998大侠螺栓资料的试译

奇_点

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4 Y1 o  E8 ~+ N( h0 j( ]' u998大侠发了份很不错的英文资料，是关于螺栓的。正好马上要放假了，事儿不多，就班门弄斧的翻译了一下。不曾想真要一字一句斟酌着翻译出来，挺费工夫的，所以还只翻译了一小部分。希望能借此抛砖引玉，引发大家的学习兴趣。不才翻译水平极为有限，错漏难免，希望大家批评指正。
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润滑剂不当使用导致的直升机主旋翼驱动盘组件的螺栓失效

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

a/固体力学、材料和系统系，特拉维夫大学，特拉维夫69978，以色列

b/材料科学与工程系，麻省理工学院，剑桥，MA02139-4307，美国

c/22号实验室，材料部，以色列空军，PO（= =！地名，never mind）Box 02548,以色列

2002.12.11接收；2003.1.15采纳

摘要

         直升机的主旋翼驱动盘被明确视为飞行安全的重要部分。未按照指导进行保养可能导致造成机组人员伤亡或直升机严重损坏的重大事故。这篇论文，分析了逐渐加载安装扭矩的过程中组件中剪力栓失效的五个方面。目视检查，断口和金相组织检查，化学分析以及机械测试（静态拉伸和硬度测试）按军方航空标准进行未表明任何偏差。一个特制的基于应变计的螺栓力传感器被用来监管螺栓在扭入螺母过程中逐步增加的实际载荷，通过比较含有防粘物质的不同润滑的方式的螺栓的行为，可总结出螺栓失效是因为防粘物质的不当使用，它是过载的罪魁祸首。

关键词：螺栓失效，预载荷，安装扭矩，飞机，螺纹润滑

1.         说明

直升机的主旋翼驱动盘被明确视为飞行安全的重要部分。未按照指导进行保养可能导致造成机组人员伤亡或直升机严重损坏的重大事故。（??hit me baby one more time?）该主旋翼驱动盘是通过12对螺栓-螺母的连接方式固定在主旋翼头的（见图1）。这方面的保养手册包含了它的卸除，清理，检查和安装。

保养规范要求螺栓的紧固需要通过预定义的上扣扭矩的应用，以便在螺栓内产生指定的预载荷。高预载荷经常是强烈需要的，以便在螺栓连接中保证理想的机械稳定性和耐疲劳性。我们可以通过下式[1]来计算产生指定预载荷所需要的扭矩大小：

          [1]

其中dm螺纹平均直径（公称直径，中径---译者注），d是大径（即螺纹最大的直径），λ是导程角，μ是摩擦系数，2α是螺纹角，μc是颈圈摩擦系数（这里不确定），Fi是预载荷。以上的摩擦系数是参照各项不同的参数来确定的，比如pitch angle（俯仰角？螺距角？），螺纹类型，表面粗糙度和润滑等级等。平均算来，μ和μc都约等于0.15。方括号内的算式的一般值（简化记为扭矩因数，K），对于非电镀的螺栓是0.3，对于润滑过的螺栓是0.18，对于镀镉（镀镉？why?不是铬，铬是chromium）的螺栓是0.16。对于一个给定的拧紧扭矩，我们可以通过（1）式来计算螺栓内部的力。从该式很明显能推出K值越小（比如，因为润滑的作用），对于给定的扭矩，螺栓内部产生的力越大。例如，取典型的螺栓几何参数来研究（dm=1.374cm, d=1.426cm,λ=0.008°α=30°），以及一个比较实用的扭紧扭矩19.01kg·m。我们可以算得当μ=μc=0.15（K=0.12）时Fi=10986kg，当μ=0.15，μc=0.10（K=0.09）时Fi=14797kg，当μ=μc=0.10（K=0.08）时Fi=16397kg。反复仔细的选择螺栓是值得的，以此来保证当螺栓紧固后，能达到指定的最大负载能力的一个百分比值。稍稍少点就达不到，稍稍多点就破坏了。鉴于精确加载负荷的重要意义，应注意通过使用扭力扳手来精确控制载荷大小，控制加载精度。于是决定设计使用一种螺栓力传感器来监测螺栓装入螺母时的实际受载。这种传感器的设计和使用将在后面章节详细阐述。

         在本论文中，分析了逐渐加载安装扭矩的过程中组件中五个剪力栓的失效。（hit me baby one more time,again??）。在扭紧加载过程中，这些螺栓在低于指定值（19.01kg·m或137.5磅·英尺）（此处应为lb·ft）的情况下断裂了。以下章节介绍了实验过程。

2.         实验过程

该实验过程由失效螺栓的综合特征，任意选取的非失效已用螺栓的非破坏性测试，新螺栓的静态拉伸测试和新螺栓在扭紧过程中所产生力的测量。该失效螺栓的材料特性和断裂特征在实验室测定。视觉检测通过裸眼和立体显微镜（Wild model M8是设备型号）完成。断口检查使用一台带有牛津能量散射光谱仪（简称EDS）的Jeo1 JSM-840A电子扫描显微镜（简称SEM）来进行。金相组织检查则使用一台Rechert-Jung MeF3光学显微镜（简称OM）来进行。螺栓的化学成分由一台EDS来测定，而防粘物质的成分则是通过傅里叶变换红外光谱仪（简称FT-IR）（这名字真带感！！）和EDS共同来进行测定的。对于FT-IR，使用了一台来自Nicolet（厂家，尼高力，业内最强—译者注）的Magna-IR 550（这型号好老了- -）。散料的硬度则是采用维式硬度测量法在10kg负载下测量的（Leco model V-100A）。任意选取的非失效已用螺栓被移除和检测，使用的是按照麦克唐纳·道格拉斯规范进行的荧光渗透剂测试。新螺栓是在室温进行静态拉伸破坏载荷的测试，按NASM使用MTS（美特斯，厂家）一个标准的50吨伺服液压助力加载框架。

一个基于应变计的螺栓力传感器，被特别设计用于控制和监测在螺栓扭紧到螺母时产生的实际轴向载荷。该装置的操作和构造的原则在附录中有详细介绍。该型直升机的保养手册要求以下的表面准备工作（即清理），摩力克润滑喷雾（防粘物质）在螺栓的螺纹上形成薄膜并且使其干燥。稍后，螺栓应被固定住，而螺母扭转至扭矩达到17.28kg·m(125lb·ft)，需使用扭力扳手和相应适配器。

补充内容 (2013-10-8 17:32):
. R8 N7 w+ y3 b9 s* H余下部分在22楼。已完结

wzdybyqhtt

好深奥。。

sivlerduck

谢谢楼主，辛苦了。正在学习中

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好心人！           

冯霜杰

非常好，收藏学习。

奇_点

国庆回家活动众多，没来得及把余下的译完，拖了好久，实在惭愧。做事都应该有始有终的。现在补齐如下。

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3.        结果和讨论

工作的第一阶段包括收集背景数据。结果发现当生产商没有指定任何有关螺栓螺母的重复使用说明时，保养手册只要求更换螺母，而重复使用螺栓。第二个问题是，尽管直升机的保养手册要求固定螺栓而拧螺母，但往往为了图方便是固定螺母而拧螺栓。为了补偿这种差异，扭矩会在指定值上增大10%（即从125增加到137.5）。第三点，当保养手册要求只在螺纹部分喷洒防粘物质时，现场的人总是喷涂整个螺栓。尽管存在这些失误，以色列空军没有报告过类似的失效。

失效螺栓的尺寸测量结果没有显示任何有意义的与图纸所要求的偏差。所以的螺栓都按规定是0.562-18UNJF-3A型号的。任意选取的非失效已用螺栓在荧光渗透剂测试后未发现任何裂缝。

失效螺栓的化学构成与铬镍铁合金718相近。这些螺栓表面镀镉，且硬度达到49-51洛氏硬度（从维式硬度值换算过来）。这些发现与相关规范一致，规范中要求使用拥有AMS 5662化学构成的718合金，抗拉强度热处理至至少220千磅/平方英寸（ksi:英制应力单位，即千磅/平方英寸，1ksi=6.895MPa---译者注），镀镉达到AMS-QQ-P-416,type2,class2（SAE的镀镉标准，二型表示增加了铬酸盐处理，二级表示镀层厚度不少于0.0003英寸---译者注）标准。相对应的螺母的化学构成与718合金相似，它们的硬度是46-48HRC。这些测试结果达到了使用AMS 5662或AMS 5663标准的718合金时在HS 5489（麦道关于螺母的规范，双六角，自锁，220ksi，718合金）中规定的技术要求，热处理至硬度44-50HRC。防粘物质的化学构成也通过FT-IR解析一种新的润滑剂而发现，确认符合要求的润滑剂是摩力克的3402-C。这是一种抗摩擦的固态润滑剂、腐蚀抑制剂和有机粘合剂的分离物，其摩擦系数接近0.03，且能在-198直至300℃的温度范围内良好使用。

断面的视觉检查，宏观和微观的检测在实验室中完成。视觉检查显示所有的螺栓都是横向断裂的，且在螺纹区（如图2）。

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防粘物质沿着整个螺栓均有残留，而不仅是在螺纹区。螺母的视觉检查则没有任何特别的发现。断面的宏观检测显示了一种亚光灰色颗粒状图案且螺栓外围出现了流线（如图3）。断面的微观检测显示了（如图4）。金相样本，其所取为断面的切片，在光学显微镜下并没有呈现什么特别的结果，比如不寻常的或总体上的冶金缺陷。

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同一型的新螺栓的静态拉伸破坏测试是在标准的MTS（如前，是一台50吨伺服液压助力加载装置）设备中完成的。加载的拉伸力达到了50645磅（22972kgf），比操作规范规定的最小值47900磅（21727kgf）要大。表面处理对螺栓扭入螺母中时螺栓内实际产生的轴向力的影响是由一个特别设计的力传感器和校准过的扭力扳手来测算的。这些实验结果汇集成表1。由表1我们可以了解到MEK清理抑或摩力克润滑剂在螺栓上的使用方法对实际的轴向力的影响。直升机维护手册上要求使用润滑剂前必须先清理螺栓表面。然而我们想测算假如不按规范来会发生什么。因此，一些螺栓使用甲基乙基酮（丁酮）清理，且在使用润滑油前用干净的布包裹，而剩下的螺栓不这样处理。丁酮是一种无色液体，与丙酮气味相似。它通常用作油、涂层或粘合剂的溶剂。从表1显而易见的看到由于丁酮的使用导致螺栓在扭紧的过程中产生的实际轴向力大约增加了20%（比较螺栓14号与11、12、13号）。因此，假使没有按要求那样去清理螺栓也不能预见到会对它的机械性能造成损害。从表1中还能看出11、12、13号这三个没有用丁酮清理，但沿螺栓整个涂覆了润滑剂的螺栓在扭紧时表现相近。这些发现有力支持了使用特殊设计螺栓传感器装置的测量精密性。附录也证明了这个装置的精确。通过比较14号和17号螺栓的测试结果，能够确定润滑剂对实际轴向力的影响，也可以比较19号和11号，或12号和13号（注意19号螺栓的扭紧力矩要稍稍小点）。现在很清楚了，只在螺纹部分有润滑剂会导致螺栓产生的轴向力最低，而另一方面，在整个螺栓涂上防粘物质的螺栓要比那些没有这么处理的产生的轴向力都要大。因此，我们可据此推测含有防粘物质的润滑剂的使用方式对螺栓中产生的实际轴向力的大小有显著影响。如前所述，虽然润滑剂可以降低扭矩因数K，但在扭矩一定的情况下会产生较高的轴向力（见式1）。为了估算螺栓中产生的应力的大小，实际轴向力的大小统一取自具有代表性的螺栓杆部。计算后，17、11-13和14号螺栓的应力大小分别是98、145和174ksi。应力174ksi的螺栓使用丁酮清理并完全涂覆了润滑剂，高于屈服极限（170ksi），但是比螺栓材料的断裂应力（220ksi）要小。读者应该注意到，假如使用螺纹部分的有效面积来计算，得到的应力值应该还要高。实际上，从表1中的注解a,c可以明显看到，14号螺栓的实际应力值已经非常接近断裂极限。

综上，直升机主旋翼驱动盘总成上的螺栓会在过载中失效。失效的原因是在整个螺栓上错误的使用了防粘物质，结果导致螺栓中的轴向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。根据这次调查，维护小组继而只在螺栓螺纹部分使用防粘物质，而不使用丁酮进行预清理。至于螺栓的重复使用（见表1注解b），虽没有被限制，但是这个问题还是向制造厂商反映阐明了。

4.        结论

根据以上结果，得出以下结论：

1.                直升机主旋翼驱动盘总成上的螺栓会在过载中失效。失效的原因是在整个螺栓上错误的使用了防粘物质，结果导致螺栓中的轴向拉伸力比正常值差不多高了1.7倍。

2.                防粘物质只应在螺纹部分使用，而为了防止过载失效，用丁酮进行预清理是不必要的。

3.                在本次工作中设计和使用的螺栓力感应器，提供了精密准确的轴向力大小测量数据。因此，它可能会成为在类似的螺栓-螺母连接失效分析方面的有力工具。

附录

         本附录描述了螺栓力传感器装置的设计，构造和确认情况。在该装置中，紧固时的拉伸载荷导致传感器中产生压缩载荷。传感器上加载的力通过绑在装置外的应变计上电阻的变化被转换为电信号。应变计被接入一个四臂（惠斯通电桥）电路中。这种结构能最大的减少温度变化或外来干扰的影响。相关的应力计信号转换技术在它处有描述。

         该装置的结构要满足一些要求比如：

1)        尺寸足够小要使螺栓螺母完全配合；

2)        紧固时装置受压缩力要处在弹性形变范围内；

3)        应变计要有良好的固定表面。

该结构由17-4PH的马氏体不锈钢构成，在496℃沉淀硬化（H925热态）。应变计（威世的N2A-13-T035R-35B）被固定在装置的相对两面。这些是开放式的康铜合金金属片应变计，背后是很薄的层压的聚酰亚胺薄膜。它们的特点是有可重复的低蠕变性能，且主要建议在精密传感器例如应变分析这类大数量级的应用中。

应变计的安装按以下说明完成。首先，装置表面要用水基的酸性表面清洁剂（M-Prep,威世）擦净。其次，使用通用的氰基丙烯酸盐粘合剂（一种快干胶），能在室温下快干（威世M-Bond 200）。再次，电路用具有良好导电性和耐腐蚀性的焊料（威世 361A-20R-25）焊接。

随后，一种风干的聚亚胺脂敷料（威世M-Coat）被用在配线和焊料连接处用以保护它们免受潮湿、化学或物理上的不良影响。最后，把应变计连到威世P-3500手持式（威世肯定给这篇论文出钱了的！！）应变指示仪上。该仪器在应变分析测试或使用基于应变计的传感器时有独到之处。螺栓力传感器装置如图A1。

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在测试螺栓之前，传感器需要校准来保证准确而可靠的应力值转换和读数。一台15吨的英斯特朗螺杆机械试验机来加载压缩力测试该传感器。为了仿真螺栓紧固时装置上的收缩，螺栓上部固定在装置上部表面，螺母固定在装置下底部来进行校准。应力值由P-3500来获取。如图2所示典型的校准曲线图，从中我们能清楚看到加载的压缩力和所得应力值的线性相关性。良好的结果重现性也是显而易见的。

追求真理的理

.强.~ 发表于 2013-10-2 13:48
, O( }6 f! ?$ H8 \4 u- N; q- [那篇英文质料我也下了，表示看不懂

帅哥，有时间可否给邮箱发一份呢，谢谢了哈393196950@qq.com

夕阳书生

楼主说的不错，翻译可是比单纯读一遍更用心

gctdxy

好复杂啊

拖延症患者

晚生膜拜

chocoohblue

搬凳子过来学习！