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機械社區

標題: 998大俠螺栓資料的試譯 [打印本頁]

作者: 奇_點 時間: 2013-9-30 14:10
標題: 998大俠螺栓資料的試譯
本帖最后由奇_點于 2013-9-30 14:28 編輯

998大俠發了份很不錯的英文資料，是關于螺栓的。正好馬上要放假了，事兒不多，就班門弄斧的翻譯了一下。不曾想真要一字一句斟酌著翻譯出來，挺費工夫的，所以還只翻譯了一小部分。希望能借此拋磚引玉，引發大家的學習興趣。不才翻譯水平極為有限，錯漏難免，希望大家批評指正。

潤滑劑不當使用導致的直升機主旋翼驅動盤組件的螺栓失效

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

a/固體力學、材料和系統系，特拉維夫大學，特拉維夫69978，以色列

b/材料科學與工程系，麻省理工學院，劍橋，MA02139-4307，美國

c/22號實驗室，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

摘要

直升機的主旋翼驅動盤被明確視為飛行安全的重要部分。未按照指導進行保養可能導致造成機組人員傷亡或直升機嚴重損壞的重大事故。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方面。目視檢查，斷口和金相組織檢查，化學分析以及機械測試（靜態拉伸和硬度測試）按軍方航空標準進行未表明任何偏差。一個特制的基于應變計的螺栓力傳感器被用來監管螺栓在扭入螺母過程中逐步增加的實際載荷，通過比較含有防粘物質的不同潤滑的方式的螺栓的行為，可總結出螺栓失效是因為防粘物質的不當使用，它是過載的罪魁禍首。

關鍵詞：螺栓失效，預載荷，安裝扭矩，飛機，螺紋潤滑

1. 說明

直升機的主旋翼驅動盤被明確視為飛行安全的重要部分。未按照指導進行保養可能導致造成機組人員傷亡或直升機嚴重損壞的重大事故。（??hit me baby one more time?）該主旋翼驅動盤是通過12對螺栓-螺母的連接方式固定在主旋翼頭的（見圖1）。這方面的保養手冊包含了它的卸除，清理，檢查和安裝。

保養規范要求螺栓的緊固需要通過預定義的上扣扭矩的應用，以便在螺栓內產生指定的預載荷。高預載荷經常是強烈需要的，以便在螺栓連接中保證理想的機械穩定性和耐疲勞性。我們可以通過下式[1]來計算產生指定預載荷所需要的扭矩大小：

[1]

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是導程角，μ是摩擦系數，2α是螺紋角，μc是頸圈摩擦系數（這里不確定），Fi是預載荷。以上的摩擦系數是參照各項不同的參數來確定的，比如pitch angle（俯仰角？螺距角？），螺紋類型，表面粗糙度和潤滑等級等。平均算來，μ和μc都約等于0.15。方括號內的算式的一般值（簡化記為扭矩因數，K），對于非電鍍的螺栓是0.3，對于潤滑過的螺栓是0.18，對于鍍鎘（鍍鎘？why?不是鉻，鉻是chromium）的螺栓是0.16。對于一個給定的擰緊扭矩，我們可以通過（1）式來計算螺栓內部的力。從該式很明顯能推出K值越小（比如，因為潤滑的作用），對于給定的扭矩，螺栓內部產生的力越大。例如，取典型的螺栓幾何參數來研究（dm=1.374cm, d=1.426cm,λ=0.008°α=30°），以及一個比較實用的扭緊扭矩19.01kg·m。我們可以算得當μ=μc=0.15（K=0.12）時Fi=10986kg，當μ=0.15，μc=0.10（K=0.09）時Fi=14797kg，當μ=μc=0.10（K=0.08）時Fi=16397kg。反復仔細的選擇螺栓是值得的，以此來保證當螺栓緊固后，能達到指定的最大負載能力的一個百分比值。稍稍少點就達不到，稍稍多點就破壞了。鑒于精確加載負荷的重要意義，應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。于是決定設計使用一種螺栓力傳感器來監測螺栓裝入螺母時的實際受載。這種傳感器的設計和使用將在后面章節詳細闡述。

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）（此處應為lb·ft）的情況下斷裂了。以下章節介紹了實驗過程。

2. 實驗過程

該實驗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試，新螺栓的靜態拉伸測試和新螺栓在扭緊過程中所產生力的測量。該失效螺栓的材料特性和斷裂特征在實驗室測定。視覺檢測通過裸眼和立體顯微鏡（Wild model M8是設備型號）完成。斷口檢查使用一臺帶有牛津能量散射光譜儀（簡稱EDS）的Jeo1 JSM-840A電子掃描顯微鏡（簡稱SEM）來進行。金相組織檢查則使用一臺Rechert-Jung MeF3光學顯微鏡（簡稱OM）來進行。螺栓的化學成分由一臺EDS來測定，而防粘物質的成分則是通過傅里葉變換紅外光譜儀（簡稱FT-IR）（這名字真帶感！！）和EDS共同來進行測定的。對于FT-IR，使用了一臺來自Nicolet（廠家，尼高力，業內最強—譯者注）的Magna-IR 550（這型號好老了- -）。散料的硬度則是采用維式硬度測量法在10kg負載下測量的（Leco model V-100A）。任意選取的非失效已用螺栓被移除和檢測，使用的是按照麥克唐納·道格拉斯規范進行的熒光滲透劑測試。新螺栓是在室溫進行靜態拉伸破壞載荷的測試，按NASM使用MTS（美特斯，廠家）一個標準的50噸伺服液壓助力加載框架。

一個基于應變計的螺栓力傳感器，被特別設計用于控制和監測在螺栓扭緊到螺母時產生的實際軸向載荷。該裝置的操作和構造的原則在附錄中有詳細介紹。該型直升機的保養手冊要求以下的表面準備工作（即清理），摩力克潤滑噴霧（防粘物質）在螺栓的螺紋上形成薄膜并且使其干燥。稍后，螺栓應被固定住，而螺母扭轉至扭矩達到17.28kg·m(125lb·ft)，需使用扭力扳手和相應適配器。

補充內容 (2013-10-8 17:32):
余下部分在22樓。已完結

作者: 奇_點 時間: 2013-9-30 14:10
額，圖去哪里了。

作者: 2266998 時間: 2013-9-30 14:38
不錯，你用心看了，螺栓其實學問很大的，尤其是高預緊力的螺栓，說道特別多，比如高鐵的螺栓，某些強烈振動場合的螺栓，其失效也是特別復雜的問題，

其實，我們學習這些東西，不是抽象學習這個文章，也不是學習英文，是學習其研究問題的方法與內涵，研究的精神，

其實質是，螺栓要預緊，假如不是直接檢測軸向力，就只能是間接檢測擰緊力矩，而手上的擰緊力矩是一個合力，包括接觸面的摩擦力矩，包括真正用于擰緊的力矩，而這個力矩與實際螺紋接觸面的摩擦系數還有很大關系，摩擦系數小的時候，就會‘擰過了’，鬼子是反復探討各種原因，最終發現了‘擰過了力矩’的真正原因，并且有建議的監測方式，

其實這類文章網上很多，我這里是人家送過來的‘文集’，有大蝦發現網上可以找到，對于這類技術普及的文章要多讀，多讀了，就熟悉怎么出來技術問題，

當然，螺栓的問題還很多，這只是冰山一角，多學習，有好處，

我替人家公司處理過一些螺栓斷裂的技術問題，比如在第幾扣斷的？這些都有學問，但也是復雜技術問題，每個都可以寫這么一個論文，都不是一句話說明白的，我這里有不少案例，有些挺復雜的，

大家都多讀書吧，

作者: hongxing516 時間: 2013-9-30 14:47
又開眼見了
我玩的東西都是很低端的
大俠們都是專家級的人物

作者: 孫建si 時間: 2013-9-30 15:10
肯定這種精神，做學問就要這樣。

作者: 希傲 時間: 2013-9-30 15:26
呵呵，想起以前剛剛接觸變頻器的時候，手冊都是英文的，部分單詞不認識，只能自己慢慢查找字典給標注起來看，還有些專業名詞似懂非懂地去猜。

作者: 大色貓 時間: 2013-9-30 15:44
提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: donggaord 時間: 2013-9-30 15:58
翻譯還沒完成嗎？
請問 9 9 8 大俠的原始螺栓資料哪里可以看到？

作者: 小時候$ 時間: 2013-9-30 17:09
樓主辛苦了，代表大家感謝下

作者: ame0624 時間: 2013-9-30 17:21
收入囊中

作者: 國運昌久 時間: 2013-9-30 22:14
開了眼界，用心讀書

作者: 猛龍C 時間: 2013-9-30 22:40
LZ干得好

作者: 工具人 時間: 2013-10-1 00:47
樓主太牛了，竟然把文章仔細翻譯出來。頂你！
這篇文章俺也看了，可要是翻譯出來就得費勁了。
看來翻譯這碗飯俺也吃不成了。。。

作者: northcliff 時間: 2013-10-2 12:17
機械真是博大精深，好多東西要學。一個平時很不起眼的小東西，其中也蘊含了好多東西。以后設計中的螺栓要好好思量了。

作者: 風追云 時間: 2013-10-2 12:43
樓主有心人，好心人。

作者: .強.~ 時間: 2013-10-2 13:48
那篇英文質料我也下了，表示看不懂

作者: chocoohblue 時間: 2013-10-2 14:29
搬凳子過來學習！

作者: 拖延癥患者 時間: 2013-10-4 11:28
晚生膜拜

作者: gctdxy 時間: 2013-10-4 20:54
好復雜啊

作者: 夕陽書生 時間: 2013-10-4 22:49
樓主說的不錯，翻譯可是比單純讀一遍更用心

作者: 追求真理的理 時間: 2013-10-6 16:42

.強.~ 發表于 2013-10-2 13:48
/ _4 g) u% u# j5 z- I那篇英文質料我也下了，表示看不懂

帥哥，有時間可否給郵箱發一份呢，謝謝了哈

393196950@qq.com

作者: 奇_點 時間: 2013-10-8 16:58
國慶回家活動眾多，沒來得及把余下的譯完，拖了好久，實在慚愧。做事都應該有始有終的。現在補齊如下。

3. 結果和討論

工作的第一階段包括收集背景數據。結果發現當生產商沒有指定任何有關螺栓螺母的重復使用說明時，保養手冊只要求更換螺母，而重復使用螺栓。第二個問題是，盡管直升機的保養手冊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。為了補償這種差異，扭矩會在指定值上增大10%（即從125增加到137.5）。第三點，當保養手冊要求只在螺紋部分噴灑防粘物質時，現場的人總是噴涂整個螺栓。盡管存在這些失誤，以色列空軍沒有報告過類似的失效。

失效螺栓的尺寸測量結果沒有顯示任何有意義的與圖紙所要求的偏差。所以的螺栓都按規定是0.562-18UNJF-3A型號的。任意選取的非失效已用螺栓在熒光滲透劑測試后未發現任何裂縫。

失效螺栓的化學構成與鉻鎳鐵合金718相近。這些螺栓表面鍍鎘，且硬度達到49-51洛氏硬度（從維式硬度值換算過來）。這些發現與相關規范一致，規范中要求使用擁有AMS 5662化學構成的718合金，抗拉強度熱處理至至少220千磅/平方英寸（ksi:英制應力單位，即千磅/平方英寸，1ksi=6.895MPa---譯者注），鍍鎘達到AMS-QQ-P-416,type2,class2（SAE的鍍鎘標準，二型表示增加了鉻酸鹽處理，二級表示鍍層厚度不少于0.0003英寸---譯者注）標準。相對應的螺母的化學構成與718合金相似，它們的硬度是46-48HRC。這些測試結果達到了使用AMS 5662或AMS 5663標準的718合金時在HS 5489（麥道關于螺母的規范，雙六角，自鎖，220ksi，718合金）中規定的技術要求，熱處理至硬度44-50HRC。防粘物質的化學構成也通過FT-IR解析一種新的潤滑劑而發現，確認符合要求的潤滑劑是摩力克的3402-C。這是一種抗摩擦的固態潤滑劑、腐蝕抑制劑和有機粘合劑的分離物，其摩擦系數接近0.03，且能在-198直至300℃的溫度范圍內良好使用。

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

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防粘物質沿著整個螺栓均有殘留，而不僅是在螺紋區。螺母的視覺檢查則沒有任何特別的發現。斷面的宏觀檢測顯示了一種亞光灰色顆粒狀圖案且螺栓外圍出現了流線（如圖3）。斷面的微觀檢測顯示了（如圖4）。金相樣本，其所取為斷面的切片，在光學顯微鏡下并沒有呈現什么特別的結果，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拉伸破壞測試是在標準的MTS（如前，是一臺50噸伺服液壓助力加載裝置）設備中完成的。加載的拉伸力達到了50645磅（22972kgf），比操作規范規定的最小值47900磅（21727kgf）要大。表面處理對螺栓扭入螺母中時螺栓內實際產生的軸向力的影響是由一個特別設計的力傳感器和校準過的扭力扳手來測算的。這些實驗結果匯集成表1。由表1我們可以了解到MEK清理抑或摩力克潤滑劑在螺栓上的使用方法對實際的軸向力的影響。直升機維護手冊上要求使用潤滑劑前必須先清理螺栓表面。然而我們想測算假如不按規范來會發生什么。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，與丙酮氣味相似。它通常用作油、涂層或粘合劑的溶劑。從表1顯而易見的看到由于丁酮的使用導致螺栓在扭緊的過程中產生的實際軸向力大約增加了20%（比較螺栓14號與11、12、13號）。因此，假使沒有按要求那樣去清理螺栓也不能預見到會對它的機械性能造成損害。從表1中還能看出11、12、13號這三個沒有用丁酮清理，但沿螺栓整個涂覆了潤滑劑的螺栓在扭緊時表現相近。這些發現有力支持了使用特殊設計螺栓傳感器裝置的測量精密性。附錄也證明了這個裝置的精確。通過比較14號和17號螺栓的測試結果，能夠確定潤滑劑對實際軸向力的影響，也可以比較19號和11號，或12號和13號（注意19號螺栓的扭緊力矩要稍稍小點）。現在很清楚了，只在螺紋部分有潤滑劑會導致螺栓產生的軸向力最低，而另一方面，在整個螺栓涂上防粘物質的螺栓要比那些沒有這么處理的產生的軸向力都要大。因此，我們可據此推測含有防粘物質的潤滑劑的使用方式對螺栓中產生的實際軸向力的大小有顯著影響。如前所述，雖然潤滑劑可以降低扭矩因數K，但在扭矩一定的情況下會產生較高的軸向力（見式1）。為了估算螺栓中產生的應力的大小，實際軸向力的大小統一取自具有代表性的螺栓桿部。計算后，17、11-13和14號螺栓的應力大小分別是98、145和174ksi。應力174ksi的螺栓使用丁酮清理并完全涂覆了潤滑劑，高于屈服極限（170ksi），但是比螺栓材料的斷裂應力（220ksi）要小。讀者應該注意到，假如使用螺紋部分的有效面積來計算，得到的應力值應該還要高。實際上，從表1中的注解a,c可以明顯看到，14號螺栓的實際應力值已經非常接近斷裂極限。

綜上，直升機主旋翼驅動盤總成上的螺栓會在過載中失效。失效的原因是在整個螺栓上錯誤的使用了防粘物質，結果導致螺栓中的軸向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。根據這次調查，維護小組繼而只在螺栓螺紋部分使用防粘物質，而不使用丁酮進行預清理。至于螺栓的重復使用（見表1注解b），雖沒有被限制，但是這個問題還是向制造廠商反映闡明了。

4. 結論

根據以上結果，得出以下結論：

1. 直升機主旋翼驅動盤總成上的螺栓會在過載中失效。失效的原因是在整個螺栓上錯誤的使用了防粘物質，結果導致螺栓中的軸向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。

2. 防粘物質只應在螺紋部分使用，而為了防止過載失效，用丁酮進行預清理是不必要的。

3. 在本次工作中設計和使用的螺栓力感應器，提供了精密準確的軸向力大小測量數據。因此，它可能會成為在類似的螺栓-螺母連接失效分析方面的有力工具。

附錄

本附錄描述了螺栓力傳感器裝置的設計，構造和確認情況。在該裝置中，緊固時的拉伸載荷導致傳感器中產生壓縮載荷。傳感器上加載的力通過綁在裝置外的應變計上電阻的變化被轉換為電信號。應變計被接入一個四臂（惠斯通電橋）電路中。這種結構能最大的減少溫度變化或外來干擾的影響。相關的應力計信號轉換技術在它處有描述。

該裝置的結構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) 緊固時裝置受壓縮力要處在彈性形變范圍內；

3) 應變計要有良好的固定表面。

該結構由17-4PH的馬氏體不銹鋼構成，在496℃沉淀硬化（H925熱態）。應變計（威世的N2A-13-T035R-35B）被固定在裝置的相對兩面。這些是開放式的康銅合金金屬片應變計，背后是很薄的層壓的聚酰亞胺薄膜。它們的特點是有可重復的低蠕變性能，且主要建議在精密傳感器例如應變分析這類大數量級的應用中。

應變計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，電路用具有良好導電性和耐腐蝕性的焊料（威世 361A-20R-25）焊接。

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

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif

在測試螺栓之前，傳感器需要校準來保證準確而可靠的應力值轉換和讀數。一臺15噸的英斯特朗螺桿機械試驗機來加載壓縮力測試該傳感器。為了仿真螺栓緊固時裝置上的收縮，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行校準。應力值由P-3500來獲取。如圖2所示典型的校準曲線圖，從中我們能清楚看到加載的壓縮力和所得應力值的線性相關性。良好的結果重現性也是顯而易見的。

作者: 馮霜杰 時間: 2013-10-9 15:55
非常好，收藏學習。

作者: xx378394859 時間: 2013-10-10 15:24
好心人！

作者: sivlerduck 時間: 2013-12-20 12:47
謝謝樓主，辛苦了。正在學習中

作者: wzdybyqhtt 時間: 2013-12-24 21:42
好深奧。。

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