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润滑剂的错误使用造成直升飞机主旋翼驱动板装配螺栓失效6 {1 L' s/ ^/ A& m+ B. H" q
摘要：& G: Z7 m* R x0 E1 S4 j A/ K) m
直升飞机主旋翼驱动板被定义为飞行安全部件。不按照保养说明可能导致严重伤害或全体机组人员死亡和/或对飞机造成严重损坏。本文主要分析，通过扭力扳手安装5个抗剪螺栓的失效过程。通过可视检查、端口金相显微观察分析、化学分析、静态拉伸强度和硬度测试，对照航空军标要求，没有发现不满足要求的地方。一个专门设计的，基于应变测量技术的螺栓力传感器，用来监测螺栓拧入螺母的整个过程中的螺栓轴向力情况。通过比较，使用抗粘合润滑剂的螺栓，由于不正确使用抗粘合润滑剂，导致过载，导致螺栓失效。
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, T' V' O* {9 `关键词：螺栓失效；预紧力；拧紧力矩；飞机；螺纹润滑, R( `$ N" j0 F
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1. 简介：
/ e5 x: A( g0 r- v- _- M& b直升飞机主旋翼驱动板被定义为飞行安全部件。不按照保养说明可能导致严重伤害或全体机组人员死亡和/或对飞机造成严重损坏。通过12个抗剪螺栓螺母连接，主旋翼驱动板被固定到主旋翼头上。主旋翼驱动板维修手册包含拆卸、清洗、检测及安装。9 U7 B6 `' a# F" _
维修规范要求，螺栓需通过事先规定好的拧紧方式，以达到规定力值的预紧力。高的预紧力经常被希望提供良好的机械稳定性和耐疲劳的螺栓连接。通过下面的公式，可以估算指定预紧力所需的拧紧力矩（公式略）% G' E$ i; \5 W
公式解释：8 C0 i9 V K+ F2 N
dm：中径
" H' x# D7 h2 b# fd：螺纹大径3 _( D$ c7 _5 O: p+ {# m
λ：螺纹升角
8 ?( h, L$ H, tμ：摩擦系数
1 Z Z) F2 Q% c$ [2α：牙形角
, I$ G# c! s( R2 M5 Eμc：转动环摩擦系数？
0 o# z( P/ u* ~Fi：预紧力
1 ~$ I2 E. @; o摩擦系数取决于各种参数，例如俯仰角、螺纹类型、表面平滑度和润滑度。就平均而言，μ和μc一般为0.15.公式中方括号部分简称为扭矩系数K，其典型值（非电镀螺栓0.3，润滑螺栓0.18，镀镉螺栓0.16）。对于给定力矩的扳手，可以估计螺栓的预紧力。很明显，从公式可以看出，同等扭矩情况下，K值越小，比如加润滑油，预紧力越大。例如，在研究的比较典型几何参数的螺栓（dm=1.374cm，d=1.426cm，λ=0.008°，α=30°），扭矩为19.01kgm，当K=0.12，Fi=10986kg，K=0.09，Fi=14797kg，K=0.08，Fi=16397。值得注意的是，螺栓必须仔细选择，保证螺钉拧紧,实现指定百分比的最大负载能力。根据适当负载的重要性，预紧力的精确性由拧紧力矩决定。（前边几句意思不太明白）因此，设计并使用螺栓受力传感器，检测螺栓拧入螺母整个过程中的受力情况。传感器的设计和使用，下一章节介绍。9 y9 J1 v. @, T; o, Y0 W! I
本文中，分析主旋翼驱动板上失效的5个抗剪螺栓，在小于规定拧紧力矩下，螺栓拧断。下一章节描述试验过程。* z. {+ q% B" |, h
! \+ ~, r" u, S2 w' p/ @ Z- J2. 试验过程：
( a/ i. \& z$ c3 j! S" ^ v: H B试验过程包含失效螺栓的广泛特性，任意选择已使用、未损坏的螺钉做非破坏性试验，新螺栓静力试验测试， 新螺栓你进入过程中受力。试验过程中确认螺栓的材料特性及断裂特性。通过裸眼和3D显微镜进行目测（一般选择M8）。断口检测使用配备牛津色散普仪（EDS）的Jeol JSM-840A电子扫描显微镜。金相检查使用赖克特荣MEF3光学显微镜（OM）。螺栓的化学成分，通过EDS分析确定，防粘材料通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）与EDS组合。红外光谱仪使用Magna-IR 550 machine from Nicolet。原料硬度通过维氏硬度方法测试，施加10kg负载（ Leco model V-100A）。任意选择非失败螺栓卸载并检查，根据与麦道公司规范，使用荧光渗透测试。根据NASM1312-8，新螺栓静态拉伸断裂试验，在室温下进行，使用一个标准的50吨液压伺服MTS荷载框架。（本段主要描述试验项，试验设备，翻译有点乱）
1 S7 {* P! q- o0 v) i基于应变测试技术的螺栓力传感器，专门设计用于控制和监测螺栓轴向力，当螺栓拧入螺母时。设备的操作原则和结构，附录文件中有详细描述。直升机的维修手册规定，规定以下表面准备（例如清洗），适用于螺栓螺纹的薄薄一层二硫化钼润滑喷剂（防粘材料），并干 燥。然后，螺栓固定，母施加扭矩17.28kgm（125ftlb），使用扭矩扳手适配器和一个扭矩扳手。
S) F$ o6 M$ Y3. 结果及讨论：& `3 d8 t* D: E9 z { a0 N
这项工作的第一阶段包括收集背景数据。结果发现，厂商没有指定的螺栓和螺母的重复使用任何政策，维护协议涉及只更换螺母、螺栓复用。其次，虽然直升机的维修手册要求螺栓固定，拧螺母，但是现场施工时，因为方便，固定螺母，拧螺栓的现象随处可见。为了消除两种方式对螺栓的影响，扭矩需要比规定值高出10％（即137.5英尺磅，而不是125英尺磅）。第三，直升机维修手册要求螺栓的螺纹部分涂防粘润滑剂，现场工作人员经常喷涂整个螺栓。尽管存在这些差异，在过去的以色列空军并没有类似的故障报道。$ H! H# c" H+ f7 A2 z8 X
按照图纸要求，测量失效螺栓尺寸，没有发现任何重大偏差。所有螺纹都是type 0.562-18 UNJF-3A，与要求一致。选择任意没有失效的螺栓做非破坏性的荧光测试，没有任何裂缝存在。
5 F- ]1 f$ K% v9 l# I8 g% _失效螺栓化学成分与Inconel 718相似。螺栓表面镀镉，硬度在49-51HRC之间。以上通过相关规范可以查到[2],Inconel 718/AMS 5662(标准），拉伸强度最小220 ksi。镀镉层符合-P-416 Type 2 Class2。螺母化学成分与Inconel 718相似。硬度46-48HRC。依据HS 5489，关于Inconel 718 ，AMS 5662或者AMS 5663，热处理后硬度达到44-50HRC。防粘合材料的化学成分依据Molykote 3402-C。这里有一种固态抗摩擦材料、腐蚀抑制剂、有机粘合剂，摩擦系数接近0.03，适宜在-198℃--300℃之间工作。（标准太多，翻译的乱，主要说螺栓、镀层、润滑剂依据标准）8 G) F! `7 Z. o- E. L9 [! x
可视化检测，宏观及微观断口检测在实验室执行。检测表明所有横向断裂螺栓都发生在螺纹区域。防粘材料的残留物被发现沿整个长度的螺栓，不只在螺纹区。螺母没有发现任何特殊的异常。目视螺栓断裂面，发现从螺栓外围向内的深灰色颗粒。显微观察断裂面等轴晶粒裂缝凹陷，由韧性过载所致。垂直于断裂面金相截面，在光学显微镜下金相检查，没有发现任何特殊发现，如不寻常的或严重的冶金缺陷。' D) g. d2 b$ S" o& K$ p c
在一个标准的MTS机进行静态拉伸断裂试验的相同类型的新螺栓，得到拉伸强度的平均值为50645磅（22972公斤力），高于制造商的规格要求的最低值47,900磅（21,727公斤力）。螺栓螺母拧紧过程中，表面处理效果对螺栓轴向力的影响，通过轴向力传感器和校准扳手评估。这些实验可以通过表1看到摘要。通过表格可以看出，甲基 - 乙基酮清洗处理或者添加二硫化钼润滑剂对螺栓轴向力的不同影响。直升机操作手册要求，添加润滑剂前需要表面清洗。然而，我们希望评估，如果这一要求得不到满足，可能会发生什么。因此，几个螺栓清洗甲基 - 乙基酮（MEK）和并用干净的抹布擦净，其他螺栓不清洗。甲基 - 乙基酮是一种无色液体，有类似丙酮气味。在其他应用中，它是用来作为溶剂油，涂料和胶粘剂。从表1中可以轻易看出，MEK清洗过的螺栓，在拧入螺母时，轴向力增加了约20％（通过螺栓14和螺栓11、12、13的对比）。& W6 A3 |! G, o7 G. z1 L0 Q
因此，如果不按要求进行清洗，对螺栓机械性能不产生有害影响。从表1中可以明显看出，不清洗，螺栓全涂润滑剂的11、12、13号螺栓轴向力基本相同。这一发现确保轴向力传感器的精确。附录证明传感器也是准确的。润滑对轴向力的影响可以通过螺栓14和17对比看出，同样可以通过螺栓19和11、12、13对比看出（注意19的扭矩比其他略小）。很显然，螺纹的润滑导致螺栓出现最低的轴向力。在整个螺栓涂润滑剂比不涂润滑剂，轴向力更大。% S/ P2 J X" u
因此，可以得出结论，防粘合润滑剂施加的方式，对螺栓的轴向力的大小有显着的影响。诚如上文所述，润滑会减小扭矩系数，并且在给定扭矩情况下，增加轴向力。
0 D0 J/ T3 c+ U: F( B4 H+ C( J$ y为了估计开发中的螺栓的应力的大小，实际的轴向力的值按螺栓非螺纹区域的横截面面积计算。按此计算，螺栓17，11、12、13和14应力值分别为98，145和174ksi。174ksi是清洗并涂润滑剂的螺栓，高于材料的屈服点（170ksi），但是低于材料断裂应力。每个人都应该注意的是，如果用螺纹区域计算面积，实际应力值会更高。的确，通过表1的注释a和c，可以看出当螺栓14按137.5ftlb拧紧时，其轴向应力非常接近材料断裂应力。; Y7 r% g5 K9 N4 f: L6 g
总之，直升机的主旋翼驱动板组件的装配螺栓是由过载导致失效。失效的原因是螺栓整个长度上的防粘材料应用不当，这导致高出约1.7正常的轴向应力（1.7是什么？）。通过本次调查，要求维修小组只在有螺纹部分涂润滑剂，并且没有表面清洗的必要性。虽然没有限制复用螺栓（见表1中附注b），建议制造商澄清这一问题。（没明白是否可以复用？）
# z3 `4 i" a- g4.结论
2 u6 P* q. |* e7 [* F基于以上事实，结论如下： z9 E2 }, b4 D$ N+ k
1. 直升机主旋翼驱动板装配螺栓由于机械超载失效。原因是防粘合润滑剂使用不当（涂整个长度的螺栓），导致轴向力约高出额定值1.7。: X- R z2 S8 J' j* T
2. 防粘合润滑剂只需要涂在有螺纹部分，表面清洗的预处理对失效没有影响。
0 T" l3 d2 m E0 w4 H5 `6 L3. 螺栓力传感器，它被设计用于在这项工作中，当螺栓拧入螺母时，提供准确和精确的轴向力测量值，它是插入螺帽扭矩扳测量。
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发表于 2013-10-8 16:16:38
