液氮深冷方法在解決運(yùn)載器不銹鋼螺釘咬死問題上的應(yīng)用

劉立新 柳海龍 吳 潔 宋漪萍

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液氮深冷方法在解決運(yùn)載器不銹鋼螺釘咬死問題上的應(yīng)用

劉立新 柳海龍 吳 潔 宋漪萍

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

為解決某運(yùn)載器伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸不銹鋼連接螺釘“咬死”問題，通過對(duì)不銹鋼材料在液氮深冷條件下的特性分析，提出了“液氮深冷”的拆卸方法。利用“液氮深冷”方法，實(shí)現(xiàn)了在發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸螺紋完好的情況下，順利地將伺服機(jī)構(gòu)曲柄連接螺釘分解下來，確保了某運(yùn)載器的按時(shí)出廠，避免了重大經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生。

液氮；深冷；不銹鋼；螺釘；咬死

1 引言

某運(yùn)載器在總裝廠完成出廠測(cè)試后，運(yùn)載器準(zhǔn)備運(yùn)往發(fā)射場(chǎng)完成飛行任務(wù)。按常規(guī)流程，運(yùn)載器出廠前需將其上安裝的伺服機(jī)構(gòu)下箭裝箱運(yùn)輸。就在伺服機(jī)構(gòu)拆卸下箭的過程中出現(xiàn)了異常情況，某分機(jī)伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸的連接螺釘出現(xiàn)了“咬死”問題。解決伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸連接螺釘“咬死”問題的方案，需保證發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸上的連接螺紋不能出現(xiàn)損壞，否則必須將發(fā)動(dòng)機(jī)分解，重新更換游機(jī)，再重新完成總裝測(cè)試，這將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為解決此咬死問題，開始時(shí)采用了潤(rùn)滑劑浸泡、打孔、注入潤(rùn)滑劑的方法，均無法松動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)連接螺釘。在經(jīng)過仔細(xì)研究不銹鋼材料的特性等后，提出了“液氮深冷”的拆卸方法。利用“液氮深冷”方法在保證螺紋完好的情況下，順利地將伺服機(jī)構(gòu)曲柄連接螺釘分解下來，確保了運(yùn)載器的按時(shí)出廠，避免了重大經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生。

2 問題的發(fā)現(xiàn)

某運(yùn)載器在總裝廠完成出廠測(cè)試后，在拆卸伺服機(jī)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)連接伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸的不銹鋼內(nèi)六角螺釘無法松動(dòng)。具體情況為：操作人員用內(nèi)六角扳手朝松動(dòng)方向施力，在略有松動(dòng)后，就擰不動(dòng)了。再往擰緊方向施力，略有松動(dòng)后，也擰不動(dòng)。隨后，再朝松動(dòng)和擰緊兩個(gè)方向施力，均擰不動(dòng)。試用加長(zhǎng)力臂的內(nèi)六角扳手，仍擰不動(dòng)，判定伺服機(jī)構(gòu)螺釘與游機(jī)擺軸發(fā)生“咬死”現(xiàn)象。

3 原因分析

3.1 連接設(shè)計(jì)情況

該處連接如圖1、圖2所示。游機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)擺軸的材料為不銹鋼00Cr15Ni6Nb，伺服機(jī)構(gòu)曲柄螺釘材料為不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb。

圖1 螺釘連接在游機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)上的位置三維圖

圖2 伺服機(jī)構(gòu)與游機(jī)連接剖面

3.2 咬死原因分析

選擇伺服機(jī)構(gòu)曲柄安裝螺釘材料時(shí)，沒有考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)擺軸的材料也是不銹鋼。不銹鋼材料較“粘”，若不銹鋼螺釘螺紋的接觸表面粗糙度過高時(shí)，擰緊過程中的摩擦力作用產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致在應(yīng)力集中部位存在微觀彈性變形和塑性變形，發(fā)動(dòng)機(jī)擺軸螺紋應(yīng)力不均勻分布和尺寸累積偏差等因素導(dǎo)致促使擰接力矩增大,局部產(chǎn)生宏觀變形,使螺紋在高溫和高壓應(yīng)力作用下發(fā)生“咬死”現(xiàn)象。

4 措施研究及實(shí)施情況

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)擺軸螺紋完好，經(jīng)過仔細(xì)分析，提出“液氮深冷”的拆卸方法。

4.1 液氮深冷方法的機(jī)理分析

a. 在液氮（-196℃）深冷條件下，螺釘直徑會(huì)微量縮小。

計(jì)算螺釘直徑尺寸的變化的公式如下：

液氮的溫度為-196℃，廠房的環(huán)境溫度為20℃，不銹鋼的線膨脹系數(shù)為16.6×10-6/℃[2]，螺釘直徑為16mm，代入式（1）：

=16×10-6×(20-(-196))×16=0.055296mm≈55.3μm

求得在液氮的冷凍下，螺釘直徑的縮小量約為55.3μm。

b. 在液氮深冷條件下，內(nèi)螺紋的尺寸不變或微量變大。

由于是內(nèi)螺紋，并且在一個(gè)剛性很大的結(jié)構(gòu)上，在對(duì)螺釘局部液氮速冷的情況下，內(nèi)螺紋的尺寸不變或微量變大。

c. 在液氮深冷條件下，不銹鋼的“粘”性降低、強(qiáng)度提高。

綜合以上，在液氮深冷的情況下，螺釘與內(nèi)螺紋的間隙變大，同時(shí)在液氮深冷條件下，不銹鋼的“粘”性降低、強(qiáng)度提高。基于以上原因，“液氮深冷”拆卸方法是可行的。

4.2 實(shí)施情況

使用醫(yī)用液氮噴射設(shè)備，快速向連接伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸的不銹鋼螺釘頭部的內(nèi)六角孔處噴射液氮約600ml，然后用內(nèi)六角扳手再加上力臂加長(zhǎng)工裝對(duì)螺釘加力，螺釘松動(dòng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘，直至螺釘順利拆卸下來。經(jīng)仔細(xì)測(cè)量、檢驗(yàn)，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸上的內(nèi)螺紋基本完好，可再次安裝使用。

5 結(jié)束語

“液氮深冷”方法成功地解決了某運(yùn)載器伺服機(jī)構(gòu)曲柄與發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)擺軸不銹鋼連接螺釘“咬死”問題，確保了運(yùn)載器的按時(shí)出廠，避免了重大經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，為其它不銹鋼緊固件“咬死”問題的解決提供了借鑒。

1 成大先，王德夫，姬奎生，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1卷）（第六版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2016

2 聞邦椿，張義民，鄂中凱，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1卷）（第5版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2010

Application of Liquid Nitrogen Cooling Method to Thread Galling of Stainless Steel Fasteners on Launch Vehicles

Liu Lixin Liu Hailong Wu Jie Song Yiping

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beingjing 100076)

This paper studies the low-temperature mechanical properties of stainless steel at cryogenic conditions and offers a new liquid nitrogen cooling approach for thread galling on stainless steel fasteners. The liquid nitrogen cooling method has been applied to solve the thread galling problem in fastening screw which connected the servomechanism crank and the vernier engine on a launch vehicle. The screw was removed with full protection of the internal threads, which also protected the pendulous axis of the vernier engine. The application of the liquid nitrogen cooling method ensures the on-time completion of the launch vehicle, therefore avoiding potential economic loss.

liquid nitrogen；cryogenics；stainless steel；screw；thread galling

劉立新（1968），高級(jí)工程師，飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：運(yùn)載器電氣系統(tǒng)設(shè)備安裝設(shè)計(jì)。

2018-01-04