民用飛機(jī)緊固件選用概述

劉彥清

摘要

飛機(jī)上大量使用了各類緊固件，緊固件的正確選用對(duì)飛機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重大意義，本文對(duì)航空緊固件的選用原則進(jìn)行了總結(jié)，介紹了民用飛機(jī)上緊固件的應(yīng)用情況，詳細(xì)總結(jié)了緊固件選用的設(shè)計(jì)流程以及需要考慮的因素，以使設(shè)計(jì)人員在選用緊固件時(shí)有一個(gè)宏觀的概念，對(duì)從事飛機(jī)研發(fā)的工程人員有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞

緊固件;民用飛機(jī);選用流程;連接

中圖分類號(hào)： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.72

0 引言

民用飛機(jī)上所使用的緊固件必須滿足民用航空適航標(biāo)準(zhǔn)FAR25、CCAR25相關(guān)條款的要求。通常，民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件相關(guān)的設(shè)計(jì)部門會(huì)根據(jù)已有民機(jī)上的使用經(jīng)驗(yàn)、供應(yīng)商提供的緊固件適航符合性資料以及可被采購(gòu)的情況，為結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等其他設(shè)計(jì)部門提供出《XX型號(hào)飛機(jī)緊固件選用目錄》。除非特殊情況（需向標(biāo)準(zhǔn)化部門申請(qǐng)），工程設(shè)計(jì)人員均應(yīng)在該目錄中選擇合適的緊固件，本文將就設(shè)計(jì)人員如何合理地選用緊固件進(jìn)行闡述。

1 緊固件的分類

通常，緊固件一般分為螺栓、螺釘、高鎖、鉚釘?shù)龋T釘又包括環(huán)槽鉚釘、抽芯鉚釘和實(shí)心鉚釘。牛春勻先生將這些緊固件又籠統(tǒng)分為永久性緊固件和可拆卸緊固件兩大類。而按照FAA認(rèn)可的分類方法，MMPDS將民用飛機(jī)上使用的機(jī)械緊固件分為五類，螺紋連接類緊固件、可鍛套環(huán)型緊固件、盲緊固件、實(shí)心鉚釘和特殊型緊固件。螺紋連接類緊固件包括了螺栓和螺釘，均屬于可拆卸緊固件;可鍛套環(huán)型緊固件包括高鎖和環(huán)槽鉚釘，屬于永久性緊固件;盲緊固件指抽芯鉚釘?shù)葐蚊娌僮鞯木o固件。

2 緊固件選用注意事項(xiàng)

螺栓的可靠性較高，大多由高強(qiáng)度合金鋼或鈦合金制備，常用于承受高剪切、高拉伸或拉剪復(fù)合載荷的部位，例如平尾懸掛接頭與機(jī)身框的連接、設(shè)計(jì)分離面處對(duì)拉角盒的連接等。常選用8號(hào)以上螺栓（即直徑大于0.25 in），為保證飛機(jī)連接具有良好的疲勞性能，選用螺栓時(shí)需同時(shí)明確擰緊力矩。

螺釘常用于需要經(jīng)常拆卸的次承載結(jié)構(gòu)的連接中，如維修口蓋、設(shè)備等。

高鎖螺栓自鎖能力高且具有較高的穩(wěn)定預(yù)緊力。高鎖可實(shí)現(xiàn)單面擰緊，其重量輕利于減重，被大量用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中。環(huán)槽鉚釘?shù)膹?qiáng)度較高、耐疲勞性良好，但需要有足夠的安裝空間，常用于零件狀態(tài)下緊固件的安裝，如復(fù)材壁板共固化長(zhǎng)桁邊緣的防分層緊固件的安裝等。

抽芯鉚釘由于可靠性較低，一般不應(yīng)用在主要承載的結(jié)構(gòu)上;單面操作是其特點(diǎn)，因此常用于不開敞、一面不可達(dá)的部位，如APU周向防火墻的安裝。

實(shí)心鉚釘是民用飛機(jī)上使用量最大的緊固件，其具有價(jià)格低廉、連接可靠性高、易于自動(dòng)化裝配等特點(diǎn)。民用飛機(jī)上鉚釘一般不允許抗拉，只能承受剪力。由于鉚釘安裝時(shí)會(huì)造成釘孔擠壓膨脹，嚴(yán)禁用于復(fù)合材料的連接。

3 緊固件選用的設(shè)計(jì)流程

緊固件選用的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

首先要根據(jù)周圍結(jié)構(gòu)的傳力路徑、被連接件的結(jié)構(gòu)形式和受載情況，確定選用抗拉還是抗剪的緊固件。按強(qiáng)度等級(jí)分為140Ksi、160～180Ksi、180～220Ksi、220～250Ksi等，對(duì)于飛機(jī)上一些承受較大拉剪復(fù)合載荷的重要傳力部位的連接，螺栓的選用需滿足式（1）所示的工程算法并且有一定的裕度。目前世界主流的民用飛機(jī)，都大量采用了NAS6000、NAS7000系列的緊公差螺紋，與孔配合更好、載荷傳遞更均勻，疲勞強(qiáng)度更好。

式中：x為剪切載荷;y為拉伸載荷;a為緊固件的剪切許用值;b為緊固件的拉伸許用值。

然后根據(jù)安裝位置處是否有齊平度要求決定選用凸頭還是沉頭緊固件，如飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼壁板外表面屬于氣動(dòng)表面，該處的緊固件都應(yīng)選沉頭，通常選用100沉頭鉚釘，沉頭高度不大于壁板厚度的2/3或锪窩后剩余厚度至少大于0.5mm。若厚度不滿足要求，可增加凹陷墊圈。

接下來，根據(jù)被連接結(jié)構(gòu)的材料，并結(jié)合安裝部位所處的環(huán)境，綜合考慮緊固件的材料及表面涂層。傳統(tǒng)民用飛機(jī)主要采用金屬結(jié)構(gòu)，特別是高強(qiáng)度鋁合金材料，緊固件的材料較容易選擇，通常采用同電位的經(jīng)陽極化處理后的鋁制緊固件。而先進(jìn)民用飛機(jī)中碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件占比越來越大，復(fù)合材料的電化學(xué)活性最小，用于復(fù)材件裝配的緊固件需重點(diǎn)考慮異電位防護(hù)，與之相容性較好的是鈦合金材料的緊固件，其次是高溫合金，避免使用鋁合金材料的緊固件。復(fù)合材料相關(guān)的電化學(xué)防腐蝕的措施有緊固件濕安裝、增加墊片用于隔離、復(fù)材零件裝配區(qū)域增加玻璃布等。安裝位置在高溫區(qū)以及高溫影響區(qū)的緊固件，還需考慮緊固件在高溫環(huán)境下的承載能力，推薦使用鎳基合金、A286、鈦鈮合金、鈦合金等材料的緊固件。需注意帶有鍍銀涂層的高溫合金螺母與裸鈦螺栓配合使用會(huì)產(chǎn)生銀脆現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)避免。

選用緊固件時(shí)還需要考慮安裝結(jié)構(gòu)件的維修維護(hù)性，對(duì)于一些維修口蓋、系統(tǒng)設(shè)備等結(jié)構(gòu)件，通常要設(shè)計(jì)成易于拆卸的形式，可選用螺栓或螺釘，或配合托板螺母使用。

另外，安裝部位周圍施工的條件、工廠的裝配順序等，也會(huì)影響緊固件的選擇，例如，位于閉角區(qū)的緊固件往往存在擰緊工具無法施工的情況，需工程設(shè)計(jì)人員留意。裝配機(jī)身各部段時(shí)，在型架上，通常先定位框、梁，然后裝配壁板，此時(shí)，部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的裝配有可能只允許單面操作甚至只能采用抽芯鉚釘，比如APU周向防火墻。

在剩余備選緊固件中，需綜合考慮成本因素。選擇其他部位常用的緊固件將有利于供應(yīng)商及時(shí)采購(gòu)或調(diào)配資源。

4 結(jié)論

緊固件的選用需綜合考慮強(qiáng)度、氣動(dòng)要求、結(jié)構(gòu)防腐、工藝性、維修維護(hù)、成本等多方面的因素，本文概述了民用飛機(jī)上緊固件的應(yīng)用情況，梳理了緊固件選用的流程，為民機(jī)設(shè)計(jì)人員在選用緊固件時(shí)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[2]Metallic Materials Properties Development and Standardization（MMPDS）.