提高疲勞壽命的托板自鎖螺母選項研究

鄭建鋒

上海飛機設計研究院標材部

提高疲勞壽命的托板自鎖螺母選項研究

鄭建鋒

上海飛機設計研究院標材部

目前飛機上應用的托板自鎖螺母主要有：粘接式無耳游動托板自鎖螺母、齒形無耳游動托板自鎖螺母、座圈式無耳游動托板螺母、有耳游動托板自鎖螺母，通過測試研究對比這4類托板自鎖螺母進行重量、強度性能參數，并對四種托板螺母進行抗剪搭接疲勞對比試驗，根據試驗結果，給出飛機不同區域對應的最佳托板自鎖螺母類型選擇指導。

研究對比的測試項目

研究對比的測試項目見表1。

測試結果

重量檢測

經在天平上檢測，5件 MS21076L4的平均重量 為2.596g，安裝 后 對 結 構增 重1.8232g；5件 CB6014CR4－1P的平均重量為3.342g，安裝后對結構增重2.7452g；5件CNP11C4－2－03CC的平均重量為4.598g，安裝后對結構增重3.7435g；5件FTR－4－0－2－0.18－S的平均重量為5.640g，安裝后對結構增重4.8012g。

表1　試驗項目及試驗件數量

推出力試驗

試驗結果

推出力試驗要求每一個樣品不小于556.15N，測試的4種無鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均推出力達到1984.32N，破壞形式為支架變形，螺母從支架中脫落；CB6014CR4－1P平均推出力達到1986.18N，其中2個樣品破壞形式為支架變形，螺母從支架中脫落，另外3個為膠層破壞；CNP11C4－2－03CC的平均推出力達到650.78N，破壞形式為螺母支架從夾層中推出；FTR－4－0－2－0.18－S的平均推出力達到1827.64N，破壞形式為彈簧支架破壞，螺母脫落。

試驗結果分析

a）4種托板自鎖螺母推出力平均值最好的是CB6014CR4－1P粘接式游動無耳托板自鎖螺母，其推出力與MS21076L4雙耳游動托板自鎖螺母相當。且5件數據比較穩定，為理論值325%～385%之間，高出理論值較多；

b）在施加推出載荷的過程中，CB6014CR4－1P粘接式游動無耳托板自鎖螺母隨著載荷的增加，連接處變形量最小，且曲線變化和破壞形式比較穩定。推出力破壞形式是膠層和支架混合破壞，可以認為膠層和支架處于等強度水平；

c）FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動托板自鎖螺母的推出力，稍微低于CB6014CR4－1P，水平比較相當。FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動托板自鎖螺母的推出力連接處變形量曲線變化和破壞形式比較穩定，反映出該種螺母的安裝工藝穩定性比較好。其退出全部是彈簧支架破壞，說明其干涉安裝部位、與彈簧支架相比，還具有較強的抗推出能力；

d）對于CNP11C4－2－03CC齒形游動托板自鎖螺母，其推出力平均值最低為650.78N，稍微高于理論值556.15N，而且其破壞形式是：螺母支架從夾層中推出，說明該種結構的干涉安裝形式在使用過程中抗推出力的能力較弱，選用時應特別注意，就單項指標而言，應該慎重選用。

擰脫力矩試驗

試驗結果

政府補助。政府補助主要包括財政貼息、研究開發補貼和政策性補貼。該變量的數據來源于企業財務報表附注中損益項目下政府補助項目，是當期企業收到的政府補助合計減去退回政府補助的金額。

擰脫力矩試驗要求每一個樣品不小于11.3 N·m，測試的4種無鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均擰脫力矩達到16.79N·m，其中2個樣品破壞形式為鉚釘剪斷，另外3個為支架變形，螺母從支架中脫落；CB6014CR4－1P平均擰脫力矩達到18.61 N·m，其中2個樣品破壞形式為支架破壞，另外3個為支架變形，膠層破壞；CNP11C4－2－03CC的平均擰脫力矩達到14.32N·m，破壞形式為齒槽支架相對于夾層轉動；FTR－4－0－2－0.18－S的平均擰脫力矩達到19.51N·m，破壞形式為座圈相對于夾層轉動。

試驗結果分析

a）4種托板自鎖螺母擰脫力矩平均值最好的是FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動托板自鎖螺母，而且其擰脫力矩破壞形式都是座圈相對于夾層轉動。5件試樣擰脫力矩均高于理論值較多，為理論值的261%；

b）CB6014CR4－1P粘接式游動無耳托板自鎖螺母，擰脫力矩略低于FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游動托板自鎖螺母。5件試樣擰脫力矩均高于理論值較多，為理論值的167%；

c）對于CNP11C4－2－03CC齒形游動托板自鎖螺母，其擰脫力矩平均值最低為13.47N·m，稍微高于理論值11.3N·m，而且其破壞形式是：齒槽支架相對于夾層轉動。說明該種結構的干涉安裝形式在使用過程中抗擰脫力矩的能力較弱，選用時應特別注意，就單項指標而言，應該慎重選用。

振動試驗

試驗結果

振動試驗要求每一個樣品旋轉角度不大于360°，測試的4種無鉚托板自鎖螺母全部合格。其中MS21076L4的平均轉角度為22°；CB6014CR4－1P的平均旋轉角度為26°；CNP11C4－2－03CC的平均旋轉角度為16°；FTR－4－0－2－0.18－S的平均旋轉角度為18°。

試驗結果分析

本次振動對比試驗主要是考核4種自鎖螺母的抗振動能力，與安裝工藝沒有關系，從試驗結果可以看出，4種螺母都具有較好的抗振動能力，相互差異較小，螺母多數只發生輕微轉動，抗振動能力基本相當。

搭接剪切疲勞試驗

試驗結果

測試每一種螺母連接的接頭靜載荷，然后分別取靜載荷的67%、50%及30%作為疲勞載荷進行試驗，同時根據實際情況增加2個疲勞載荷數據，形成每一種螺母的S－N曲線，見圖1。

從4種螺母的S－N曲線圖可以看出：

a）MS螺母的應力集中影響最大，疲勞性能最差；

b）高載荷區：FTR螺母疲勞性能比其他3種好，其次是CB螺母及CNP螺母；

c）低載荷區：CB螺母疲勞性能比其他3種好，其次是CNP螺母，FTR螺母在此區域性能與MS相當。

圖1　4種螺母S－N疲勞曲線

結語

通過以上測試項目的綜合對比，4種無鉚托板自鎖螺母的性能均滿足規范NASM20257的要求，但都具備各自的優缺點。綜合來看，MS螺母（有耳游動托板自鎖螺母）應力集中影響最大，連接疲勞性能最差，FTR螺母（座圈式游動托板自鎖螺母）高載荷區疲勞性能較好，低載荷區CB螺母（粘接式式游動托板自鎖螺母）較好。CNP螺母（齒形游動托板自鎖螺母）的抗扭脫力矩和推出力較其他3種低，故在需要多次拆卸或受力部位不宜使用CNP型托板螺母。

若從連接疲勞性能上比較，建議在飛機結構高載區域，即當設計載荷大于破壞載荷的30%時，優先選擇座圈式游動托板自鎖螺母，其次是粘接式式游動托板自鎖螺母，最后是齒形游動托板自鎖螺母；在飛機結構低載區域，即當設計載荷小于破壞載荷的30%時，優先選擇粘接式式游動托板自鎖螺母，其次是座圈式游動托板自鎖螺母，最后是齒形游動托板自鎖螺母。