民用飛機緊固件選用概述

劉彥清

摘要

飛機上大量使用了各類緊固件，緊固件的正確選用對飛機的安全性與經濟性具有重大意義，本文對航空緊固件的選用原則進行了總結，介紹了民用飛機上緊固件的應用情況，詳細總結了緊固件選用的設計流程以及需要考慮的因素，以使設計人員在選用緊固件時有一個宏觀的概念，對從事飛機研發的工程人員有一定的參考價值。

關鍵詞

緊固件;民用飛機;選用流程;連接

中圖分類號： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.72

0 引言

民用飛機上所使用的緊固件必須滿足民用航空適航標準FAR25、CCAR25相關條款的要求。通常，民機標準件相關的設計部門會根據已有民機上的使用經驗、供應商提供的緊固件適航符合性資料以及可被采購的情況，為結構、強度等其他設計部門提供出《XX型號飛機緊固件選用目錄》。除非特殊情況（需向標準化部門申請），工程設計人員均應在該目錄中選擇合適的緊固件，本文將就設計人員如何合理地選用緊固件進行闡述。

1 緊固件的分類

通常，緊固件一般分為螺栓、螺釘、高鎖、鉚釘等，鉚釘又包括環槽鉚釘、抽芯鉚釘和實心鉚釘。牛春勻先生將這些緊固件又籠統分為永久性緊固件和可拆卸緊固件兩大類。而按照FAA認可的分類方法，MMPDS將民用飛機上使用的機械緊固件分為五類，螺紋連接類緊固件、可鍛套環型緊固件、盲緊固件、實心鉚釘和特殊型緊固件。螺紋連接類緊固件包括了螺栓和螺釘，均屬于可拆卸緊固件;可鍛套環型緊固件包括高鎖和環槽鉚釘，屬于永久性緊固件;盲緊固件指抽芯鉚釘等單面操作的緊固件。

2 緊固件選用注意事項

螺栓的可靠性較高，大多由高強度合金鋼或鈦合金制備，常用于承受高剪切、高拉伸或拉剪復合載荷的部位，例如平尾懸掛接頭與機身框的連接、設計分離面處對拉角盒的連接等。常選用8號以上螺栓（即直徑大于0.25 in），為保證飛機連接具有良好的疲勞性能，選用螺栓時需同時明確擰緊力矩。

螺釘常用于需要經常拆卸的次承載結構的連接中，如維修口蓋、設備等。

高鎖螺栓自鎖能力高且具有較高的穩定預緊力。高鎖可實現單面擰緊，其重量輕利于減重，被大量用于飛機結構連接中。環槽鉚釘的強度較高、耐疲勞性良好，但需要有足夠的安裝空間，常用于零件狀態下緊固件的安裝，如復材壁板共固化長桁邊緣的防分層緊固件的安裝等。

抽芯鉚釘由于可靠性較低，一般不應用在主要承載的結構上;單面操作是其特點，因此常用于不開敞、一面不可達的部位，如APU周向防火墻的安裝。

實心鉚釘是民用飛機上使用量最大的緊固件，其具有價格低廉、連接可靠性高、易于自動化裝配等特點。民用飛機上鉚釘一般不允許抗拉，只能承受剪力。由于鉚釘安裝時會造成釘孔擠壓膨脹，嚴禁用于復合材料的連接。

3 緊固件選用的設計流程

緊固件選用的設計流程如圖1所示。

首先要根據周圍結構的傳力路徑、被連接件的結構形式和受載情況，確定選用抗拉還是抗剪的緊固件。按強度等級分為140Ksi、160～180Ksi、180～220Ksi、220～250Ksi等，對于飛機上一些承受較大拉剪復合載荷的重要傳力部位的連接，螺栓的選用需滿足式（1）所示的工程算法并且有一定的裕度。目前世界主流的民用飛機，都大量采用了NAS6000、NAS7000系列的緊公差螺紋，與孔配合更好、載荷傳遞更均勻，疲勞強度更好。

式中：x為剪切載荷;y為拉伸載荷;a為緊固件的剪切許用值;b為緊固件的拉伸許用值。

然后根據安裝位置處是否有齊平度要求決定選用凸頭還是沉頭緊固件，如飛機機身、機翼壁板外表面屬于氣動表面，該處的緊固件都應選沉頭，通常選用100沉頭鉚釘，沉頭高度不大于壁板厚度的2/3或锪窩后剩余厚度至少大于0.5mm。若厚度不滿足要求，可增加凹陷墊圈。

接下來，根據被連接結構的材料，并結合安裝部位所處的環境，綜合考慮緊固件的材料及表面涂層。傳統民用飛機主要采用金屬結構，特別是高強度鋁合金材料，緊固件的材料較容易選擇，通常采用同電位的經陽極化處理后的鋁制緊固件。而先進民用飛機中碳纖維復合材料結構件占比越來越大，復合材料的電化學活性最小，用于復材件裝配的緊固件需重點考慮異電位防護，與之相容性較好的是鈦合金材料的緊固件，其次是高溫合金，避免使用鋁合金材料的緊固件。復合材料相關的電化學防腐蝕的措施有緊固件濕安裝、增加墊片用于隔離、復材零件裝配區域增加玻璃布等。安裝位置在高溫區以及高溫影響區的緊固件，還需考慮緊固件在高溫環境下的承載能力，推薦使用鎳基合金、A286、鈦鈮合金、鈦合金等材料的緊固件。需注意帶有鍍銀涂層的高溫合金螺母與裸鈦螺栓配合使用會產生銀脆現象，應當避免。

選用緊固件時還需要考慮安裝結構件的維修維護性，對于一些維修口蓋、系統設備等結構件，通常要設計成易于拆卸的形式，可選用螺栓或螺釘，或配合托板螺母使用。

另外，安裝部位周圍施工的條件、工廠的裝配順序等，也會影響緊固件的選擇，例如，位于閉角區的緊固件往往存在擰緊工具無法施工的情況，需工程設計人員留意。裝配機身各部段時，在型架上，通常先定位框、梁，然后裝配壁板，此時，部分內部結構件的裝配有可能只允許單面操作甚至只能采用抽芯鉚釘，比如APU周向防火墻。

在剩余備選緊固件中，需綜合考慮成本因素。選擇其他部位常用的緊固件將有利于供應商及時采購或調配資源。

4 結論

緊固件的選用需綜合考慮強度、氣動要求、結構防腐、工藝性、維修維護、成本等多方面的因素，本文概述了民用飛機上緊固件的應用情況，梳理了緊固件選用的流程，為民機設計人員在選用緊固件時提供參考。

參考文獻

[1]牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京：國防工業出版社，1983.

[2]Metallic Materials Properties Development and Standardization（MMPDS）.