楔型螺紋螺母可靠性初步評估方法研究

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(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天型號產品隨著研制領域的延展和深入，在發射和飛行過程中要經受愈發復雜苛刻的環境。為確保型號產品在這些環境下能夠長期可靠服役，要求對型號上的緊固件產品及其連接可靠性提出嚴格的要求。

作為航天器結構連接的主要形式之一，緊固連接的可靠性要求不允許有失效的可能，但在實際工程中是很難做到的，因此需要進行可靠性分析，找出可能失效的薄弱環節，采取措施進行糾正和預防。

楔型螺紋螺母產品是用以應對各種復雜可靠環境的一類優良緊固件[1]。而對于楔型螺紋螺母產品在復雜載荷和環境下的可靠性設計需求，僅采用傳統應力-強度干涉模型[2]的可靠性設計方法(靜態載荷分布參數統計分析方法)已無法滿足。因此，為評估楔型螺紋螺母產品的可靠性，本文將針對其特點和可能的失效模式，建立楔形螺紋螺母產品的可靠性評估流程和可靠性理論模型。

1 楔型螺紋螺母產品及其連接形式

1.1 楔型螺紋螺母產品

楔形螺紋螺母是一種新型的自鎖內螺紋緊固件產品。楔形螺紋具有獨特的結構——在內螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面，當螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊地頂在楔形螺紋的楔形斜面上，從而產生了很大的鎖緊力，增加防松摩擦力(見圖1)。同時，外螺紋牙頂在與楔形螺紋咬合時，牙頂處齒尖易變形，使載荷均勻地分布在接觸的螺旋線全長上，避免了普通標準螺紋咬合時，80%以上的總載荷集中作用在第一和第二牙的螺紋面上的現象。因此，楔形螺紋聯結副不僅克服了普通標準螺紋聯結副在振動條件下易于自松的缺點，而且還使得楔形螺紋的軸向力均勻分布在整個螺紋的旋合長度上，從而提高了整個內螺紋的承載能力，對于延長螺紋連接的使用壽命具有重要意義。

圖1 楔形螺紋示意圖Fig.1 Wedge screw example

1.2 緊固連接形式

緊固連接用的緊固件，需要承受靜載荷和動載荷，要求緊固連接必須具有一定的強度。航天產品結構上典型的緊固連接形式見圖2、圖3，將上述楔形螺紋螺母與配用螺栓及安裝板連接在一起，即構成單個緊固連接。

圖2 連接結構示意圖Fig.2 Connection structure example

圖3 單個螺釘-螺母連接Fig.3 A single bolt-nut connection

2 楔型螺紋螺母產品的可靠性理論模型

2.1 可靠性

可靠性特征量一般包括：可靠度、失效概率、失效率、平均壽命[3]。其中，可靠度是對于可靠性的概率測量，其定義是產品在規定的使用條件和規定的使用壽命內完成規定功能的概率。與可靠度相對應的特征量是失效概率，是指產品在規定的條件下和規定的壽命內未完成規定功能的概率。失效率的定義是產品工作到某時刻尚未失效，在該時刻后的單位時間內發生失效的概率。平均壽命指的是產品使用壽命的數學期望值；對于不可修復產品，平均壽命是指失效前的平均時間[4]。

對于螺栓連接，一般假設其強度與應力均為正態分布，可大為簡化可靠度的計算。

2.2 楔型螺紋螺母產品的可靠性評估流程

為評估楔形螺紋螺母產品可靠性，首先需要明確緊固件的主要性能指標，然后確定楔型螺紋螺母產品的可靠性評估方法和要求，通過可靠性模型計算得到可靠性水平。針對楔形螺紋螺母產品的特點，其可靠性評估的分析流程如圖4所示。首先，對楔型螺紋螺母產品的特性進行理論分析，然后通過故障樹分析(FTA)和故障模式影響及危害性分析(FEMCA)并計算得到可靠性，最后通過試驗驗證并修正可靠性模型[5]。

圖4 可靠性評估研究流程Fig.4 Reliability evaluation research process

2.3 楔型螺紋螺母的FTA分析

根據緊固件的結構特性和楔形螺紋螺母產品的特點，建立楔形螺紋螺母緊固件的失效故障樹模型，如圖5所示，其中故障樹編號的意義見表1。

圖5 楔形螺母失效故障樹模型Fig.5 Wedge screw failure tree mode

表1 故障樹編號意義Tab.1 Failure tree mode symbols

2.4 楔型螺紋螺母連接可靠性模型

進行螺栓連接可靠性設計時，通常根據螺栓連接的使用要求確定設計準則。對于靜載可靠度、拆裝可靠度的評價，可采用應力-強度干涉模型；對疲勞可靠度的評價，可采用疲勞模型計算。基于上述模型，推導出螺栓連接可靠性的模型和計算公式。對于耐腐蝕可靠度和抗振防松可靠度，試驗采用了截尾試驗的方法，其評價采用威布爾分布的截尾試驗可靠度計算公式。

3 可靠性試驗及結果分析

3.1 可靠性試驗

為評估楔形螺紋螺母產品可靠性，進行了如下試驗：極限抗拉性能試驗、疲勞壽命試驗、防松壽命試驗、拆裝壽命試驗、應力持久試驗以及防腐蝕壽命試驗。本文中選用螺紋為M10×1.5；普通外螺紋：8個螺紋牙，材料GH4169；普通內螺紋：6個螺紋牙，材料GH4169；楔形螺紋：6個螺紋牙，材料GH2132楔形螺紋，尺寸標準JB/T 10971-2010[6]。

3.2 可靠性試驗結果分析

3.2.1 極限抗拉性能試驗

極限抗拉性能的試驗結果如表2所示。從表2中可以看出，楔型螺紋螺母的失效形式為螺栓斷裂和螺母脫扣。靜載失效平均軸力為89.95kN，標準差為1.69 kN，變異系數為0.019。對于靜載可靠性的計算采用應力-強度干涉模型，被試組合件的靜載可靠性為RT=Φ(zT)>99.9916%。

表2 靜載可靠性試驗數據Tab.2 Static load reliability test data

3.2.2 疲勞壽命試驗

疲勞壽命試驗分為兩組，第一組完全按照GJB715.30A-2002[7]進行，樣本量為10件；第二組對試驗件施加安裝力矩(68N·m)，試驗樣本量為18件。帶力矩疲勞壽命測試試件失效后的狀態可以看到較為明顯的貝殼形斷口紋理。表3給出了楔型螺紋螺母產品疲勞壽命，由于帶力矩狀態更好地模擬了組合件在實際使用中的受載狀態，使試驗件組合體不僅受拉-拉載荷的作用，同時受到剪切載荷的作用，受載情況更為復雜，數據離散度相對較高，疲勞壽命更低，即該方法對可靠性的要求更為嚴格。因此，本文提出的帶力矩狀態疲勞壽命測試方法優于標準狀態測試方法。

表3 疲勞壽命試驗數據Tab.3 Fatigue life test data

3.2.3 抗振防松壽命試驗

為對楔型螺紋螺母緊固件組合的抗振防松壽命按照GJB 715.3A-2002[8]進行摸底，在振動循環合格后，繼續進行試驗。當振動循環達到10次標準試驗要求或所有被試件松脫試驗停止。試驗的安裝力矩為40N·m。經過10次標準振動試驗后，無一松動，試驗后的拆卸力矩見表4。

表4 抗振防松壽命試驗數據Tab.4 Anti-vibration and anti-loose life test data

根據截尾試驗的可靠性計算方法以及常規自鎖緊固件抗振防松壽命要求，取任務數=截尾數=300000個循環周期，試驗置信度為0.7，投試數量n=20件，為提高安全系數，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，由此計算得到組合抗振防松性能的可靠度為：

根據楔型螺紋螺母緊固件抗振防松壽命要求，取任務數=60000個循環周期，其他數據同上，則計算出的抗振防松壽命可靠度為：

3.2.4 拆裝壽命試驗

拆裝壽命試驗按照北京宇航系統工程研究所《楔形內螺紋自鎖螺母技術條件》標準規定安裝力矩進行50次加載試驗。由于楔型螺紋螺母緊固件的特點(第一次安裝的扭矩系數與其后各次差異較大，隨著拆裝次數的增加，緊固連接的軸向力不斷增大。故將產生的軸向力控制在一定的范圍內)，規定以第2次～第5次的平均扭矩系數為標準，各次拆裝若扭矩系數與其偏差大于30%，判定失效。其中，扭矩系數K宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中扭矩與軸力之間的系數，是零件的一個特征參數。拆裝壽命的試驗數據見表5。對于拆裝壽命可靠性的計算采用應力-強度干涉模型，被試件拆裝壽命為正態分布，根據工程實踐，確定拆裝壽命的合格次數為10次，則被試組合件的拆裝可靠性為RM=Φ(zM)>98.03%。

表5 拆裝壽命試驗數據Tab.5 Dismantling life test data

3.2.5 應力持久試驗

參照GIB 715.12-1990標準中的試驗要求[9]，應力持久試驗時間設為48h，取這一數值作為產品任務數，取試驗置信度γ=0.7，投試數量n=20件，為提高安全系數，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，將試驗數據代入截尾試驗的可靠性計算公式，可得應力持久性能可靠性為：

=98.51%

3.2.6 耐腐蝕壽命試驗

防腐蝕壽命試驗通常通過鹽霧試驗等方法進行評價，試驗中，50%的試件參照GJB 715.1-1989的相關要求[10]，另外的50%施加68N·m的扭矩之后進行試驗。施加安裝力矩試樣的拆卸力矩數據見表6。根據對表面的觀察以及對于拆卸力矩的考察，所有20個子樣均未發生失效。

表6 帶力矩試樣拆卸力矩數據Tab.6 Data of disassembly moment of sample with moment

根據GJB 715.1-1989的標準要求[10]，耐腐蝕試驗時間為96h，取這一數值作為產品任務數，試驗置信度γ=0.7，投試數量n=20件，威布爾分布的特征值取下限，即m=1，將試驗數據代入截尾試驗的可靠性計算公式，可得耐腐蝕性能可靠性為：

=97.03%

4 結論

本文針對楔型螺紋螺母的特點，根據可靠性初步評估流程完成了對楔型螺紋螺母的FTA分析，建立了其可靠性模型；根據可靠性模型，針對性能設計了相應的試驗進行考核，如在標準疲勞壽命試驗的基礎上，對試驗件施加安裝力矩進行考核，更貼近實際載荷狀態。最終對楔型螺紋螺母需要考核的性能進行了可靠度計算，得到各性能可靠度數據并驗證了本文所提出的對楔型螺紋螺母進行可靠性評估的流程及其可靠性模型的正確性。