溫楠　侯崇強(qiáng)　劉長(zhǎng)棟　編譯

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

NASA-STD-5020航天器用螺紋緊固系統(tǒng)要求標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

溫楠侯崇強(qiáng)劉長(zhǎng)棟編譯

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：介紹NASA-STD-5020《航天器用螺紋緊固系統(tǒng)要求》標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、主要內(nèi)容，包括總體要求、設(shè)計(jì)要求及考慮因素、螺紋緊固系統(tǒng)分析準(zhǔn)則、質(zhì)量保證等，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施作了說明。

螺紋緊固系統(tǒng)；設(shè)計(jì)載荷；緊固系統(tǒng)分析；NASA。

NASA（美國國家航空航天局）歷來重視航天飛行器用緊固件的設(shè)計(jì)及使用工作，在這方面編制和發(fā)布了多個(gè)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)，如1990年編制出版了NASA-RP-1228《緊固件設(shè)計(jì)手冊(cè)》，總結(jié)其緊固件設(shè)計(jì)選用經(jīng)驗(yàn)，主要內(nèi)容涵蓋緊固件材料選擇、表面處理、潤滑、腐蝕、鎖緊方法、墊圈、鑲嵌件、螺紋類型和等級(jí)、疲勞載荷及緊固件扭矩等方面。1999年出版的航天機(jī)構(gòu)手冊(cè)中，專門有一章講述緊固件方面內(nèi)容，涵蓋螺紋緊固件設(shè)計(jì)、鎖緊裝置、快卸緊固件設(shè)計(jì)、不可拆卸緊固件設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。NASA于 2012年發(fā)布了NASA-STD-5020《航天器用螺紋緊固系統(tǒng)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了NASA對(duì)航天器用螺紋緊固系統(tǒng) （threaded fastening system，指包含外螺紋緊固件如螺栓、內(nèi)螺紋緊固件如螺母或鑲嵌件以及包含墊圈在內(nèi)的被連接件）的最新要求，并且標(biāo)準(zhǔn)涵蓋設(shè)計(jì)、分析、質(zhì)量保證等環(huán)節(jié)，有較高的參考和學(xué)習(xí)價(jià)值。

NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)正文包括 7個(gè)部分，分別為范圍、引用文件、縮略語及定義、總體要求、設(shè)計(jì)要求及考慮因素、螺紋緊固系統(tǒng)分析準(zhǔn)則、質(zhì)量保證。正文之外還包括4個(gè)附錄 （由于篇幅原因，本文不作進(jìn)一步的介紹），分別為緊固件分析準(zhǔn)則解釋與澄清、鎖緊特性最佳實(shí)例、低風(fēng)險(xiǎn)疲勞分類的理由、參考文獻(xiàn)。以下對(duì)適用范圍和總體要求進(jìn)行概要說明，并對(duì)設(shè)計(jì)及考慮因素、螺紋緊固系統(tǒng)分析準(zhǔn)則以及質(zhì)量保證等內(nèi)容分別進(jìn)行介紹。

1　標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及總體要求

1.1適用范圍

NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)適用于所有的NASA項(xiàng)目和工程，也適用于對(duì)斷裂控制、非金屬結(jié)構(gòu)、非標(biāo)準(zhǔn)緊固件以及艙外活動(dòng) （EVA）用緊固件提出額外要求。但同時(shí)明確提到，該標(biāo)準(zhǔn)不一定適用于地面支持設(shè)備。

1.2總體要求

標(biāo)準(zhǔn)中的 “總體要求”一章從5個(gè)部分提出要求：強(qiáng)度、斷裂控制和疲勞壽命、連接分離、鎖緊特性、緊固系統(tǒng)控制計(jì)劃。

1.2.1強(qiáng)度

在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)要使用安全因子 （相應(yīng)結(jié)構(gòu)裝配標(biāo)準(zhǔn)給出的）以及補(bǔ)充因子 （考慮螺栓連接件各部分強(qiáng)度和分離情況，分析對(duì)載荷路徑和應(yīng)力的不確定性）。另外，對(duì)極限設(shè)計(jì)載荷、屈服設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行了規(guī)定，要求所有的螺紋緊固系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)承受極限設(shè)計(jì)載荷以及預(yù)期環(huán)境下的最大載荷而不斷裂，所有的螺紋緊固系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)承受屈服設(shè)計(jì)載荷以及預(yù)期環(huán)境下的最大載荷而不能屈服。

1.2.2斷裂控制和疲勞壽命

所有的螺紋緊固系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能經(jīng)受服役壽命和服役環(huán)境而不斷裂或疲勞失效。服役壽命可以通過NASA-STD-5019中規(guī)定的裂紋擴(kuò)展分析，或者特定結(jié)構(gòu)要求中規(guī)定的疲勞分析因子和服役壽命因子的疲勞分析，亦或特定結(jié)構(gòu)要求中規(guī)定的服役壽命因子的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。

1.2.3連接分離

使用螺紋緊固系統(tǒng)的機(jī)械連接應(yīng)當(dāng)能承受最高和最低工作溫度條件下的設(shè)計(jì)分離載荷而不發(fā)生分離。連接分離安全因子應(yīng)乘以一個(gè)補(bǔ)充因子。對(duì)于關(guān)鍵連接，如果連接分離會(huì)導(dǎo)致人員喪生、人身傷害或?yàn)?zāi)難性結(jié)構(gòu)失效，則連接分離安全因子應(yīng)為1.4或極限安全因子的較大值，否則，應(yīng)為1.2或屈服安全因子的較大值。如果不是關(guān)鍵連接，則分離安全因子應(yīng)為1.0。

1.2.4鎖緊特性

不考慮預(yù)緊力的大小，航天器用螺紋緊固系統(tǒng)應(yīng)至少采用一個(gè)不依賴于預(yù)緊力的鎖緊特性，并對(duì)鎖緊特性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于使用時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的螺栓連接，應(yīng)選用機(jī)械鎖緊。

1.2.5緊固系統(tǒng)控制計(jì)劃

設(shè)計(jì)人員應(yīng)在初始需求審查或相類似的節(jié)點(diǎn)審查時(shí)向技術(shù)權(quán)威提交一份緊固系統(tǒng)控制計(jì)劃，包括：如何滿足NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)的要求；包含的其它組織在設(shè)計(jì)、分析、緊固件安裝以及驗(yàn)證方面的要求和準(zhǔn)則；為確保質(zhì)量和完整性所依據(jù)或參考的工藝文件。

2　設(shè)計(jì)要求及考慮因素

在設(shè)計(jì)要求及考慮因素方面，標(biāo)準(zhǔn)主要從8個(gè)方面進(jìn)行要求：材料、潤滑劑與涂層及密封劑規(guī)范、螺紋型式的兼容性、墊圈及螺栓孔倒角的使用、鎖緊特性、螺紋嚙合、尺寸和公差、緊固件安裝規(guī)范及控制以及安裝扭矩規(guī)范與控制。

2.1材料

螺紋緊固系統(tǒng)所用材料應(yīng)滿足NASA-STD-6016《航天器標(biāo)準(zhǔn)材料和工藝要求》。標(biāo)準(zhǔn)的注釋說明中指出，對(duì)于螺紋緊固系統(tǒng)，主要的材料問題包括咬死、腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆、蠕變、放氣和原子氧的影響。

2.2潤滑劑、涂層及密封劑規(guī)范

所有用于螺紋緊固系統(tǒng)的潤滑劑、涂層、密封劑及其使用過程，都應(yīng)參考NASA-STD-6016的規(guī)定，并在工程文件中進(jìn)行說明和控制。

2.3螺紋牙形的兼容性

相互配合的螺紋緊固件應(yīng)有相互兼容的螺紋牙形。標(biāo)準(zhǔn)給出了幾種不兼容的螺紋組合實(shí)例，如細(xì)牙螺紋配粗牙螺紋、英制螺紋配公制螺紋，這種配合螺紋具有相同的螺距和不同的公稱直徑，如果外螺紋為UNJ螺紋、內(nèi)螺紋就為UN螺紋，如果外螺紋為MJ螺紋、內(nèi)螺紋就為M螺紋。

2.4墊圈及螺栓孔倒角的使用

標(biāo)準(zhǔn)要求工程文件中應(yīng)將墊片的類型、位置以及允許使用的數(shù)量都詳細(xì)列出。應(yīng)通過在螺栓頭下配用倒角光孔或錐孔墊圈，為頭下圓角留有足夠的公差，以避免干涉。

2.5鎖緊特性

標(biāo)準(zhǔn)給出了兩條要求，分別為：鎖緊特性及安裝過程，包括檢驗(yàn)方法應(yīng)在工程文件中指明；當(dāng)使用膠粘劑鎖緊時(shí)，在使用前應(yīng)編制安裝工藝并經(jīng)確認(rèn)，以確保膠粘劑固化、粘著及鎖緊特性均如預(yù)期。

2.6螺紋嚙合、尺寸和公差

尺寸、公差和緊固系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在工程文件中說明以控制螺紋嚙合長(zhǎng)度選擇、螺紋連接選擇避免干涉等方面的問題。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)中所列的緊固件尺寸方面考慮的因素。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了避免螺紋脫扣這種嚴(yán)重的失效模式發(fā)生，除了螺母、托板螺母或者鑲嵌件，內(nèi)螺紋連接件的螺紋嚙合長(zhǎng)度應(yīng)進(jìn)行選擇以確保完整螺紋的最小嚙合數(shù)，以便緊固件在脫扣前發(fā)生拉伸失效。這樣既便于維修，也可增加失效緊固件被檢測(cè)到的可能性。

圖1　在緊固件選擇方面的尺寸考慮

2.7緊固件安裝規(guī)范及控制

安裝過程中達(dá)到預(yù)緊力的常規(guī)方法是通過控制安裝扭矩，在緊固系統(tǒng)預(yù)安裝后通過控制螺母或者螺栓頭的旋轉(zhuǎn)角度、測(cè)量緊固件的長(zhǎng)度變化、在緊固件上使用應(yīng)變片等方法進(jìn)行控制。工程圖樣和安裝規(guī)程中，應(yīng)指定并控制安裝方法和參數(shù)來達(dá)到相應(yīng)的預(yù)緊力。

2.8安裝扭矩規(guī)范與控制

該部分適用于預(yù)緊力由扭矩控制產(chǎn)生的情況。一是，工程文件應(yīng)當(dāng)指定安裝扭矩范圍或者指定一個(gè)定義了安裝扭矩范圍的適用標(biāo)準(zhǔn)；二是，工程文件應(yīng)當(dāng)清楚標(biāo)出安裝扭矩是否為總扭矩減去自鎖力矩。

3　螺紋緊固系統(tǒng)分析準(zhǔn)則

標(biāo)準(zhǔn)主要從5個(gè)方面對(duì)螺紋緊固系統(tǒng)分析準(zhǔn)則作了規(guī)定：名義、最大、最小預(yù)緊力，極限設(shè)計(jì)載荷下的強(qiáng)度，屈服設(shè)計(jì)載荷下的強(qiáng)度，連接滑移分析和連接分離分析。其中連接滑移分析無正文要求。

3.1名義、最大、最小預(yù)緊力

螺紋緊固系統(tǒng)分析應(yīng)關(guān)注最大和最小預(yù)緊力，并考慮由于初始預(yù)緊力施加方式、松弛、蠕變和溫度影響造成的預(yù)緊力變化。在計(jì)算最小預(yù)緊力時(shí)，全金屬部件連接由于松弛導(dǎo)致的預(yù)緊力衰減為5%，連接中含有非金屬部件或涂層時(shí)，應(yīng)通過試驗(yàn)確定衰減量。

名義初始預(yù)緊力計(jì)算應(yīng)有至少6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，以確定初始預(yù)緊力與安裝過程控制參數(shù) （力矩、螺母轉(zhuǎn)角、加載角度或螺栓伸長(zhǎng)）之間的關(guān)系。

對(duì)關(guān)鍵連接，用于計(jì)算最小初始預(yù)緊力的不確定性 （散差）應(yīng)在90%概率和置信度95%（雙邊分布）的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上選取。采用力矩控制時(shí)，潤滑和無潤滑時(shí)預(yù)緊力散差分別取25%和35%，或者由實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得；采用螺母法和轉(zhuǎn)角法控制時(shí)，預(yù)緊力散差取25%或者由實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得；采用螺栓伸長(zhǎng)法時(shí)，預(yù)緊力散差取10%或者由實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得。

3.2極限設(shè)計(jì)載荷下的強(qiáng)度

3.2.1拉應(yīng)力下的極限強(qiáng)度分析

極限設(shè)計(jì)載荷的分析應(yīng)考慮螺紋緊固系統(tǒng)中所有組成部分的潛在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，包括緊固件、內(nèi)螺紋零件如螺母、鑲嵌件以及被連接件。

如果分離先于斷裂發(fā)生，則拉伸載荷的極限安全余量MSu為：

其中：Ptu-allow為許用極限拉應(yīng)力；PtL為極限拉應(yīng)力；FF為補(bǔ)充因子；FSu為極限安全因子。

如果斷裂先于分離發(fā)生，則拉伸載荷的極限安全余量MSu為：

其中：P′tu為施加的拉應(yīng)力導(dǎo)致緊固件超出其許用極限拉伸載荷，使得在連接件分離前即發(fā)生斷裂。

3.2.2剪應(yīng)力下的極限強(qiáng)度分析

剪應(yīng)力下的極限強(qiáng)度分析是在基于摩擦面不承受剪切載荷的假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并根據(jù)螺紋是否在剪切面內(nèi)，采用不同的公式對(duì)螺栓許用剪切載荷進(jìn)行計(jì)算。剪切載荷的極限安全余量MSu為：

其中：Psu-allow為許用極限剪切載荷；PsL為極限剪應(yīng)力。

3.2.3拉剪彎復(fù)合應(yīng)力作用下的極限強(qiáng)度分析

對(duì)于同時(shí)承受拉伸、剪切載荷及彎曲載荷的螺栓，在進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)考慮各應(yīng)力間的相互影響。對(duì)于剪切平面不在螺紋段時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)給出了不考慮塑性彎曲以及考慮塑性彎曲時(shí)應(yīng)分別滿足相應(yīng)公式的要求，這里由于篇幅原因就不再贅述。

3.3屈服設(shè)計(jì)載荷下的強(qiáng)度

如果在承受小于設(shè)計(jì)分離載荷，緊固件發(fā)生屈服導(dǎo)致連接分離，或者承受小于設(shè)計(jì)剪切載荷，緊固件發(fā)生屈服導(dǎo)致連接產(chǎn)生破壞性滑移，或者存在其它有害的可導(dǎo)致緊固件屈服的設(shè)計(jì)因素，應(yīng)通過分析確定，在考慮最大預(yù)緊力與屈服設(shè)計(jì)拉伸載荷的情況下，緊固件的總拉伸載荷不超過許用屈服拉伸載荷。

3.4連接分離分析

在最小預(yù)緊力假設(shè)下，連接分離分析應(yīng)表明拉伸載荷作用下螺紋緊固件系統(tǒng)均不會(huì)發(fā)生分離。對(duì)于要保持密封的連接，分析應(yīng)表明在連接中的所有緊固件符合最小預(yù)緊力假設(shè)情況下，連接在設(shè)計(jì)分離載荷下符合密封要求。

4　質(zhì)量保證

標(biāo)準(zhǔn)該部分指定了保證螺紋緊固件系統(tǒng)質(zhì)量的要求。質(zhì)量保證程序主要環(huán)節(jié)包括：內(nèi)部程序和為保證原材料質(zhì)量、緊固系統(tǒng)、工程設(shè)計(jì)、分析、制造、裝配、試驗(yàn)進(jìn)行的控制。主要要求有：應(yīng)創(chuàng)建記載每個(gè)裝配件安裝過程和配置的記錄；應(yīng)對(duì)緊固件裝配人員進(jìn)行質(zhì)量培訓(xùn)；裝配工具和設(shè)備應(yīng)在設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)范圍內(nèi)使用 （量程的20%～90%）；在使用前對(duì)裝配工具和設(shè)備的校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行核查；螺紋緊固件系統(tǒng)在安裝前應(yīng)檢查其零件編號(hào)、清潔度和方向性是否與工程文件一致；不管是機(jī)械鎖緊還是膠粘劑鎖緊，都要對(duì)其鎖緊特性進(jìn)行驗(yàn)證；螺紋緊固系統(tǒng)的采購、接收檢查和儲(chǔ)存應(yīng)滿足NASA有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解和說明

a）NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)航天器用螺紋緊固件提出設(shè)計(jì)和分析方面的具體要求，并通過附錄的形式對(duì)緊固件分析準(zhǔn)則、鎖緊特性（有效力矩型、膠粘劑鎖緊型、自由旋轉(zhuǎn)型）最佳實(shí)踐等進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說明，可以為型號(hào)研制人員在緊固件設(shè)計(jì)和分析方面提供較為系統(tǒng)的指導(dǎo)。

b）從NASA緊固件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) （包括NASASTD-5020）來看，通過力矩法來進(jìn)行緊固件裝配時(shí)，均要考慮到預(yù)緊力散差對(duì)連接可靠性的影響。如NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)中就提到，對(duì)于特定的輸入扭矩，其引起的預(yù)緊力會(huì)有一個(gè)帶有平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布與之對(duì)應(yīng)，最好的辦法是通過試驗(yàn)來摸出其分布情況。

NASA-STD-5020標(biāo)準(zhǔn)篇幅較長(zhǎng)，本文只是對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的整體情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，無法對(duì)其涉及的所有技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行深入的描述和分析。

目前，我國航天行業(yè)緊固件方面的標(biāo)準(zhǔn)多為通用規(guī)范及所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法類標(biāo)準(zhǔn)，或者極少數(shù)選用類、質(zhì)量控制類標(biāo)準(zhǔn)，涉及包含緊固件設(shè)計(jì)、分析方法，且覆蓋面較為全面的標(biāo)準(zhǔn)目前尚未見到。而緊固件設(shè)計(jì)、分析又恰恰是當(dāng)前急需提高和改進(jìn)的內(nèi)容，因此建議盡快參考國外緊固件相關(guān)設(shè)計(jì)、分析方面的標(biāo)準(zhǔn)和文件，并在總結(jié)當(dāng)前航天型號(hào)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，制定我國航天器用螺紋緊固件通用要求標(biāo)準(zhǔn)，固化國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)成果，進(jìn)一步提高航天緊固件的設(shè)計(jì)和分析水平。

［1］Lewis Research Center.NASA-RP-1228，F(xiàn)astener Design Manual［R］.Cleveland，Ohio. 1990.

［2］Glenn Research Center.NASA/TP-1999-206988，NASASpaceMechanismsHandbook［R］. Cleveland，Ohio.1999-07.

［3］National Aeronautics andSpaceAdministration.NASA-STD-5019，F(xiàn)racture Control RequirementsforSpaceflightHardware［S］. Washington DC.2008-01.

［4］National Aeronautics andSpaceAdministration.NASA-STD-6016，StandardMaterials andProcessesRequirementsforSpacecraft ［S］.Washington DC.2008-07.

溫楠 （1982年—），男，碩士/工程師，研究方向：標(biāo)準(zhǔn)件研究開發(fā)與檢測(cè)。