引言：螺栓連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、緊密性、防松能力以及螺栓強(qiáng)度和剛性都與螺栓預(yù)緊力有直接關(guān)系。預(yù)緊力的大小決定著螺栓連接結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)屬性。

航空結(jié)構(gòu)中的螺栓預(yù)緊力

1.1 航空結(jié)構(gòu)中預(yù)緊力的作用

　　適當(dāng)控制預(yù)緊力的大小是提高航空結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量的重要措施，螺栓預(yù)緊力在航空結(jié)構(gòu)中主要有以下作用：

　　第一，在飛機(jī)中經(jīng)常有一些需要密封的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可以使這些結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的密封效果;

　　第二，適當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊力可以有效避免因機(jī)體震蕩導(dǎo)致的螺栓結(jié)構(gòu)松動(dòng)、偏移甚至分離的情況;

　　第三，連接結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)隨著預(yù)緊力的增大而增大，當(dāng)同一結(jié)構(gòu)中螺栓連接的數(shù)量越多，該結(jié)構(gòu)的剛性就越強(qiáng)，進(jìn)而提升該結(jié)構(gòu)的承載能力;

　　第四，螺栓連接不會(huì)像焊接一樣，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因此，螺栓連接處的抗疲勞能力和承載能力會(huì)有效提高。

1.2 預(yù)緊力過(guò)大產(chǎn)生的不良后果

　　理論上，飛機(jī)連接結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的屈服強(qiáng)度，在螺栓連接沒(méi)達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)時(shí)，預(yù)緊力越大，連接結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。

　　但實(shí)際情況卻并非如此，如果預(yù)緊力過(guò)大，首先會(huì)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)拆裝不方便；其次，一些密封結(jié)構(gòu)在螺栓與被連接件之間都會(huì)放置一個(gè)密封圈，預(yù)緊力過(guò)大會(huì)對(duì)密封圈造成破壞，影響密封效果；最后，預(yù)緊力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致螺栓的螺紋變形，后期可能會(huì)因螺紋變形導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)脫落。

　　在實(shí)際的螺栓連接過(guò)程中，很多時(shí)候都是憑借施工人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定預(yù)緊力的大小，因此會(huì)造成很大的預(yù)緊力誤差，影響連接效果。所以，進(jìn)行螺栓連接時(shí)，要經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算，確定預(yù)緊力大小，而后通過(guò)專業(yè)工具進(jìn)行預(yù)緊力調(diào)節(jié)，進(jìn)而使航空結(jié)構(gòu)更加牢固。

螺栓預(yù)緊力的確定

2.1 擰緊力矩計(jì)算公式

　　國(guó)際上知名飛機(jī)制造商波音公司對(duì)航空結(jié)構(gòu)中的預(yù)緊力進(jìn)行研究之后，得出以下結(jié)論：對(duì)于一般航空結(jié)構(gòu)中用到的螺栓來(lái)說(shuō)，預(yù)緊力的大小應(yīng)該是其屈服載荷的一半左右，最多不能超過(guò)70%，但由于航空結(jié)構(gòu)會(huì)受到飛機(jī)動(dòng)載荷的影響，所以螺栓預(yù)緊力應(yīng)該適當(dāng)調(diào)低，選擇在其屈服載荷的35%左右最為合適。航空結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力的計(jì)算公式如下：

　　其中：F 是螺栓預(yù)緊力;K1 表示為預(yù)緊力系數(shù)，一般情況下該系數(shù)在0.35 到0.7 之間選擇;As 為螺栓的應(yīng)力截面積;σs 為螺栓材料的屈服點(diǎn)。

　　該公式只能在理論上對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際工作中不可能準(zhǔn)確的測(cè)得螺栓預(yù)緊力，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。所以，實(shí)際工作中通常把預(yù)緊力公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到擰緊力矩的計(jì)算公式，從而通過(guò)控制擰緊力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)緊力的控制。

　　擰緊力矩主要指的是以下三種：第一，為了使螺栓連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)期的預(yù)緊力所需要的力矩;第二，為克服擰緊過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦阻力所需要的力矩;第三，克服自鎖機(jī)構(gòu)阻力所需力矩。最終，根據(jù)擰緊力矩的類型，整理出螺栓擰緊力矩的理論計(jì)算公式：

　　其中：F 表示為預(yù)期預(yù)緊力;M 是螺栓最終的擰緊力矩;d2 為螺紋中徑;P 為螺距;μ1 被連接件與螺母之間的摩擦系數(shù);μ2 為螺紋之間的摩擦系數(shù);β 為螺紋牙形半角;λ為螺紋升角;ρ 為螺栓螺母螺紋之間的摩擦角;R 為螺母支承面外圓半徑;r 為螺母支承面內(nèi)圓半徑。但是實(shí)際工作中如果按照(2)式計(jì)算螺栓的擰緊力矩會(huì)顯得非常麻煩，因此，為了便于實(shí)際工程的計(jì)算，對(duì)(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終得到下式：

　　(3)式中：K2是擰緊力矩系數(shù);F表示為預(yù)緊力，F(xiàn)為式(1)計(jì)算得到的;d為螺紋公稱直徑。

2.2 擰緊力矩試驗(yàn)法

　　經(jīng)對(duì)上述公式的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究之后可以得出一條結(jié)論：通過(guò)公式(3)計(jì)算得出的力矩，在一般情況下都可以滿足相關(guān)的工程要求。

　　但由于航空結(jié)構(gòu)對(duì)于穩(wěn)定性與牢固性要求很高，所以為了得到準(zhǔn)確的力矩，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具體方法如下：第一，按照式(1)計(jì)算出連接結(jié)構(gòu)所需的預(yù)緊力F;第二，按照公式(1)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出連接結(jié)構(gòu)的力矩;第三，嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)文件對(duì)連接結(jié)構(gòu)中力矩的要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證力矩和螺栓理論預(yù)緊力之間的誤差。

控制螺栓預(yù)緊力的主要方法

3.1 轉(zhuǎn)角法

　　轉(zhuǎn)角法是先通過(guò)一般的方式將螺栓擰緊，使被連接件與螺母貼合，之后再利用專業(yè)扳手，按照力學(xué)計(jì)算得出的旋緊角度對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的旋緊，進(jìn)而增加螺栓的延長(zhǎng)量，提高預(yù)緊力。旋緊角度的大小是結(jié)合螺栓材質(zhì)、被連接件材質(zhì)以及相關(guān)的尺寸、預(yù)緊力大小決定的，除此之外，還要考慮螺栓與被連接件的彈性形變量以及初次旋緊的預(yù)緊力大小。

　　因此，通過(guò)轉(zhuǎn)角法控制螺栓預(yù)緊力時(shí)，除了會(huì)受到連接件材質(zhì)剛性的影響之外，螺紋摩擦力、螺栓制造質(zhì)量等因素均不會(huì)對(duì)其控制精度造成影響，該方法能夠?qū)㈩A(yù)緊力的精度誤差控制在15%以下，是目前能達(dá)到的預(yù)緊力精度最高的方法。

3.2 力矩法

　　力矩法的主要特點(diǎn)就是用扳手的力矩控制預(yù)緊力的大小，在實(shí)際工作中，工人借助專業(yè)的扭力扳手完成螺栓擰緊工作，擰緊時(shí)可以通過(guò)扳手上顯示的力矩來(lái)對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

　　在螺紋的擰緊過(guò)程中螺母與被連接件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，螺紋之間也會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦阻力，而扭力扳手顯示的就是這兩個(gè)力的和，因此，用力矩法來(lái)控制預(yù)緊力可以直觀的了解到螺栓擰緊時(shí)產(chǎn)生的阻力，進(jìn)而對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。但由于螺紋可能存在損傷，導(dǎo)致摩擦力是一個(gè)變量，因此，該方法能達(dá)到的預(yù)緊力精度較低，不適用要求較高的連接結(jié)構(gòu)。

3.3 拉伸法

　　拉伸法指的是通過(guò)對(duì)螺栓進(jìn)行加熱，使其具有一定延展性，之后將其拉伸至連接需要的長(zhǎng)度，在冷卻之前擰緊螺母，完成連接。

　　根據(jù)熱脹冷縮的原理，螺栓在冷卻之后，由于長(zhǎng)度縮短，會(huì)大大增加預(yù)緊力。該方法可以產(chǎn)生巨大的預(yù)緊力，對(duì)于一些預(yù)緊力要求很高的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)非常適用。拉伸法除了會(huì)受到“拉伸量”影響之外，不會(huì)受到外界其他因素的影響，所以預(yù)緊效果也非常明顯。例如，在連接M30的液壓螺母時(shí)，通過(guò)拉伸法連接所達(dá)到的預(yù)緊力大約在37kN左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般工具擰緊產(chǎn)生的預(yù)緊力。

結(jié) 語(yǔ)

　　通過(guò)上述研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，航空結(jié)構(gòu)中很多部位都是通過(guò)螺栓連接的，螺栓預(yù)緊力與航空結(jié)構(gòu)的整體水平有密切的關(guān)系。在實(shí)際工作中，相關(guān)工作人員需要針對(duì)不同強(qiáng)度要求的航空結(jié)構(gòu)，采取相應(yīng)的螺栓連接，經(jīng)過(guò)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，得出預(yù)緊力的大小，不要一味的追求結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而增大螺栓預(yù)緊力，有時(shí)反而會(huì)得不到預(yù)期的效果，影響航空結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。