几种常见的紧固件预紧力控制形式在飞机维修中的应用

朱宁

摘 要：文章介绍了几种飞机维修中常见的紧固件预紧力控制形式和方法，对比讨论了几种预紧力控制形式之间的优缺点，为飞机维修人员使用提供了参考。

关键词：螺栓;预紧力;定力

在飞机制造与维修过程中，螺栓安装是一种广泛采用的连接形式，特定的螺栓连接都有相应的定力要求。螺纹紧固件的紧固过程涉及扭力输入和转角的控制，以达到预期的预紧力。有许多方法可以使螺栓螺母安装的被连接件连接部位达到一定的预载（预紧力）。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件出现缝隙和相对的滑移。

1    力矩扳手确定螺栓预紧力

在飞机维修工作中，使用最广泛的方法是使用带有指示或者限制扭矩的力矩扳手，按规定预设的力矩值拧紧安装螺栓，并达到连接有限定扭矩紧固件的拧紧力矩。对于力矩值，在维修手册中通常会给出一个范围，定力时可以在这个范围内进行取值，一般是取中间值。通常在手册中给出的是拧紧螺帽的力矩范围而不是拧紧螺栓头的扭矩范围，在有些情况下需要拧紧螺栓头，这时拧紧螺栓头的扭矩值应为给出螺帽扭矩最大值的±10%。

使用力矩扳手控制预紧力测量工具相对容易，操作也比较简便，但是由于螺纹不可避免的存在制造误差，螺栓本身可能会在使用中产生一些损伤和缺陷;批量装配中涂敷润滑剂的多少及拧紧速度、温度不相同等因素，摩擦阻力不能保持恒定，使用力矩扳手控制预紧力的连接精度可能会产生一定偏差。所以力矩扳手定力一般用在机体结构中对轴向预紧力精度要求不高的连接位置[1]。

2    高锁螺栓和高锁螺母连接确定预紧力

高锁螺栓和高锁螺母连接作为一种不可拆卸的永久连接，同时也是一种无需定力的连接形式。高锁螺栓和高锁螺母在飞机结构修理中的应用也极为广泛。高锁螺栓顶杆尾部钻有内六方孔，用于装配时止动销插入，以防止拧螺母时螺栓随之转动。高锁螺栓具有足够的强度，能承受较大的剪切和挤压载荷，具有良好的抗疲劳强度;能从单面紧固，一般用于铆钉无法满足强度要求、普通螺栓难以安装的地方和要求紧固扭矩值严格并很少拆卸的位置。高锁螺母是由保留和拧断两部分组成的一个整体零件，安装后只存保留部分。安装高锁螺栓的拧紧力矩取决于高锁螺母的拧断力矩。

高锁螺栓无需力矩扳手，装配时已设置好螺母的拧紧力矩，只需将螺母拧断即可，而且保证部件上数量众多的高锁螺栓能达到相同的预紧力，不会造成单独连接的应力集中，从而有利于部件的载荷分布、增加部件的疲劳寿命。

3    预载指示垫圈安装确定预紧力

预载指示（Preload Indicating，PLI）垫圈，可以用来控制螺栓的拧紧程度。这种垫圈由4个零件组成，两个普通平垫圈，一个直径较小而厚度较厚的内圈和一个直径较大而厚度较薄的外圈（内环比外环略高）。由供应商制造的PLI垫圈应满足供应商的标准、规范。Standard Pressed Steel公司的规范是SPS-W-150。

在安装高强度的抗拉螺栓时，为了提高疲劳寿命，应将螺帽拧紧到要求的程度，对螺栓施加预紧的拉应力。在螺帽或螺栓头下使用预载指示垫圈可以对螺栓进行定力。预载指示垫圈的工作原理为：在拧紧螺母时，内圈受到压力不断被压缩，直到屈服，并且厚度逐渐变薄，当厚度降到外圈高度时，即表示螺栓的预紧力到达了设定值。使用者可以使用拨动工具插入检测孔，通过检查外圈的移动情况，进而确定安装是否正确到位。如外环不再转动，说明螺栓已经拧紧到要求的程度，螺栓定力结束。

PLI垫圈通常分为螺母端下的安装PLI垫圈和螺栓头下的安装PLI垫圈。螺母端下的PLI垫圈是在螺栓上放一个平垫圈，再加内外PLI垫圈，在螺栓上放第2个平垫圈;螺栓头下的PLI垫圈是在螺栓上放埋头垫圈，垫圈的埋头一侧紧挨螺栓头部，再加上内外PLI垫圈及平垫圈。根据标准螺栓的长度，可按需使用附加的间隙垫圈，以避免拧到螺杆上的螺纹根部。在这种情况下，允许使用2个附加垫圈。在螺栓长度增量大于1/16英寸的特殊情况下，允许使用3个垫圈。在拧紧螺母或螺栓的同时，使用拨动工具旋转外PLI垫圈，当PLI外垫圈不再移动时，就获得了要求的预载荷。除非难以达到，外垫圈上3个孔中至少应有2个孔用于检查移动情况，以便验证安装是否正确。

使用预载指示垫圈進行定力精确，使用方便，定力的准确性也不受装配条件影响。通常情况下，大部分力矩扳手在指示读数上可以精确到±2%，但仍然存在一些变化的因素影响着力矩设定的准确性，如紧固件与孔壁之间的磨损，紧固件润滑，材料的种类，表面光滑度以及其他一些可以影响定力准确性的因素，有时偏差甚至可以高达25%。而且许多结构的连接设计预设的力矩值通常只有螺栓屈服的50%，这潜在的25%偏差就可能是螺栓小于或者大于要求屈服强度的50%。而使用预载指示垫圈可以在不增大螺栓直径的前提下使预设的力矩值达到螺栓屈服强度的72%，同时在减少螺栓直径和螺栓数量的情况下，得到更高的连接强度，也一定程度实现了减重的目的。

4    结语

现阶段，使用力矩扳手定力和应用高锁螺栓与螺母完成结构修理已经被广泛地应用在飞机维修当中，而对于预载指示垫圈，维修人员并不熟悉，但随着预载指示垫圈在新型飞机的大量应用，了解和熟悉使用这几种预紧力控制形式对于飞机维修人员来说也变得更加重要。

[参考文献]

[1]朱虹，陈海龙，朱海兵，等.现代飞机结构中螺栓预紧力控制方法探讨[J].科学与信息化，2017（22）：42-43.