液氮深冷方法在解決運載器不銹鋼螺釘咬死問題上的應用

劉立新 柳海龍 吳 潔 宋漪萍

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液氮深冷方法在解決運載器不銹鋼螺釘咬死問題上的應用

劉立新 柳海龍 吳 潔 宋漪萍

（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

為解決某運載器伺服機構曲柄與發動機游機擺軸不銹鋼連接螺釘“咬死”問題，通過對不銹鋼材料在液氮深冷條件下的特性分析，提出了“液氮深冷”的拆卸方法。利用“液氮深冷”方法，實現了在發動機游機擺軸螺紋完好的情況下，順利地將伺服機構曲柄連接螺釘分解下來，確保了某運載器的按時出廠，避免了重大經濟損失的發生。

液氮；深冷；不銹鋼；螺釘；咬死

1 引言

某運載器在總裝廠完成出廠測試后，運載器準備運往發射場完成飛行任務。按常規流程，運載器出廠前需將其上安裝的伺服機構下箭裝箱運輸。就在伺服機構拆卸下箭的過程中出現了異常情況，某分機伺服機構曲柄與發動機游機擺軸的連接螺釘出現了“咬死”問題。解決伺服機構曲柄與發動機游機擺軸連接螺釘“咬死”問題的方案，需保證發動機游機擺軸上的連接螺紋不能出現損壞，否則必須將發動機分解，重新更換游機，再重新完成總裝測試，這將造成重大經濟損失。為解決此咬死問題，開始時采用了潤滑劑浸泡、打孔、注入潤滑劑的方法，均無法松動伺服機構連接螺釘。在經過仔細研究不銹鋼材料的特性等后，提出了“液氮深冷”的拆卸方法。利用“液氮深冷”方法在保證螺紋完好的情況下，順利地將伺服機構曲柄連接螺釘分解下來，確保了運載器的按時出廠，避免了重大經濟損失的發生。

2 問題的發現

某運載器在總裝廠完成出廠測試后，在拆卸伺服機構時，發現連接伺服機構曲柄與發動機游機擺軸的不銹鋼內六角螺釘無法松動。具體情況為：操作人員用內六角扳手朝松動方向施力，在略有松動后，就擰不動了。再往擰緊方向施力，略有松動后，也擰不動。隨后，再朝松動和擰緊兩個方向施力，均擰不動。試用加長力臂的內六角扳手，仍擰不動，判定伺服機構螺釘與游機擺軸發生“咬死”現象。

3 原因分析

3.1 連接設計情況

該處連接如圖1、圖2所示。游機發動機擺軸的材料為不銹鋼00Cr15Ni6Nb，伺服機構曲柄螺釘材料為不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb。

圖1 螺釘連接在游機和伺服機構上的位置三維圖

圖2 伺服機構與游機連接剖面

3.2 咬死原因分析

選擇伺服機構曲柄安裝螺釘材料時，沒有考慮到發動機擺軸的材料也是不銹鋼。不銹鋼材料較“粘”，若不銹鋼螺釘螺紋的接觸表面粗糙度過高時，擰緊過程中的摩擦力作用產生局部應力集中，導致在應力集中部位存在微觀彈性變形和塑性變形，發動機擺軸螺紋應力不均勻分布和尺寸累積偏差等因素導致促使擰接力矩增大,局部產生宏觀變形,使螺紋在高溫和高壓應力作用下發生“咬死”現象。

4 措施研究及實施情況

為保證發動機擺軸螺紋完好，經過仔細分析，提出“液氮深冷”的拆卸方法。

4.1 液氮深冷方法的機理分析

a. 在液氮（-196℃）深冷條件下，螺釘直徑會微量縮小。

計算螺釘直徑尺寸的變化的公式如下：

液氮的溫度為-196℃，廠房的環境溫度為20℃，不銹鋼的線膨脹系數為16.6×10-6/℃[2]，螺釘直徑為16mm，代入式（1）：

=16×10-6×(20-(-196))×16=0.055296mm≈55.3μm

求得在液氮的冷凍下，螺釘直徑的縮小量約為55.3μm。

b. 在液氮深冷條件下，內螺紋的尺寸不變或微量變大。

由于是內螺紋，并且在一個剛性很大的結構上，在對螺釘局部液氮速冷的情況下，內螺紋的尺寸不變或微量變大。

c. 在液氮深冷條件下，不銹鋼的“粘”性降低、強度提高。

綜合以上，在液氮深冷的情況下，螺釘與內螺紋的間隙變大，同時在液氮深冷條件下，不銹鋼的“粘”性降低、強度提高。基于以上原因，“液氮深冷”拆卸方法是可行的。

4.2 實施情況

使用醫用液氮噴射設備，快速向連接伺服機構曲柄與發動機游機擺軸的不銹鋼螺釘頭部的內六角孔處噴射液氮約600ml，然后用內六角扳手再加上力臂加長工裝對螺釘加力，螺釘松動，繼續轉動螺釘，直至螺釘順利拆卸下來。經仔細測量、檢驗，確認發動機游機擺軸上的內螺紋基本完好，可再次安裝使用。

5 結束語

“液氮深冷”方法成功地解決了某運載器伺服機構曲柄與發動機游機擺軸不銹鋼連接螺釘“咬死”問題，確保了運載器的按時出廠，避免了重大經濟損失的發生，為其它不銹鋼緊固件“咬死”問題的解決提供了借鑒。

1 成大先，王德夫，姬奎生，等. 機械設計手冊（第1卷）（第六版）[M]. 北京：化學工業出版社. 2016

2 聞邦椿，張義民，鄂中凱，等. 機械設計手冊（第1卷）（第5版）[M]. 北京：機械工業出版社. 2010

Application of Liquid Nitrogen Cooling Method to Thread Galling of Stainless Steel Fasteners on Launch Vehicles

Liu Lixin Liu Hailong Wu Jie Song Yiping

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beingjing 100076)

This paper studies the low-temperature mechanical properties of stainless steel at cryogenic conditions and offers a new liquid nitrogen cooling approach for thread galling on stainless steel fasteners. The liquid nitrogen cooling method has been applied to solve the thread galling problem in fastening screw which connected the servomechanism crank and the vernier engine on a launch vehicle. The screw was removed with full protection of the internal threads, which also protected the pendulous axis of the vernier engine. The application of the liquid nitrogen cooling method ensures the on-time completion of the launch vehicle, therefore avoiding potential economic loss.

liquid nitrogen；cryogenics；stainless steel；screw；thread galling

劉立新（1968），高級工程師，飛行器設計專業；研究方向：運載器電氣系統設備安裝設計。

2018-01-04