高锁螺栓连接力学参数关系的实验研究

2017年1月机床与液压Jan.2017第 45 卷第1期MACHINE TOOL &HYDRAULICS Yol.45 No. 1 DOI：10.3969/j.issn. 1001-3881. 2017. 01. 018

高锁螺栓连接力学参数关系的实验研究

吴南星，成飞，廖达海，鲍星

(景德镇陶瓷学院机械电子工程学院，江西景德镇333403)

摘要：为了研究高锁螺栓连接过程中拧断力矩、锁紧力矩及预紧力之间的关系，借助普通螺栓连接经典理论推导出了高锁螺栓连接的数学模型。以A286材质的M5、M6、M8型三点高锁螺母及未经自锁工艺处理的高锁螺母与高锁螺栓为实验对象，利用扭拉实验设备，获得了拧断力矩、锁紧力矩及预紧力值。通过推导的数学模型计算出了扭矩系数。实验结果表明：三点高锁螺母及未经自锁工艺处理的高锁螺母的拧断力矩值和扭矩系数值几乎相同。对于三点高锁螺母，收口部位对高锁螺母的拧断力矩几乎没有影响，锁紧力矩是线性叠加到拧断力矩上的。实验结果验证了数学模型的正确性。

关键词：高锁螺母；高锁螺栓；拧断力矩；锁紧力矩；预紧力

中图分类号：V262. 3 文献标志码：A文章编号：1001-3881 (2017) 01-077-4

Experimental Study on the Relationship Between the Mechanical Parameters of

Hi-lock Bolt Connection

W U Nanxing,C H E N G Fei,LIAO Dahai,B A O Xing

5460a

(School of Mechanical &Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,

Jingdezhen Jiangxi 333403 ,China)

A bstract：In order to research the relationship between the breaking torque, locking torque and pre-tightening force of hi-lock bolt connection. The mathematical model of high lock bolt connection was deduced with the help of the common bolt connecting classical theory. With the material A286 of the M5, M6, M8three point hi-lock nut and non self-locking hi-lock nut and hi-lock bolt as the experimental object, the breaking torque, locking torque and pre-tightening force were got using torsion testing machine. The torque coefficient was calculated by the mathematical model of the deduction. Experimental results show that breaking torque and torque coefficient of the three point hi-lock nut and non self-locking hi-lock nut are almost the same. For three point hi-lock nut, nosing parts almost have no effect on breaking torque of hi-lock nut, locking torque is linear superposition to breaking torque. The correctness of the mathematical model is verified by the experimental results.

Keywords：Hi-lock nut；Hi-lock bolt；Breaking torque；Locking torque；Pre-tightening force

〇前言

螺栓连接作为飞机装配制造中非常重要的机械连接方式之一，随着飞机制造过程中整体结构的应用不断提高，其数量也不断增加[1_2]。而高锁螺栓与高锁螺母装配形成的紧固组件主要用于干涉配合孔，是高强度永久性紧固件，具有自锁、高强度、高抗疲劳性、抗振动、易于安装等特点[3_5]，因此，广泛用于飞机装配以及修补中。例如，某型号军用机全机采用不锈钢、铝制高锁螺母及钛合金高锁螺栓就超过2万件[“]。

在高锁螺栓连接中，关键力学参数主要有锁紧力矩、拧断力矩以及预紧力。其中，锁紧力矩是高锁螺母自锁及防松性能的重要指标，过大或者过小，都会对飞机的安全造成严重的影响[9]。这三者之间存在着内在联系，然而在我国的高锁螺母的研制过程中，由于未弄清三者之间的关系，新型高锁螺母的研制过程仅限于仿制，需要进行大量的实验验证，但是结果往往还不理想，所以有必要分析高锁螺栓连接中这3个重要力学参数之间的关系。

本文作者通过普通螺栓连接成熟理论公式，分析推导出高锁螺栓连接数学模型；然后以A286材质的 M5、M6、M8三种型号的三点高锁螺母及未经自锁工艺处理的高锁螺母与高锁螺栓为实验材料，进行了扭拉实验，测得锁紧力矩、拧断力矩以及预紧力；最后对实验数据进行计算分析，验证了高锁螺栓连接数学模型的正确性。

1高锁螺栓连接数学模型的建立

普通的螺栓连接时，拧紧力矩r、螺纹副间的摩

收稿日期：2015-11-22

基金项目：江西省科技计划项目（20112BBE50016)；研究生创新基金资助项目（YC2013-S246)

作者简介：吴南星（1968—），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为陶瓷机械设备应用研究。E-mail: chengfei878@ 163. com 。

• 78 •机床与液压第45卷

擦阻力矩及紧固件端面间由预紧力产生的摩擦阻

力矩:r2之关系如下[9]:

T二T\+T2(1)

螺纹副间的摩擦阻力矩：Ti为：

(2)

式中：心为轴向力（对于不承受轴向工作载荷的螺

纹，心即为预紧力）；a为螺纹中径；々为螺纹升

角；^为螺旋副的当量摩擦角。

紧固件端面间由预紧力产生的摩擦阻力矩r2为：

(3)

式中为螺母与被连接件支承面间的摩擦因数；A

为螺母承力面外半径；<；为螺母承力面内半径。

因此，得出普通螺栓连接中拧紧力矩与预紧力之

间的关系，其理论公式如下：

tan(^+^)+-f e)

d^^v/3d

式中：^为螺纹的公称直径

一般公式（4)可简化为dF0(4)

[9]

T二K .d .F0(5)式中：K为螺栓扭矩系数。

高锁螺母与普通螺母结构不同，有锁紧力矩及拧断力矩两个参数，因此不适用上文已有成熟的经典理论公式。需要说明的是，拧断力矩是指在装配过程中，将高锁螺母驱动部分从断颈槽处拧断时，安装工具所施加的力矩，拧断力矩实际上可以近似看作经典理论公式中的拧紧力矩；高锁螺母的锁紧力矩是指在螺栓未受轴向力的作用下由螺母的收口螺纹部分与高锁螺栓挤压摩擦产生的摩擦力矩。

图1给出了高锁螺母示意图。主轴编码器

从图中可以看出，在高锁螺母螺纹部分分布了三点收口，三点在螺母截面上呈120°三角分布，是螺母制造完成后利用液压收口机制备的。高锁螺母螺纹部位的收口尺寸很小，只占整段螺纹的小部分。经测量，收口部位的轴向长度约为1.2 m m，而高锁螺母与高锁螺栓之间的螺纹副旋合长度在6〜10 m m。

在高锁螺母与高锁螺栓的配合过程中，高锁螺母内螺纹中的收口部位螺纹会发生变形，内外螺纹因为变形产生挤压力，从而带来螺纹副之间的摩擦力，产生普通螺母中没有的锁紧力矩。收口部位变形后将会更加接近正常部位的螺纹，但变形部位很小，不会对

整体内螺纹变形造成很大影响。因此推测在高锁螺母中，扭矩系数不会因为收口部位而发生改变，锁紧力矩是线性叠加到拧紧力矩上的。故拧断拧力矩、锁紧力矩以及预紧力满足如下关系：

T二K •d •F0+T\(6)

该式即为高锁螺栓连接数学模型。式中，K为高锁螺母的锁紧力矩；高锁螺母在配合过程中未受轴向

引向器

工作载荷，故心为预紧力。

2实验方法

2. 1实验材料

实验材料为某型飞机所用的高锁螺母以及未经自锁工艺处理的高锁螺母与高锁螺栓。螺母与螺栓材料均为A286合金，均经过阳极化处理，螺纹按A S8879D，螺纹倒角按GJB52。实验组件尺寸有3种，分别为M5、M6及M8。

2.2 实验设备及方法

实验按照 GJB715. 14-90 的要求[11]，在 Q B N-L100实验机上进行实验。Q B N-L100扭拉实验机主要由实验件夹具、计算机控制中心、扭矩传感器及伺服电机等组成。它能实时将螺纹配合的扭矩及预紧力数值传输到计算机内，并控制扭转速率及扭转角度。通过 Q B N-L100扭拉实验机，能在一次装配实验中记录下高锁螺母的锁紧力矩、拧断力矩及预紧力3个数值，满足验证实验的需要。扭拉实验机示意图如图2 所示。

图2扭拉实验机示意图

在实验过程中，高锁螺母的夹具需要专门制作，主要是防止对高锁螺母的螺纹部分造成干涉，影响锁紧力矩的测试。为了减小因螺纹摩擦引起螺纹面摩擦因数的变化，导致试验数据不精确的影响，每个螺母

只与一个高锁螺栓进行抒进抒出配合试验。

第1期吴南星等：高锁螺栓连接力学参数关系的实验研究• 79 •3结果与讨论

实验用A286材质的M5、M6及M8型高锁螺母

以及未经自锁工艺处理的高锁螺母分别与高锁螺栓配

合做实验，各型螺母进行了 20组实验，任意选出8

组数据见表1和表2。

表1高锁螺母锁紧力矩、拧断力矩及预紧力测定数据表

型号试验组号锁紧力矩/

(N • m)

拧断力矩/

(N • m)

预紧力/

10.927 4. 1655.603

20.941 4.0846. 377

30.832 4. Ill7. 124

40.9303.9236.534

50.786 4. 3196. 872

60.872 4. 2045.673

70.8773.934 6.541

80.879 4. 182 6.908

1 1.4218. 32612. 535

2 1.4358.23012. 596

3 1.4847.96112.617

41. 1498. 19613. 632

51. 1678.54313. 846

6 1.7108. 11512. 165

7 1.3958.00313. 090小便冲洗阀

81. 1178. 36512. 687

1 1.36017. 02723. 671

2 1.27918. 38326. 546

3 1.55018.56729. 316

4 1.77918.87125. 753

5 1.49018. 13327. 334

6 1.25017.46628. 620

7 1.31217. 00925. 628

8 1.28217.64825.011

在高锁螺栓连接中，拧断力矩的大小是由高锁螺母的断颈槽尺寸决定，而实验所用的高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母在断颈槽尺寸上都保持一致，所以理论上两种高锁螺母配合得到的拧断力矩值应该也一样。由表1与表2中的数据计算可得：M5型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的拧断力矩平均值分别为4. 115和4210 N •m，标准差分别为〇. 135和0. 110，预紧力平均值分别为 8.391和6.454 k N;M6型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的拧断力矩平均值分别为8.217和8.288 N •m，标准差分别为0. 194和0.400，预紧力平均值分别为15.001和12.896 k N; M8型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的拧断力矩平均值分别为17.888和17.627 N •m，标准差分别为0.705和0.576，预紧力平均值分别为27. 495和26. 485 k N。经对比分析可知：各型号高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母的拧断力矩的平均值相差不多，离散型相差也不大，而预紧力变小许多，说明高锁螺母的收口部位对拧断力矩几乎没有影响，但是会对高锁螺母的预紧力产生影响。

表2未经自锁工艺的高锁螺母拧

断力矩及预紧力测定数据表

型号试验组号拧断力矩/(N •m)预紧力/kN

1 4. 1067. 783

2 4. 3268.283

3 4. 1107. 276

4 4. 1448.772铁盒制作

5 4. 1979. 140

6 4. 2258.266

7 4. 3948.940

8 4. 1748.670

18.36615.769

28.86615. 625

38.73315. 153

48. 12915. 326

58.45915.758

68. 10313. 867

78.00214. 282

87.64614. 231

118.26026. 720

216. 94324. 930

317. 90029. 952

417. 53529. 647 M8

518. 32828. 005

618.00826. 047

717.01427. 803

817. 02626. 857根据经典公式（5)可以算出未经自锁工艺的高锁螺母的扭矩系数，高锁螺母的扭矩系数按照前面推导的公式（6)来计算，计算所得扭矩系数见表3。由表3中的数据计算可得：M5型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的扭矩系数平均值分别为〇. 101和〇. 101，标准差分别为〇.〇1〇 3 和0.007 0; M6型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的扭矩系数平均值分别为0.089和0.092，标准差分别为0.003 6和0.003 6; M8型高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母与高所螺栓配合得到的扭矩系数平均值分别为〇.078和0.080，标准差分别为〇.〇〇4 7和0.004 9。对比分析可知：各

• 80•机床与液压第45卷型号高锁螺母及未经自锁工艺的高锁螺母的扭矩系数明了扭矩系数不会因为收口部位而发生改变，锁紧力的平均值相差不多，离散型相差也不大，该结论也证矩是线性叠加到拧断力矩中的。

表3扭矩系数表

型号组号12345678

M5有自锁扭矩系数0. 1160.0990.0920.0920. 1030. 1170.0930.096无自锁扭矩系数0. 1060. 1040. 1130.0940.0920. 1020.0980.096

M6有自锁扭矩系数0.0920.090.0860.0860.0890.0880.0840.095无自锁扭矩系数0.0880.0950.0960.0880.0890.0970.0930.093

M8有自锁扭矩系数0.0830.0810.0730.0830.0760.0710.0770.082无自锁扭矩系数0.0850.0850.0750.0740.0820.0860.0760.079

4结论[4]崔明慧.波音737飞机紧固件的应用研究[J].航空制造

根据M5、M6、M8三组高锁螺母与未经自锁工

艺的高锁螺母的扭拉实验结果进行计算分析可以

得到：

(1)从三组实验中高锁螺母与未经自锁工艺的高锁螺母的拧断力矩值来看，各组高锁螺母的拧断力

矩几乎相同，证明了收口部位对高锁螺母的拧断力矩

几乎没有影响，只是产生了锁紧力矩，减小了预

紧力。

(2)计算所得出的未经自锁工艺的高锁螺母的扭矩系数与高锁螺母扭矩系数值几乎相同，验证了高

锁螺母的自锁部位带来的锁紧力矩是线性叠加到拧断

力矩中，没有影响高锁螺母的扭矩系数。

(3)运用推导所得数学模型对实验数据进行计算得到的扭矩系数值与经典理论公式计算得到的扭矩

系数值几乎相等，计算结果与理论推导相符合，证明

推导的数学模型是正确的。

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