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飛機上那麽多零件,每一個松動都會導致嚴重後果,那麽每次起飛之前是需要全部檢查一遍嗎?

2021-06-11知識

碰到了我的老本行,博士就是幹這個的,所以應該有發言權吧。

首先,目前已經有的高贊回答都沒有說錯,那就是使用帶緊固件的螺栓可以有效防止螺栓松動。但是距離真正航空航天中存在的連線結構松動問題還是挺遠的,因為這在絕大部份時候就不是螺栓防松的事情。

螺栓是怎麽壓緊物體的?

下圖就是最簡單的螺栓連線結構,中間的那個物體就是螺栓,由螺母、螺桿和墊片組成。螺栓的作用就是把兩個原本分離的零件(圖中的被壓緊件)壓在一起,讓他們在工作過程中盡可能保持一體。為了方便表示,可以暫時不考慮墊片的作用,只看螺母和螺桿。

螺栓連線結構

那麽第一個問題就來了:為什麽透過擰螺母可以讓螺栓產生壓緊作用?

從下圖可以很容易理解這個問題。如圖所示,我們先把螺栓和被壓緊分開,單獨擰緊螺母。我們發現,擰緊螺母、讓螺母順著螺紋一路下滑的過程,實際上是在控制螺栓兩個接觸面之間的距離,而當把螺母擰到一定位置的時候,這兩個接觸面之間的距離會小於被壓緊件的厚度。

擰動螺母的本質

於是,為了把比較短的螺栓安裝到被壓緊件上,那麽無疑就要把螺栓給「抻長」。

要說漢語裏面的這個「抻」字確實很傳神,因為你把一個帶有彈性的物體「抻」長的時候,這個物體也會反過來給你一個彈性恢復力,而這個彈性恢復力,就是螺栓能夠壓緊零件的關鍵所在。專業點兒說,這種由於螺栓預變形而產生的彈性恢復力,就是螺栓的 預緊力

螺栓壓緊零件的原理

顯然的,螺母旋入的圈數越多,就意味著這個螺栓會被「被壓緊件」抻得更長,也就表明螺栓給被壓緊件的壓緊力就會越大,這也是為什麽螺母旋的圈數越多,螺栓產生的預緊力就越大。而反過來說,如果我們透過擰緊螺栓,使得螺栓產生特定的預緊力壓緊零件,那麽一旦螺母松了,螺栓產生的預緊力就會減小,使得連線結構松動。

螺栓預緊力與擰緊圈數的關系

上面就是螺栓能夠產生預緊力的基本原理。這也解釋了,為什麽螺栓一定要防止螺母松脫,因為螺母松脫必然會影響螺栓的預變形,帶來整個連線結構的松動。

螺栓防松確實是一門學問,但是格局還是小了

為了防止連線結構松動,所以必須要對螺栓做防松的處理。比如說止動墊圈、上鎖片這些方式,都是防止螺栓中的螺母松動的。詳細的可以見@那圈年輪 的答案,說的比較全面了,圖也比較好,我就不贅述了。下面是北京理工大學丁曉宇老師的PPT,各種防松方法總結的比較全面,比如說日本哈德洛克公司的偏心雙螺母,或者楔形螺紋的螺母等等,這些都是螺栓防松的一些新方法。

偏心雙螺母
楔形螺紋的螺母

但是,連線結構松動,只是由於螺母松脫引起的嗎?這個問題才是最要命的。事實上,即便你把螺桿跟螺母之間的螺紋完全焊死,也沒有辦法阻止航空航天領域螺栓的松動。

螺栓連線結構松動的N種方式

剛剛已經解釋了,螺栓預緊力產生的原因,是螺栓的兩個接觸面之間的距離小於被壓緊件的厚度,所以被抻長的螺栓會透過彈性恢復力壓緊零件。而螺母防松,只是應對了螺栓松動的一種可能引發原因,但是航空航天領域螺栓連線結構的松動方式可是多了去了。

首先,如果螺栓受拉力太大,那麽螺桿、螺紋會發生塑性變形,這就意味著螺栓本身的長度增加了,原本10cm長的螺栓被活生生拉長為11cm的螺栓,但是被壓緊件依然是10.5cm,那麽自然螺栓的預緊作用就消失了。這個跟螺母松不松沒有任何關系。

然後,你以為螺栓連線結構中的被壓緊件就是平平整整地被壓住的?其實在實際安裝過程中,由於種種原因,被壓緊件那是一個歪七扭八,界面根本就沒有貼合緊密。

理想與實際的區別

那麽無論是在工作過程中,被壓緊件發生了變形(位移),或者因為磨損之類的損傷,都會導致螺栓松動。所以說,不是我們不關註螺栓的防松脫問題,而是在航空航天裏,松脫之類的問題已經幾乎不存在了,我們更加關註的是結構的受力、位移和損傷,這些才是造成連線結構松動的最主要的原因。

壓緊件位移和界面磨損導致的螺栓松動

具體可以看我之前寫過的一個回答,其中提到了結構設計的三個層次:功能設計、力學設計和可靠性設計,防松脫只是在功能設計層次裏面轉悠,還沒有到上面兩個層次,所以我才說,只談螺母的防松,格局還是小了。

飛機上是怎麽考慮連線松動和其他故障的?

飛機裝配跟航空發動機的裝配有很大的區別,我主要搞發動機裝配,所以我說的主要是航空發動機上的事情,但是其中的一些道理是相通的。

解決連線松動的第一個要點是: 你一定要承認,松動之類的損傷總會發生、也一直在發生,不存在永不松動脫、永不損傷的連線結構,唯一的問題是,什麽條件下、多久才會影響到機械的正常執行。

只要機械開始運轉,連線結構位置就開始發生損傷,而且損傷也不僅僅是松動(磨損)。這些損傷可能是一些要用電鏡才能觀察到的微裂紋,有可能是非常細微的磨損,也有可能是物體表層材料的物理化學性質發生改變,總之,只要機械開動,損傷就開始積累。

但是,損傷不意味著機械不能正常工作,只有在某種損傷積累到一定的程度之後,機械才會以一種特定的形式失效,比如說那些微小的疲勞裂紋可能擴充套件成大裂紋,最終導致機械零件的斷裂;比如說磨損損傷會導致零件的松動,等等。

那麽在這種思想的指導下,就需要開展理論和試驗研究了。這個裏面的內容很復雜,一項一項說清楚不太現實,但是這其中有一個原則,可以簡單用一句話概括,那就是:

明明白白地搞清楚,特定的某個位置的連線結構,在機械工作過程中,損傷需要積累多長時間才會引發機械異常。

比如說,就是一架飛機的某個連線結構,透過仿真和試驗算出來飛機正常執行飛行任務,6000次飛機起降之後才會損壞,那麽只要這套設計方法和準則足夠精確,那麽理論上我就可以在這6000次起降過程中,不去管連線結構,直到6000次滿,送去大修就行了。

當然,在現實中,為了保險起見:

  1. 會對這個6000次除以一個大於1的裕度系數,比如說裕度系數為2,就是3000次之內可以不用管這個連線結構;
  2. 在地面上安排對連線結構做外場檢查,透過一些特殊的儀器來檢查一些重要位置的連線結構,重點不是看它松沒松,而是看它是否有一些故障征兆;
  3. 會在工作狀態下對一些關鍵位置的連線結構做健康監測,透過諸如振動訊號來判斷連線是否正常,一旦異常就要視情況做維修,甚至於提前返廠;
  4. 其他還有很多相關的設計方法,比如說安全性設計,就是保證在極端條件下,即便有一些關鍵的螺栓斷了,整個飛機的安全也不會受到威脅。

總的來說,防止連線結構的異常,主要依靠的是強大的設計能力,輔之以恰當的維護和健康監測能力,當然,這背後最重要的是對連線結構損傷機理和影響的準確把握。

而這一切,絕對不僅僅是加一個防松結構就能夠解決的。