提高疲劳寿命的托板自锁螺母选项研究

郑建锋

上海飞机设计研究院标材部

提高疲劳寿命的托板自锁螺母选项研究

郑建锋

上海飞机设计研究院标材部

目前飞机上应用的托板自锁螺母主要有：粘接式无耳游动托板自锁螺母、齿形无耳游动托板自锁螺母、座圈式无耳游动托板螺母、有耳游动托板自锁螺母，通过测试研究对比这4类托板自锁螺母进行重量、强度性能参数，并对四种托板螺母进行抗剪搭接疲劳对比试验，根据试验结果，给出飞机不同区域对应的最佳托板自锁螺母类型选择指导。

研究对比的测试项目

研究对比的测试项目见表1。

测试结果

重量检测

经在天平上检测，5件 MS21076L4的平均重量 为2.596g，安装 后 对 结 构增 重1.8232g；5件 CB6014CR4－1P的平均重量为3.342g，安装后对结构增重2.7452g；5件CNP11C4－2－03CC的平均重量为4.598g，安装后对结构增重3.7435g；5件FTR－4－0－2－0.18－S的平均重量为5.640g，安装后对结构增重4.8012g。

表1　试验项目及试验件数量

推出力试验

试验结果

推出力试验要求每一个样品不小于556.15N，测试的4种无铆托板自锁螺母全部合格。其中MS21076L4的平均推出力达到1984.32N，破坏形式为支架变形，螺母从支架中脱落；CB6014CR4－1P平均推出力达到1986.18N，其中2个样品破坏形式为支架变形，螺母从支架中脱落，另外3个为胶层破坏；CNP11C4－2－03CC的平均推出力达到650.78N，破坏形式为螺母支架从夹层中推出；FTR－4－0－2－0.18－S的平均推出力达到1827.64N，破坏形式为弹簧支架破坏，螺母脱落。

试验结果分析

a）4种托板自锁螺母推出力平均值最好的是CB6014CR4－1P粘接式游动无耳托板自锁螺母，其推出力与MS21076L4双耳游动托板自锁螺母相当。且5件数据比较稳定，为理论值325%～385%之间，高出理论值较多；

b）在施加推出载荷的过程中，CB6014CR4－1P粘接式游动无耳托板自锁螺母随着载荷的增加，连接处变形量最小，且曲线变化和破坏形式比较稳定。推出力破坏形式是胶层和支架混合破坏，可以认为胶层和支架处于等强度水平；

c）FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游动托板自锁螺母的推出力，稍微低于CB6014CR4－1P，水平比较相当。FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游动托板自锁螺母的推出力连接处变形量曲线变化和破坏形式比较稳定，反映出该种螺母的安装工艺稳定性比较好。其退出全部是弹簧支架破坏，说明其干涉安装部位、与弹簧支架相比，还具有较强的抗推出能力；

d）对于CNP11C4－2－03CC齿形游动托板自锁螺母，其推出力平均值最低为650.78N，稍微高于理论值556.15N，而且其破坏形式是：螺母支架从夹层中推出，说明该种结构的干涉安装形式在使用过程中抗推出力的能力较弱，选用时应特别注意，就单项指标而言，应该慎重选用。

拧脱力矩试验

试验结果

政府补助。政府补助主要包括财政贴息、研究开发补贴和政策性补贴。该变量的数据来源于企业财务报表附注中损益项目下政府补助项目，是当期企业收到的政府补助合计减去退回政府补助的金额。

拧脱力矩试验要求每一个样品不小于11.3 N·m，测试的4种无铆托板自锁螺母全部合格。其中MS21076L4的平均拧脱力矩达到16.79N·m，其中2个样品破坏形式为铆钉剪断，另外3个为支架变形，螺母从支架中脱落；CB6014CR4－1P平均拧脱力矩达到18.61 N·m，其中2个样品破坏形式为支架破坏，另外3个为支架变形，胶层破坏；CNP11C4－2－03CC的平均拧脱力矩达到14.32N·m，破坏形式为齿槽支架相对于夹层转动；FTR－4－0－2－0.18－S的平均拧脱力矩达到19.51N·m，破坏形式为座圈相对于夹层转动。

试验结果分析

a）4种托板自锁螺母拧脱力矩平均值最好的是FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游动托板自锁螺母，而且其拧脱力矩破坏形式都是座圈相对于夹层转动。5件试样拧脱力矩均高于理论值较多，为理论值的261%；

b）CB6014CR4－1P粘接式游动无耳托板自锁螺母，拧脱力矩略低于FTR－4－0－2－0.18－S座圈式游动托板自锁螺母。5件试样拧脱力矩均高于理论值较多，为理论值的167%；

c）对于CNP11C4－2－03CC齿形游动托板自锁螺母，其拧脱力矩平均值最低为13.47N·m，稍微高于理论值11.3N·m，而且其破坏形式是：齿槽支架相对于夹层转动。说明该种结构的干涉安装形式在使用过程中抗拧脱力矩的能力较弱，选用时应特别注意，就单项指标而言，应该慎重选用。

振动试验

试验结果

振动试验要求每一个样品旋转角度不大于360°，测试的4种无铆托板自锁螺母全部合格。其中MS21076L4的平均转角度为22°；CB6014CR4－1P的平均旋转角度为26°；CNP11C4－2－03CC的平均旋转角度为16°；FTR－4－0－2－0.18－S的平均旋转角度为18°。

试验结果分析

本次振动对比试验主要是考核4种自锁螺母的抗振动能力，与安装工艺没有关系，从试验结果可以看出，4种螺母都具有较好的抗振动能力，相互差异较小，螺母多数只发生轻微转动，抗振动能力基本相当。

搭接剪切疲劳试验

试验结果

测试每一种螺母连接的接头静载荷，然后分别取静载荷的67%、50%及30%作为疲劳载荷进行试验，同时根据实际情况增加2个疲劳载荷数据，形成每一种螺母的S－N曲线，见图1。

从4种螺母的S－N曲线图可以看出：

a）MS螺母的应力集中影响最大，疲劳性能最差；

b）高载荷区：FTR螺母疲劳性能比其他3种好，其次是CB螺母及CNP螺母；

c）低载荷区：CB螺母疲劳性能比其他3种好，其次是CNP螺母，FTR螺母在此区域性能与MS相当。

图1　4种螺母S－N疲劳曲线

结语

通过以上测试项目的综合对比，4种无铆托板自锁螺母的性能均满足规范NASM20257的要求，但都具备各自的优缺点。综合来看，MS螺母（有耳游动托板自锁螺母）应力集中影响最大，连接疲劳性能最差，FTR螺母（座圈式游动托板自锁螺母）高载荷区疲劳性能较好，低载荷区CB螺母（粘接式式游动托板自锁螺母）较好。CNP螺母（齿形游动托板自锁螺母）的抗扭脱力矩和推出力较其他3种低，故在需要多次拆卸或受力部位不宜使用CNP型托板螺母。

若从连接疲劳性能上比较，建议在飞机结构高载区域，即当设计载荷大于破坏载荷的30%时，优先选择座圈式游动托板自锁螺母，其次是粘接式式游动托板自锁螺母，最后是齿形游动托板自锁螺母；在飞机结构低载区域，即当设计载荷小于破坏载荷的30%时，优先选择粘接式式游动托板自锁螺母，其次是座圈式游动托板自锁螺母，最后是齿形游动托板自锁螺母。