钢丝螺套组件扭拉关系及预紧力/安装力矩控制研究*

温楠 侯崇强 刘长栋

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

研究与探讨

钢丝螺套组件扭拉关系及预紧力/安装力矩控制研究*

温楠 侯崇强 刘长栋

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

文摘：概述钢丝螺套扭拉关系试验内容、设备、程序及数据处理，在分析相关标准安装力矩与预紧力选择和确定原则基础上，介绍安装力矩与预紧力确定的标准系数法和试验系数法。

钢丝螺套；扭拉试验；安装力矩；预紧力。

随着航天产品对减重要求越来越高，镁合金、铝合金、复合材料等高比强度和比刚度材料在航天器上的应用越来越广泛，但由于这些材料相对较软，一般不能直接使用螺纹紧固件进行连接。为提高基体材料的强度，通常将钢丝螺套安装在这些材料制成的结构件上，通过钢丝螺套和螺栓实现结构之间的连接。

钢丝螺套是用高强度、高精度、具有菱形截面的不锈钢丝绕制成弹簧状的螺纹连接件。将钢丝螺套旋入安装钢丝螺套用内螺纹，其菱形截面的外角与内螺纹紧密贴合，菱形截面的内角则形成一个新的标准内螺纹。由于基体材料是连接的薄弱环节，采用常用螺栓连接所规定的预紧力/安装力矩可能会造成钢丝螺套拉出、基体破坏等情况。为了确保连接的质量与可靠性，需通过扭矩与拉力关系（即扭拉关系）试验，量化螺栓预紧力/安装力矩，指导实际装配。作者拟从钢丝螺套组件扭拉关系试验及预紧力/安装力矩控制方面进行分析研究，希望能对钢丝螺套组件安装有一定的指导作用。

1 紧固件扭拉试验及标准选用

紧固件的力矩-拉力试验，又称扭拉试验或扭拉关系试验，是研究螺纹紧固件安装力矩和相应产生的拉力之间关系的一种试验方法。目前，开展扭拉关系试验最常用的试验方法标准主要有两个，分别是GB/T 16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》和GJB 715.15-1990《紧固件试验方法力矩-拉力》。GJB 715.15-1990参照采用美国军用标准MIL-STD-1312-15《紧固件试验方法方法15力矩-拉力》（1985版），对测量力矩设备、测力设备、试验夹具、试样、试验程序、试验报告进行了相应的规定，但标准规定的有关内容较为简略，未对试验原理、试验垫片、拧紧速度等信息进行描述和确定。GB/T 16823.3-2010则等同采用ISO 16407：2005《紧固件扭矩-夹紧力试验》，对试验原理、试验垫片、拧紧速度、标准条件试验、特殊情况试验进行了较为详细的规定，且该标准对摩擦系数的测定也进行了相应的规定。不管是从详尽程度还是适应范围上，作者认为，GB/T 16823.3均要优于GJB 715.15。因此，在进行钢丝螺套组件的扭拉关系试验时我们选择参考了GB/T 16823.3-2010。

2 典型钢丝螺套组件的扭拉关系试验

2.1 试验样件、工装及设备

a）试验样件。根据钢丝螺套应用场合的不同，将钢丝螺套组件的扭拉关系试验分为电子连接钢丝螺套组件扭拉关系试验和结构连接钢丝螺套组件扭拉关系试验。电子连接用钢丝螺套的规格一般为小于等于ST4，而结构连接用钢丝螺套的规格一般为大于等于ST4。典型的钢丝螺套试验样件信息见表1。

b）试验工装。设计满足试验要求的工装结构（如图1所示），工装过孔直径符合GB/T 16823.3-2010标准中的有关规定。

表1 钢丝螺套组件扭拉关系试验样件汇总表

图1 扭拉试验工装连接示意

c）试验设备。试验设备采用GB/T 16823.3-2010标准规定的设备，开展扭拉试验的扭拉试验机最大测量拉力为200kN，最大测量扭矩为350Nm，扭矩传感器、拉力传感器的示值误差均为±1%以内，满足要求。

2.2 试验程序

试验程序主要包括试验样件的清洗、试样样件的编号与分组、试样组件安装（必要时润滑螺纹部分）、扭矩施加、数据保存、样件拆卸与保存等内容。试验步骤：

●对试验样件用酒精或丙酮进行清洗；

●为了使试验曲线（数据）与试验样件具有对应关系，将螺钉与配用基体进行分组编号，组合成试验样件；

●将试验样件按要求进行装配，并将六角基体固定在夹具中，采用相应的扳拧工具进行扳拧；

●试验加载速度4r/min，加载次数为1次，直至出现破坏；

●通过扭拉试验机上的扭矩传感器与力传感器，连续测量试验组合件在拧紧过程中的拧紧力矩值M与轴向力值F，分别保存扭拉关系曲线和数据；

●试验完成后，拆下样件并装袋编号保存；

●为保证试验结果的准确性与充分性，每组至少需要保证10个有效试验。

2.3 试验结果、数据处理及分析

a）试验结果。对应于表1各试验组别，得到的电子连接和结构连接钢丝螺套组件扭拉关系试验结果见表2。

b）数据处理。对试验得到的扭拉关系曲线通过最小二乘法进行线性拟合，拟合时截取中间段试验数据，取最小破坏载荷的20%～80%，除非数据有异常。采用肖维勒法对试验粗大值进行剔除。

表2 扭拉关系试验结果

c）结果分析。电子连接钢丝螺套组件在不润滑条件下的扭拉试验结果一致性相对较好，扭矩系数K的平均值约为0.33。结构连接钢丝螺套组件在润滑条件下扭矩系数较不润滑电子连接有较大的下降，K的平均值为0.11。

3 钢丝螺套组件预紧力/安装力矩选择与控制

3.1 预紧力/安装力矩选择与确定的依据

在进行了扭拉关系试验之后，设计人员即可根据试验结果来确定相应的安装力矩或预紧力。以下几方面的文件/资料，可以对确定安装力矩或预紧力有所帮助。

a）美国马歇尔航天飞行中心螺纹紧固件拧紧力矩标准中，给出的安装力矩规定为：对于一般结构连接场合，安装力矩不应超过拉力屈服载荷的65%；对于关键结构连接场合，安装力矩应占相应拉力屈服载荷更高的比例（标准中未给出具体值）。

b）美国MIL-HDBK-60《螺纹紧固件—拧紧到合适的预紧力》标准中，给出的最大螺栓预紧力应在以下范围内：①螺栓最小拉力载荷的50% ～80%；②最小屈服载荷或保证载荷的75%～90%；③比例极限或屈服起始点所对应的力值。

c）ISO 16407：2005（GB/T 16823.3-2010）规定：夹紧力应为试验螺栓或螺母的保证载荷的75%（取较小值），除非另有规定。相当于取了MIL-HDBK-60标准预紧力范围要求的下限。

d）QJ 2886-1997《钛合金螺栓拧紧力矩》中规定：工程应用时，计算拧紧力矩时的预紧力一般可按螺栓最小破坏拉力的35%选取。

从以上标准或文献中可以看出，国外螺纹紧固件安装力矩或预紧力的取值较国内航天规定的相对要高。

3.2 预紧力/安装力矩的确定与控制

3.2.1 标准系数法

标准系数法即通过查手册或标准，得到典型配合条件下的扭矩系数K，将其作为标准系数，并通过参考德国标准VDI 2230《高载荷螺纹连接件系统计算》规定或型号设计人员仿真分析等手段得到螺栓连接的最大和最小预紧力，然后通过公式（1）、（2）可分别计算得到预紧力的最大值Pmax和最小值Pmin。

式中：Γ为扭拉安装方法的不确定因子，螺栓不润滑时取35%，润滑时取25%；Tmax、Tmin分别为安装力矩的最大值和最小值，单位为N·m；K为标准扭矩系数；D为公称直径，单位为mm；P正热、P负热分别为正向和负向热载荷，Ploss为预紧力的损失，单位为kN。

3.2.2 试验系数法

通过试验的方法，可以确定特定连接情况下的扭矩系数K、螺纹副摩擦系数μt、支承面摩擦系数μb，则可以不引入不确定因子，此时预紧力的最大值和最小值可通过公式（3）、（4）计算：

式中：Tp为自锁螺母等的锁紧力矩，单位为N·m；Kmax、Kmin分别为试验得到的扭矩系数的最小值和最大值，其它符号的含义同3.2.1节。

由于通过试验剔除了不确定因素，因此，试验系数法的精度和可靠性均要高于标准系数法，在条件允许时应优先采用。

第2章“扭拉关系试验”是第3章“预紧力/安装力矩选择与控制”的基础，根据第3章的试验结果，设计人员可按第2章中的方法更精确地选择和控制预紧力和安装力矩。

4 结论

扭拉关系试验在指导螺纹紧固件力矩装配、实现螺纹紧固件装配质量控制方面有着重要作用，特别是随着量化安装力矩要求的提出，很多靠经验或沿用老型号规定值的做法已无法满足要求，特别是如何给出合理的预紧力和安装力矩，是一个值得研究的问题。预紧力或安装力矩给定的不合适，可能会导致过拧或欠拧，都会对连接质量带来不利影响。特别是钢丝螺套组件连接，由于其在内螺纹基础上安装了菱形缠绕的钢丝螺套，对其扭拉关系及安装力矩的确定均带来一定影响，最好是在扭拉试验研究基础上，确定相关的系数，以对钢丝螺套预紧力和安装力矩进行准确控制，保证连接的质量与可靠性。

[1]中机生产力促进中心.GB/T 16823.3-2010紧固件扭矩-夹紧力试验[S].中华人民共和国质量监督检验检疫总局，2011-01-10.

[2]孙小炎，佘公藩，陶华，等.GJB 715-15-90紧固件试验方法力矩-拉力[S].国防科技工业委员会，1990-07-17.

[3]Lyndon B.Johnson Space Center.NSTS 08307 SPACE SHUTTLECRITERIA FORPRELOAD BOLTS[S].National Aeronautics and Space Administration，1998-07-06.

[4]孙小炎，马显军.QJ 2886-97钛合金螺栓拧紧力矩[S].中国航天工业总公司，1997-03-10.

[5]George C.Marshall Space Flight Center.MSFC-STD-486B.STANDARD，THREADED FASTENERS,TORQUELIMITSFOR[S]. NationalAeronauticsandSpaceAdministration，November 1992.

[6]孙升.紧固件力矩-拉力试验的数据处理.航天标准化，2013（1）.

温楠（1982年—），男，硕士/工程师，研究方向：标准件研究与检测技术。

*本文源于国防科工局技术基础课题（课题号Z03××13T001）。