完结篇 │ 拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响

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本文专门研究了《拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响》，非常值得一读，小兹在此与大家分享，分4期连载，每期连载的最后都会附上兹懋专业的点评，欢迎品鉴交流。

研究发现，在拧紧完成后的一段时间内螺栓预紧力会逐渐发生一定程度的降低[17-18]。这种预紧力的降低可能会导致螺栓连接结构在工作时，其实际预紧力低于设计要求数值，进而会导致结构性能发生不可预知的变化。因此，需要通过实验研究确定特定工艺条件下装配预紧力衰减的规律，为后续工艺补偿提供参考依据。本研究中，以单螺栓连接结构和法兰-螺栓连接结构为研究对象，探索了在扭矩法拧紧工艺下装配预紧力的短时衰减规律。

针对图1中的单螺栓连接结构,研究其装配预紧力短时衰减规律，首先设定一组拧紧力矩梯度，对于每个拧紧力矩值，在拧紧完成后监测装配预紧力在30min内的变化情况，试验工艺条件如表7所示：

记录装配预紧力随时间衰减过程。绘制得到衰减前后的预紧力-拧紧扭矩关系曲线如图10 所示。

图 11 所示为不同扭矩条件下M8 螺栓30 min内装配预紧力衰减曲线，从图中可以看出，使用不同扭矩进行拧紧后，螺栓预紧力的衰减规律大致相同，并且25～30 min 后，预紧力基本进入稳定状态。

对图12进行分析可知，在本实验条件下，使用不同扭矩进行拧紧时，预紧力衰减比例在8.5%～10.5%之间变化，基本保持稳定。图13分析了5 min、10 min 和20 min 时间节点预紧力衰减量占总衰减量的比例，可以看出在10 min 时8 组实验均完成了80%以上的衰减，20 min 时都完成了90%以上的衰减。

以法兰螺栓连接结构(如图14所示)为实验研究对象，研究其装配预紧力短时衰减规律。首先设定一组拧紧力矩梯度，对于每个拧紧力矩值，在拧紧完成后监测装配预紧力在30min内的变化情况，实验工艺条件如表8所示。记录装配预紧力随时间衰减过程。绘制得到衰减前后的预紧力-拧紧扭矩关系曲线如图15所示。图16所示为不同扭矩条件下M10 螺栓30 min内装配预紧力衰减曲线，从图中可以看出，使用不同扭矩进行拧紧后，螺栓预紧力的衰减规律大致相同，并且15～30 min 后，预紧力基本进入稳定状态。

根据图17分析可知，在本实验条件下，使用不同扭矩进行拧紧时，预紧力衰减比例在1%～5%之间变化，基本保持稳定。图18 分析了5min、10min和20min时间节点预紧力衰减量占总衰减量的比例，可以看出在10min时8组实验基本都完成了80%以上的衰减，20min 时基本完成了90%以上的衰减。

从上述实验中可以发现，在拧紧完成后的30min内，螺栓预紧力会发生一定程度的衰减，且衰减规律基本一致，均基本符合指数或幂函数形式。

预紧力发生衰减的可能原因是，拧紧后螺栓内部形成的非均匀应力场中微观组织产生了滑移、位错等微观运动，导致局部区域弹性变形转变为塑性变形，进而螺栓内部弹性应变量随时间减少，预紧力发生衰减[19]。

而通过对M8 单螺栓结构与M10 法兰螺栓结构两种装配工艺实验的对比发现，预紧力衰减基本符合指数或幂函数形式，但预紧力衰减数值、衰减比例以及衰减速度可能与温度、螺栓及被连接件结构、材料、润滑条件等因素有关。

懋博士：

通过试验结果分析，得出以下的结论：

a使用扭矩-转角法进行拧紧，预紧力数值比使用扭矩法拧紧时更接近理论目标值，并且重复拧紧时预紧力分散程度也更低，扭矩法预紧力标准差大致是扭矩-转角法的3倍，因此扭矩-转角法相较扭矩法拧紧质量更高。这一点与常规的螺栓连接一致。

钛合金不润滑的螺栓螺母和被连接件的连接扭矩系数K可达0.6以上，说明钛合金连接摩擦系数比标准汽车螺栓螺母连接中要高出很多。

b分步拧紧有利于提高螺栓预紧力一致性，两步拧紧(50%～100%)与三步拧紧(30%～70%～100%)预紧力一致性非常接近，三步拧紧略微优于两步拧紧，而单步拧紧得到的螺栓预紧力分散度最大。因此，多步拧紧不仅能够降低预紧力的衰减，还能达到减小预紧力分散的效果。

c在20/40/60/80 rpm 四组拧紧转速范围区间内，拧紧速度越大，拧紧扭矩系数K值越小，越有利于拧紧扭矩向预紧力的转换；拧紧速度越大，拧紧扭矩系数K值越趋于平稳，即预紧力离散程度越平稳。拧紧转速越大，同样扭矩情况下往往预紧力会更大。

d在拧紧完成后的短时间内，螺栓预紧力会发生一定程度的衰减，且衰减规律基本一致，即前5～10 min 衰减最快，大致占总衰减量的80%，在20～30 min 后，预紧力基本保持稳定。