多种收口因素对GH738自锁螺母力矩衰减速度的影响研究

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

自锁螺母是利用自身结构塑性变形在螺纹副间产生摩擦力矩来防止螺纹松动，虽有重复拆装方便的优点，但其自锁力矩也会在重复使用过程中逐步衰减，特别是在航空发动机振动、冲击、载荷变动以及温差过大的苛刻工况下[1]。实际使用中曾出现过某型涡扇发动机一次试车后连续5台发动机鼓筒前连接螺母自锁力矩衰减较大的情况，且已小于标准规定力矩下限，而相关标准要求其在高温环境下使用5次后锁紧力矩应能满足要求，故自锁螺母因锁紧力矩衰减过快造成重复使用性差、使用寿命短是目前亟待解决的问题。

研究表明，影响自锁螺母锁紧力矩衰减速度的因素有很多，除不可改变的恶劣工况因素外，螺母的选材及热处理、锁紧结构尺寸、收口方式及收口量等都是主要影响因素[2-3]。但现有研究只是通过常温循环试验分析单一因素对螺母锁紧力矩衰减的影响规律，且没有对比不同规格螺母的差异[4-5]。本文将通过分组试验的方法，对比分析在常温和高温环境下，GH738螺母收口方式、锁紧段壁厚、收口量大小3种因素组合作用时对螺母锁紧力矩衰减的影响规律，进而探讨对于不同规格的螺母延长其使用寿命的收口工艺优化措施。

1 试验对象分析

我国航空发动机上主要使用的是压扁收口自锁螺母，其是在特定的锁紧部位进行收压变形，使锁紧部位的螺纹孔由圆形变为非圆形[6]。压扁方式有椭圆收口、三点收口和多点收口。椭圆收口方式工艺简单，是目前国产自锁螺母最常用的压扁方式，理论上其比三点收口螺母锁紧区作用面积小，在达到相同锁紧力矩时所需变形量更大，锁紧性能不如三点收口稳定，但二者对锁紧力矩衰减速度的影响还需进行对比试验分析。

自锁螺母的锁紧性能与螺母材料的弹性有很大关系[7]，低强度螺母在拧入螺栓时容易使其非圆收口部位产生塑性变形，难以保证弹性锁紧的性能要求，理论上加大螺母锁紧段的壁厚可以提高其锁紧性能稳定性。

自锁螺母收口处收口量大小对其拧出力矩的平均值也有很大影响[8]，理论上收口量越大拧出力矩平均值就越大，尤其是前几次拧出力矩增大明显，但过大的收口量时可能导致首次拧出力矩超出标准上限，且其对锁紧力矩的衰减速度的影响尚不明确，需要通过试验进一步分析。

2 试验及方法

为对比分析影响因素变化时不同规格螺母的表现差异，选取MJ6和MJ8 两种规格的螺母为试验对象，材料均为航空发动机紧固件常用的进口材料Waspaloy，对应国内材料牌号为GH738，试验设备为国产扭力机，试验件安装如图1所示。试验项目为常温15次循环试验和高温5次加载试验，每项试验的试验件均为8件，技术要求和试验方法分别按HB7686—2001[9]和HB7687—2001[10]。

为分析3种因素组合作用时对螺母锁紧力矩衰减的影响规律，采取依次叠加影响因素的思路设计试验分组并加工试验件，试验分组及对应试验件见表1。

3 结果与讨论

3.1 收口方式对比试验

将各组试验件的拧出力矩结果取平均值（后文同），绘制成图2和图3。

由试验数据可见，在常温循环试验后，采用三点收口（B组）的两种规格的螺母各次拧出力矩均大于采用两点收口（A组）的螺母，如图2所示。

如图3所示，在高温加载试验后：

（1）MJ6螺母5次拧出力矩值都大于采用两点收口的螺母，其锁紧力矩衰减程度也小于两点收口的螺母（B组衰减程度为52.7%，A组衰减程度为55.6%，图3（a））。

（2）MJ8螺母5次拧出力矩平均值与采用两点收口的螺母相差很小，但其锁紧力矩衰减程度小于两点收口的螺母（B组衰减程度为39.2%，A组衰减程度为43.2%，图3（b））。

3.2 锁紧段壁厚对比试验

由试验数据可见，在同样采用三点收口方式的情况下，随着收口段壁厚的增加，在常温循环试验后，两种规格螺母各次拧出力矩值均逐渐增大，如图4所示。

如图5所示，高温加载试验后，MJ6和MJ8螺母锁紧力矩表现出不同的衰减规律：

图1 试件安装图Fig.1 Installation diagram of testing pieces

表1 试验分组及对应试验件Table1 Test groups and test pieces

图2 不同收口方式螺母常温循环对比试验Fig.2 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at room temperature

图3 不同收口方式螺母高温加载对比试验Fig.3 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at high temperature

图4 不同锁紧段壁厚螺母常温循环对比试验Fig.4 Torque comparison of different thickness of lock area at room temperature

（1）MJ6螺母随着壁厚的增加，首次拧出力矩明显增大，但其衰减速度同样增大明显，最终第5次拧出力矩相差不大。外圆尺寸由小到大螺母锁紧力矩衰减程度依次为52.7%、64%、68.2%、74.7%（图5（a））。

（2）MJ8螺母随着壁厚的增加，B、C、E 3组试验5次拧出力矩都依次增大，且衰减速度依次减小。D组试验前两次拧出力矩大于E组数据，第3次拧出后力矩下落到E组和C组之间，总体衰减速度较快。外圆尺寸由小到大螺母锁紧力矩衰减程度依次为39.3%、30%、50%、17.9%（图5（b））。

由上述分析可知，高温加载试验后MJ6螺母随着壁厚的增加，衰减速度逐渐增大，而MJ8螺母衰减速度总体上逐渐减小。

分析现象出现的原因，三点收口工艺是采用3个压头同时对螺母收口段外圆进行收压，由于MJ6螺母相对MJ8螺母外径较小，各受压点之间距离较近，收口段受压变形时各受压点之间的相互影响较大，加之收口段各处硬度、各压头的收口量都是有细微差异的，导致螺母收口段3处变形不完全一致，且这种情况在收口段加厚时由于变形部位金属量增加会更加明显，最终导致MJ6螺母在收口段壁厚对比试验中表现出的衰减规律。

3.3 收口量大小对比试验

由试验数据可见，在采用相同收口方式和收口段壁厚的情况下，随着收口量的减小，常温循环试验后，两种规格螺母各次拧出力矩值均逐渐减小，如图6所示。

图5 不同锁紧段壁厚螺母高温加载对比试验Fig.5 Torque comparison of different thickness of lock area at high temperature

图6 不同收口量大小螺母常温循环对比试验Fig.6 Torque comparison of different amount of deformation at room temperature

如图7所示，高温加载试验后，随着收口量的减小：

（1）MJ6螺母各次拧出力矩依次减小，但其总的衰减幅度相差不大，B、F、G组依次为52.5%、47.17%、56.16%（图7（a））。

（2）MJ8螺母F组各次拧出力矩均大于G组，E组第二次力矩小于F组和G组，但第4次和5次力矩大于F组和G组。各组力矩衰减幅度逐渐增大，E、F、G组依次为17.9%、35.8%、37.4%（图7（b））。

4 结论

通过分析对比试验数据，得出分组试验结论如下：

图7 不同收口量大小螺母高温加载对比试验Fig.7 Torque comparison of different amount of deformation at high temperature

（1）常温循环试验时：拧出力矩的衰减主要集中在首次拧入拧出，第2次至第15次衰减相对不大。

（2）高温加载试验时：由于试验件本身内应力释放的影响，各分组中前两次拧出力矩衰减幅度相差较大，后3次趋于一致。

（3）两种规格的GH738螺母采用三点收口方式、增大收口段壁厚、增大收口量总体上均可以提高螺母的拧出力矩值，MJ8螺母拧出力矩衰减程度由43.2%（A组）下降到17.9%（E组）。

对于规格MJ8 及以上的GH738螺母，推荐采用三点收口工艺，并增大其收口段外圆尺寸，同时适当加大收口量大小，可以在降低其锁紧力矩衰减速度的同时提高平均锁紧力矩，但应注意收口量不宜过大，防止最大拧入力矩超出标准和应力集中过大造成螺母收口段损坏，收口量的控制则需反复工艺试验来摸索。

对于规格MJ6 及以下的GH738螺母，由于其规格较小，收口段受压变形时各受压点之间的相互影响较大，采用三点收口工艺时螺母锁紧性能衰减速度对锁紧段壁厚变化敏感，表现不稳定，故建议采用两点收口工艺。