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潤(rùn)滑劑不當(dāng)使用導(dǎo)致的直升機(jī)主旋翼驅(qū)動(dòng)盤組件的螺栓失效

N.Eliaza,b,*,G.Gheorghiuc,H.Sheinkopfc,O.Levic,G.Shemeshc,A.Ben-Mordechaic,H.Artzic

a/固體力學(xué)、材料和系統(tǒng)系，特拉維夫大學(xué)，特拉維夫69978，以色列

b/材料科學(xué)與工程系，麻省理工學(xué)院，劍橋，MA02139-4307，美國(guó)

c/22號(hào)實(shí)驗(yàn)室，材料部，以色列空軍，PO（= =！地名，never mind）Box 02548,以色列

2002.12.11接收；2003.1.15采納

直升機(jī)的主旋翼驅(qū)動(dòng)盤被明確視為飛行安全的重要部分。未按照指導(dǎo)進(jìn)行保養(yǎng)可能導(dǎo)致造成機(jī)組人員傷亡或直升機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞的重大事故。這篇論文，分析了逐漸加載安裝扭矩的過程中組件中剪力栓失效的五個(gè)方面。目視檢查，斷口和金相組織檢查，化學(xué)分析以及機(jī)械測(cè)試（靜態(tài)拉伸和硬度測(cè)試）按軍方航空標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行未表明任何偏差。一個(gè)特制的基于應(yīng)變計(jì)的螺栓力傳感器被用來監(jiān)管螺栓在扭入螺母過程中逐步增加的實(shí)際載荷，通過比較含有防粘物質(zhì)的不同潤(rùn)滑的方式的螺栓的行為，可總結(jié)出螺栓失效是因?yàn)榉勒澄镔|(zhì)的不當(dāng)使用，它是過載的罪魁禍?zhǔn)住?/font>

關(guān)鍵詞：螺栓失效，預(yù)載荷，安裝扭矩，飛機(jī)，螺紋潤(rùn)滑

直升機(jī)的主旋翼驅(qū)動(dòng)盤被明確視為飛行安全的重要部分。未按照指導(dǎo)進(jìn)行保養(yǎng)可能導(dǎo)致造成機(jī)組人員傷亡或直升機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞的重大事故。（??hit me baby one more time?）該主旋翼驅(qū)動(dòng)盤是通過12對(duì)螺栓-螺母的連接方式固定在主旋翼頭的（見圖1）。這方面的保養(yǎng)手冊(cè)包含了它的卸除，清理，檢查和安裝。

保養(yǎng)規(guī)范要求螺栓的緊固需要通過預(yù)定義的上扣扭矩的應(yīng)用，以便在螺栓內(nèi)產(chǎn)生指定的預(yù)載荷。高預(yù)載荷經(jīng)常是強(qiáng)烈需要的，以便在螺栓連接中保證理想的機(jī)械穩(wěn)定性和耐疲勞性。我們可以通過下式[1]來計(jì)算產(chǎn)生指定預(yù)載荷所需要的扭矩大小：

其中dm螺紋平均直徑（公稱直徑，中徑---譯者注），d是大徑（即螺紋最大的直徑），λ是導(dǎo)程角，μ是摩擦系數(shù)，2α是螺紋角，μc是頸圈摩擦系數(shù)（這里不確定），Fi是預(yù)載荷。以上的摩擦系數(shù)是參照各項(xiàng)不同的參數(shù)來確定的，比如pitch angle（俯仰角？螺距角？），螺紋類型，表面粗糙度和潤(rùn)滑等級(jí)等。平均算來，μ和μc都約等于0.15。方括號(hào)內(nèi)的算式的一般值（簡(jiǎn)化記為扭矩因數(shù)，K），對(duì)于非電鍍的螺栓是0.3，對(duì)于潤(rùn)滑過的螺栓是0.18，對(duì)于鍍鎘（鍍鎘？why?不是鉻，鉻是chromium）的螺栓是0.16。對(duì)于一個(gè)給定的擰緊扭矩，我們可以通過（1）式來計(jì)算螺栓內(nèi)部的力。從該式很明顯能推出K值越小（比如，因?yàn)闈?rùn)滑的作用），對(duì)于給定的扭矩，螺栓內(nèi)部產(chǎn)生的力越大。例如，取典型的螺栓幾何參數(shù)來研究（dm=1.374cm, d=1.426cm,λ=0.008°α=30°），以及一個(gè)比較實(shí)用的扭緊扭矩19.01kg·m。我們可以算得當(dāng)μ=μc=0.15（K=0.12）時(shí)Fi=10986kg，當(dāng)μ=0.15，μc=0.10（K=0.09）時(shí)Fi=14797kg，當(dāng)μ=μc=0.10（K=0.08）時(shí)Fi=16397kg。反復(fù)仔細(xì)的選擇螺栓是值得的，以此來保證當(dāng)螺栓緊固后，能達(dá)到指定的最大負(fù)載能力的一個(gè)百分比值。稍稍少點(diǎn)就達(dá)不到，稍稍多點(diǎn)就破壞了。鑒于精確加載負(fù)荷的重要意義，應(yīng)注意通過使用扭力扳手來精確控制載荷大小，控制加載精度。于是決定設(shè)計(jì)使用一種螺栓力傳感器來監(jiān)測(cè)螺栓裝入螺母時(shí)的實(shí)際受載。這種傳感器的設(shè)計(jì)和使用將在后面章節(jié)詳細(xì)闡述。

在本論文中，分析了逐漸加載安裝扭矩的過程中組件中五個(gè)剪力栓的失效。（hit me baby one more time,again??）。在扭緊加載過程中，這些螺栓在低于指定值（19.01kg·m或137.5磅·英尺）（此處應(yīng)為lb·ft）的情況下斷裂了。以下章節(jié)介紹了實(shí)驗(yàn)過程。

2. 實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)過程由失效螺栓的綜合特征，任意選取的非失效已用螺栓的非破壞性測(cè)試，新螺栓的靜態(tài)拉伸測(cè)試和新螺栓在扭緊過程中所產(chǎn)生力的測(cè)量。該失效螺栓的材料特性和斷裂特征在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。視覺檢測(cè)通過裸眼和立體顯微鏡（Wild model M8是設(shè)備型號(hào)）完成。斷口檢查使用一臺(tái)帶有牛津能量散射光譜儀（簡(jiǎn)稱EDS）的Jeo1 JSM-840A電子掃描顯微鏡（簡(jiǎn)稱SEM）來進(jìn)行。金相組織檢查則使用一臺(tái)Rechert-Jung MeF3光學(xué)顯微鏡（簡(jiǎn)稱OM）來進(jìn)行。螺栓的化學(xué)成分由一臺(tái)EDS來測(cè)定，而防粘物質(zhì)的成分則是通過傅里葉變換紅外光譜儀（簡(jiǎn)稱FT-IR）（這名字真帶感！！）和EDS共同來進(jìn)行測(cè)定的。對(duì)于FT-IR，使用了一臺(tái)來自Nicolet（廠家，尼高力，業(yè)內(nèi)最強(qiáng)—譯者注）的Magna-IR 550（這型號(hào)好老了- -）。散料的硬度則是采用維式硬度測(cè)量法在10kg負(fù)載下測(cè)量的（Leco model V-100A）。任意選取的非失效已用螺栓被移除和檢測(cè)，使用的是按照麥克唐納·道格拉斯規(guī)范進(jìn)行的熒光滲透劑測(cè)試。新螺栓是在室溫進(jìn)行靜態(tài)拉伸破壞載荷的測(cè)試，按NASM使用MTS（美特斯，廠家）一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50噸伺服液壓助力加載框架。

一個(gè)基于應(yīng)變計(jì)的螺栓力傳感器，被特別設(shè)計(jì)用于控制和監(jiān)測(cè)在螺栓扭緊到螺母時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際軸向載荷。該裝置的操作和構(gòu)造的原則在附錄中有詳細(xì)介紹。該型直升機(jī)的保養(yǎng)手冊(cè)要求以下的表面準(zhǔn)備工作（即清理），摩力克潤(rùn)滑噴霧（防粘物質(zhì)）在螺栓的螺紋上形成薄膜并且使其干燥。稍后，螺栓應(yīng)被固定住，而螺母扭轉(zhuǎn)至扭矩達(dá)到17.28kg·m(125lb·ft)，需使用扭力扳手和相應(yīng)適配器。

3. 結(jié)果和討論

工作的第一階段包括收集背景數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)生產(chǎn)商沒有指定任何有關(guān)螺栓螺母的重復(fù)使用說明時(shí)，保養(yǎng)手冊(cè)只要求更換螺母，而重復(fù)使用螺栓。第二個(gè)問題是，盡管直升機(jī)的保養(yǎng)手冊(cè)要求固定螺栓而擰螺母，但往往為了圖方便是固定螺母而擰螺栓。為了補(bǔ)償這種差異，扭矩會(huì)在指定值上增大10%（即從125增加到137.5）。第三點(diǎn)，當(dāng)保養(yǎng)手冊(cè)要求只在螺紋部分噴灑防粘物質(zhì)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的人總是噴涂整個(gè)螺栓。盡管存在這些失誤，以色列空軍沒有報(bào)告過類似的失效。

失效螺栓的尺寸測(cè)量結(jié)果沒有顯示任何有意義的與圖紙所要求的偏差。所以的螺栓都按規(guī)定是0.562-18UNJF-3A型號(hào)的。任意選取的非失效已用螺栓在熒光滲透劑測(cè)試后未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。

失效螺栓的化學(xué)構(gòu)成與鉻鎳鐵合金718相近。這些螺栓表面鍍鎘，且硬度達(dá)到49-51洛氏硬度（從維式硬度值換算過來）。這些發(fā)現(xiàn)與相關(guān)規(guī)范一致，規(guī)范中要求使用擁有AMS 5662化學(xué)構(gòu)成的718合金，抗拉強(qiáng)度熱處理至至少220千磅/平方英寸（ksi:英制應(yīng)力單位，即千磅/平方英寸，1ksi=6.895MPa---譯者注），鍍鎘達(dá)到AMS-QQ-P-416,type2,class2（SAE的鍍鎘標(biāo)準(zhǔn)，二型表示增加了鉻酸鹽處理，二級(jí)表示鍍層厚度不少于0.0003英寸---譯者注）標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)應(yīng)的螺母的化學(xué)構(gòu)成與718合金相似，它們的硬度是46-48HRC。這些測(cè)試結(jié)果達(dá)到了使用AMS 5662或AMS 5663標(biāo)準(zhǔn)的718合金時(shí)在HS 5489（麥道關(guān)于螺母的規(guī)范，雙六角，自鎖，220ksi，718合金）中規(guī)定的技術(shù)要求，熱處理至硬度44-50HRC。防粘物質(zhì)的化學(xué)構(gòu)成也通過FT-IR解析一種新的潤(rùn)滑劑而發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)符合要求的潤(rùn)滑劑是摩力克的3402-C。這是一種抗摩擦的固態(tài)潤(rùn)滑劑、腐蝕抑制劑和有機(jī)粘合劑的分離物，其摩擦系數(shù)接近0.03，且能在-198直至300℃的溫度范圍內(nèi)良好使用。

斷面的視覺檢查，宏觀和微觀的檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室中完成。視覺檢查顯示所有的螺栓都是橫向斷裂的，且在螺紋區(qū)（如圖2）。

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防粘物質(zhì)沿著整個(gè)螺栓均有殘留，而不僅是在螺紋區(qū)。螺母的視覺檢查則沒有任何特別的發(fā)現(xiàn)。斷面的宏觀檢測(cè)顯示了一種亞光灰色顆粒狀圖案且螺栓外圍出現(xiàn)了流線（如圖3）。斷面的微觀檢測(cè)顯示了（如圖4）。金相樣本，其所取為斷面的切片，在光學(xué)顯微鏡下并沒有呈現(xiàn)什么特別的結(jié)果，比如不尋常的或總體上的冶金缺陷。

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同一型的新螺栓的靜態(tài)拉伸破壞測(cè)試是在標(biāo)準(zhǔn)的MTS（如前，是一臺(tái)50噸伺服液壓助力加載裝置）設(shè)備中完成的。加載的拉伸力達(dá)到了50645磅（22972kgf），比操作規(guī)范規(guī)定的最小值47900磅（21727kgf）要大。表面處理對(duì)螺栓扭入螺母中時(shí)螺栓內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的軸向力的影響是由一個(gè)特別設(shè)計(jì)的力傳感器和校準(zhǔn)過的扭力扳手來測(cè)算的。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯集成表1。由表1我們可以了解到MEK清理抑或摩力克潤(rùn)滑劑在螺栓上的使用方法對(duì)實(shí)際的軸向力的影響。直升機(jī)維護(hù)手冊(cè)上要求使用潤(rùn)滑劑前必須先清理螺栓表面。然而我們想測(cè)算假如不按規(guī)范來會(huì)發(fā)生什么。因此，一些螺栓使用甲基乙基酮（丁酮）清理，且在使用潤(rùn)滑油前用干凈的布包裹，而剩下的螺栓不這樣處理。丁酮是一種無色液體，與丙酮?dú)馕断嗨啤ＫǔＳ米饔汀⑼繉踊蛘澈蟿┑娜軇谋?顯而易見的看到由于丁酮的使用導(dǎo)致螺栓在扭緊的過程中產(chǎn)生的實(shí)際軸向力大約增加了20%（比較螺栓14號(hào)與11、12、13號(hào)）。因此，假使沒有按要求那樣去清理螺栓也不能預(yù)見到會(huì)對(duì)它的機(jī)械性能造成損害。從表1中還能看出11、12、13號(hào)這三個(gè)沒有用丁酮清理，但沿螺栓整個(gè)涂覆了潤(rùn)滑劑的螺栓在扭緊時(shí)表現(xiàn)相近。這些發(fā)現(xiàn)有力支持了使用特殊設(shè)計(jì)螺栓傳感器裝置的測(cè)量精密性。附錄也證明了這個(gè)裝置的精確。通過比較14號(hào)和17號(hào)螺栓的測(cè)試結(jié)果，能夠確定潤(rùn)滑劑對(duì)實(shí)際軸向力的影響，也可以比較19號(hào)和11號(hào)，或12號(hào)和13號(hào)（注意19號(hào)螺栓的扭緊力矩要稍稍小點(diǎn)）。現(xiàn)在很清楚了，只在螺紋部分有潤(rùn)滑劑會(huì)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生的軸向力最低，而另一方面，在整個(gè)螺栓涂上防粘物質(zhì)的螺栓要比那些沒有這么處理的產(chǎn)生的軸向力都要大。因此，我們可據(jù)此推測(cè)含有防粘物質(zhì)的潤(rùn)滑劑的使用方式對(duì)螺栓中產(chǎn)生的實(shí)際軸向力的大小有顯著影響。如前所述，雖然潤(rùn)滑劑可以降低扭矩因數(shù)K，但在扭矩一定的情況下會(huì)產(chǎn)生較高的軸向力（見式1）。為了估算螺栓中產(chǎn)生的應(yīng)力的大小，實(shí)際軸向力的大小統(tǒng)一取自具有代表性的螺栓桿部。計(jì)算后，17、11-13和14號(hào)螺栓的應(yīng)力大小分別是98、145和174ksi。應(yīng)力174ksi的螺栓使用丁酮清理并完全涂覆了潤(rùn)滑劑，高于屈服極限（170ksi），但是比螺栓材料的斷裂應(yīng)力（220ksi）要小。讀者應(yīng)該注意到，假如使用螺紋部分的有效面積來計(jì)算，得到的應(yīng)力值應(yīng)該還要高。實(shí)際上，從表1中的注解a,c可以明顯看到，14號(hào)螺栓的實(shí)際應(yīng)力值已經(jīng)非常接近斷裂極限。

綜上，直升機(jī)主旋翼驅(qū)動(dòng)盤總成上的螺栓會(huì)在過載中失效。失效的原因是在整個(gè)螺栓上錯(cuò)誤的使用了防粘物質(zhì)，結(jié)果導(dǎo)致螺栓中的軸向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。根據(jù)這次調(diào)查，維護(hù)小組繼而只在螺栓螺紋部分使用防粘物質(zhì)，而不使用丁酮進(jìn)行預(yù)清理。至于螺栓的重復(fù)使用（見表1注解b），雖沒有被限制，但是這個(gè)問題還是向制造廠商反映闡明了。

根據(jù)以上結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1. 直升機(jī)主旋翼驅(qū)動(dòng)盤總成上的螺栓會(huì)在過載中失效。失效的原因是在整個(gè)螺栓上錯(cuò)誤的使用了防粘物質(zhì)，結(jié)果導(dǎo)致螺栓中的軸向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。

2. 防粘物質(zhì)只應(yīng)在螺紋部分使用，而為了防止過載失效，用丁酮進(jìn)行預(yù)清理是不必要的。

3. 在本次工作中設(shè)計(jì)和使用的螺栓力感應(yīng)器，提供了精密準(zhǔn)確的軸向力大小測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，它可能會(huì)成為在類似的螺栓-螺母連接失效分析方面的有力工具。

本附錄描述了螺栓力傳感器裝置的設(shè)計(jì)，構(gòu)造和確認(rèn)情況。在該裝置中，緊固時(shí)的拉伸載荷導(dǎo)致傳感器中產(chǎn)生壓縮載荷。傳感器上加載的力通過綁在裝置外的應(yīng)變計(jì)上電阻的變化被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。應(yīng)變計(jì)被接入一個(gè)四臂（惠斯通電橋）電路中。這種結(jié)構(gòu)能最大的減少溫度變化或外來干擾的影響。相關(guān)的應(yīng)力計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)在它處有描述。

該裝置的結(jié)構(gòu)要滿足一些要求比如：

1) 尺寸足夠小要使螺栓螺母完全配合；

2) 緊固時(shí)裝置受壓縮力要處在彈性形變范圍內(nèi)；

3) 應(yīng)變計(jì)要有良好的固定表面。

該結(jié)構(gòu)由17-4PH的馬氏體不銹鋼構(gòu)成，在496℃沉淀硬化（H925熱態(tài)）。應(yīng)變計(jì)（威世的N2A-13-T035R-35B）被固定在裝置的相對(duì)兩面。這些是開放式的康銅合金金屬片應(yīng)變計(jì)，背后是很薄的層壓的聚酰亞胺薄膜。它們的特點(diǎn)是有可重復(fù)的低蠕變性能，且主要建議在精密傳感器例如應(yīng)變分析這類大數(shù)量級(jí)的應(yīng)用中。

應(yīng)變計(jì)的安裝按以下說明完成。首先，裝置表面要用水基的酸性表面清潔劑（M-Prep,威世）擦凈。其次，使用通用的氰基丙烯酸鹽粘合劑（一種快干膠），能在室溫下快干（威世M-Bond 200）。再次，電路用具有良好導(dǎo)電性和耐腐蝕性的焊料（威世 361A-20R-25）焊接。

隨后，一種風(fēng)干的聚亞胺脂敷料（威世M-Coat）被用在配線和焊料連接處用以保護(hù)它們免受潮濕、化學(xué)或物理上的不良影響。最后，把應(yīng)變計(jì)連到威世P-3500手持式（威世肯定給這篇論文出錢了的！！）應(yīng)變指示儀上。該儀器在應(yīng)變分析測(cè)試或使用基于應(yīng)變計(jì)的傳感器時(shí)有獨(dú)到之處。螺栓力傳感器裝置如圖A1。

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在測(cè)試螺栓之前，傳感器需要校準(zhǔn)來保證準(zhǔn)確而可靠的應(yīng)力值轉(zhuǎn)換和讀數(shù)。一臺(tái)15噸的英斯特朗螺桿機(jī)械試驗(yàn)機(jī)來加載壓縮力測(cè)試該傳感器。為了仿真螺栓緊固時(shí)裝置上的收縮，螺栓上部固定在裝置上部表面，螺母固定在裝置下底部來進(jìn)行校準(zhǔn)。應(yīng)力值由P-3500來獲取。如圖2所示典型的校準(zhǔn)曲線圖，從中我們能清楚看到加載的壓縮力和所得應(yīng)力值的線性相關(guān)性。良好的結(jié)果重現(xiàn)性也是顯而易見的。

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