緊固件減重采用高性能材料,提高強(qiáng)度和比強(qiáng)度,可達(dá)到很高的減重效果,但當(dāng)材料及其強(qiáng)度得到確定后,進(jìn)一步的減重就交由緊固件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)者來(lái)完成,為了滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)受力和減重等方面的要求,在緊固件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)上采用了多種措施,主要有:①采用不同受力狀態(tài)的緊固件;②采用不同長(zhǎng)短螺紋的緊固件;③組合緊固件的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

1)根據(jù)受力狀態(tài)選用不同頭型的緊固件

現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)主要采用傳剪結(jié)構(gòu)形式,因此大量采用了抗剪型緊固件,抗剪緊固件有 100°沉 頭、平頭等頭型,在厚夾層采用抗拉型緊固件,由表 1可看出,抗剪型鈦高鎖螺栓比抗拉型鈦高鎖螺栓頭部高度降低較大,因而具有明顯的減重效果,經(jīng)計(jì)算,抗剪型鈦高鎖螺栓的頭部比抗拉型鈦高鎖螺栓頭部減重57%;對(duì)于抗拉型緊固件頭部,同樣采用了減重措施,如六角頭的減重窩和十二角頭的減重窩等,如圖 2 所示的六角頭鈦螺栓,與無(wú)減重窩的六角頭比,可使頭部重量降低 5%。

2)螺紋尺寸的變化

為了使緊固件進(jìn)一步減重,在原 2P 收尾螺紋的普通鈦高鎖螺栓的基礎(chǔ)上采用專利技術(shù) (收尾及其強(qiáng)化技術(shù))開(kāi)發(fā)出了具有短收尾螺紋的輕型鈦高鎖螺栓,收尾為 1.5P 和 1P 螺紋。輕型鈦高鎖螺栓與第一代普通鈦高鎖螺栓相比,由于收尾螺紋縮短,使用高鎖螺母長(zhǎng)度也相應(yīng)縮短,進(jìn)而使得總體結(jié)構(gòu)減重 10%。如圖 3 所示,從圖中可看出兩者的關(guān)系,與普通鈦螺栓連接相比,由于螺紋長(zhǎng)度縮短,使得減重效果更為明顯。

另外,以往飛機(jī)裝配大都采用長(zhǎng)螺紋連接,而現(xiàn)代飛機(jī)大都進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì),在抗剪切部位或受力小的部位,螺栓采用短螺紋和短螺母配合,可使重量進(jìn)一步減輕。

不但通過(guò)優(yōu)化螺紋可以實(shí)現(xiàn)減重,而且在類似于螺紋的鈦環(huán)槽釘上也是如此,如在環(huán)槽釘?shù)沫h(huán)槽上,早期采用的是等距環(huán)槽,而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的比例式環(huán)槽釘?shù)沫h(huán)槽,如圖 4 所示,不但可使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度匹配均勻,還可使作用的有效區(qū)減少約 1.5~2 個(gè)齒距,同時(shí)減短了與之相配的鈦合金環(huán)帽,從而實(shí)現(xiàn)在環(huán)槽區(qū)域減重 20%的效果。

3)組合連接優(yōu)化

在復(fù)雜的緊固系統(tǒng)中,采用高強(qiáng)度、鈦合金等高比強(qiáng)材料,如鈦合金拉絲型抽釘,外套采用高強(qiáng) α 鈦合金,而芯桿采用了比 TC4 強(qiáng)度還高的 β 型鈦合金,總體強(qiáng)度與專為復(fù)合材料設(shè)計(jì)的單面螺紋抽釘強(qiáng)度一致,但其重量比后者輕 30%以上。

4)鈦合金管路連接件

飛機(jī)的減重突出體現(xiàn)在多個(gè)方面,緊固件是通過(guò)大量使用體現(xiàn)總體減重效果,但在管路連接件上的減重,單件就有較大的作為,如將飛機(jī)上使用的不銹鋼或合金鋼管路連接件,用于液壓系統(tǒng)的管接頭、外套螺母、堵塞等都更換成 TC6 鈦合金管路連接件,不但可將耐壓能力提高至 28MPa,還可以使得整機(jī)減重?cái)?shù)十千克到數(shù)百千克,如采用無(wú)擴(kuò)口鈦合金緊固件,如圖 5所示,可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減重。

3 、到底怎么實(shí)現(xiàn)緊固件減重效果呢?

航空緊固件主要通過(guò)采用高強(qiáng)度、高比強(qiáng)度材料,在傳剪結(jié)構(gòu)和承力較小的部位采用抗剪頭緊固件,在厚夾層和抗拉部位采用抗拉緊固件,采用短收尾螺紋緊固件等方法實(shí)現(xiàn)減重效果,另外通過(guò)采用減重窩和減重孔,采用高比強(qiáng)的鈦合金緊固件和進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜緊固系統(tǒng)替代傳統(tǒng)鋼緊固件也同樣可以獲得較好的減重效果,只有在所有緊固件均采用輕量化設(shè)計(jì)和制造后,才可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的大幅減重效果。