的位置通过超声波测量螺栓长度，然后对螺栓的刚度进行标定，通过安装前后扫描二维码，确定螺栓预紧力伸长量，计算出螺栓的预紧力数值，达到预紧力控制的要求。但是此方法要求螺栓的规格较大，并且每一颗都要标定，费用较高。 应变计法 通常是在螺栓的杆部粘贴应变传感器，当螺栓承受预紧力时传感器的电阻变化，由此计算出螺栓的预紧力，此方法精度较高，在1%左右，但是由于螺栓的安装空间限制，工程实用性差，一般可在试验室进行预紧力的试验。 螺母控制法 典型的螺母控制方式产品有高锁螺母和Ediit螺母两种，高锁螺母由工艺部分和工作部分两部分组成，工艺部分用于传递拧紧力矩，安装到达预定的拧紧力矩后从断颈槽处分离，压紧夹层，达到一定预紧力，实现固定的方式，如图3所示。 Ediit螺母控制方法是通过安装完成后形成固定的预紧力，将开槽螺栓和可变形螺母有机的结合，利用安装工具以达到螺母的塑性变形来控制拧紧力矩的目的，从而实现连接件固定，提高了连接的可靠性。设计考虑了螺纹配合的完整性的特征，以及材料在一定的扭矩下可变形螺母的凸台会出现塑性变形，破坏螺纹配合的完整性形成锁紧防松，同时提供足够的预紧力，如图4所示。 工程应用探讨 在确定了预定的预紧力后就是如何实现安装过程达到预紧力的目的，我们将预紧力的控制分为直接控制和间接控制法。通过预紧力垫圈和应变计法直接通过读取预紧力的大小确定安装是否到位，控制精准且能避免安装环境和夹层材料变化引起的误差，但是这种方法操作困难，首先需要对预紧力垫圈进行特殊定制，并进行校核成本较高，因此这种方法适合于连接大规格和关键部位的预紧力控制。通过螺母的方法控制，方便有效能控制预紧力情况，目前大量使用的高锁螺母等就是用在大量的结构连接中，提高连接的疲劳性能，这种高锁连接主要为单次使用。对于飞机上大量的螺纹连接还是普通的螺栓和螺母配合连接，这种连接方式可拆卸，不受安装空间限制，因此使用数量多且更为普遍，如何确定在此安装条件下的预紧力并实现，目前最为有效的方式还是通过拧紧力矩来间接控制。 通过拧紧力矩间接控制预紧力的方法误差较大，但是方便可行，目前国内外比较适用的方法是给定特定螺栓和特定螺母的连接的指导拧紧力矩。但是随着国内在新材料连接和新型螺纹连接件的发展，现有的拧紧力矩标准已经无法满足使用要求。工程实际中会出现给定的力矩无法拧紧连接件以及用力过大造成连接件断裂的情况。因此使用标准时应该注意的问题包括连接的螺栓的强度等级、螺栓和螺母的材料、表面处理、拧螺栓还是拧螺母，有无垫圈及垫圈的材料、螺母是否自锁等对其影响。 确定拧紧力矩的依据就是产生的预紧力，因此在工程中要综合考虑锁紧力矩、润滑以及强度等级等因素，通过计算确定拧紧力矩所产生的预紧力，以预紧力的水平确定拧紧力矩的大小。实际工程应用中建议对于比较重要的部位采用传感器法进行试验以形成的预紧力为标准测试实际的拧紧力矩,从而确定拧紧力矩的操作范围,指导工程实际应用。 总结 本文重点对航空螺纹连接件的预紧力控制进行了分析和研究，通过对预紧力的确定、预紧力的控制实现方式、相关的标准和试验方法进行了系统性的比较和分析。探讨了扭矩法、预紧力垫圈、长度测量法、应变计法、螺母控制法等预紧力控制实现方法。提出预紧力控制水平，以及工程中控制预紧力的针对性方法等，为型号更好确定安装力矩提供参考。 |
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