自從萊特兄弟在1903年發明第一架飛機開始,飛機結構穩固性問題的研究和探討就隨之誕生。除了飛機結構方面的設計優化,飛機緊固件也扮演著重要的角色。
飛機緊固件(航空緊固件,這裡主要說飛機)的作用是將飛機上的各個零部件連接組成一個整體,並保持結構整體的穩固性。螺絲也是飛機緊固件的重要成員之一。
工業之米雖小,地位卻不容小覷
別看螺絲體積小,但其地位卻不容小覷。《紐約時報》曾經發起過一項“人類紀元以來第二個千年的最佳工具”的評選活動,最終螺絲榮登榜首。
螺絲在工業領域被廣泛運用,大到飛船、飛機,小到手機、桌椅,都離不開它的參與,所以又被稱為“工業之米”。
那小小的螺絲在對於飛機來說有多重要呢?根據數據顯示,波音747系列飛機大概共有600多萬個零件,而這些零件中,緊固件的比例就佔了一半。
因為螺絲問題而導致的飛行安全事故也不在少數——
如有專家分析川航3U8633迫降原因之一很可能是因為風擋玻璃螺絲不合格或安裝時用力過猛,而導致風擋玻璃產生裂紋。最後脫落。
1979年5月25日,一班從芝加哥飛往洛杉磯的飛機因飛機維修人員不按流程操作導致螺絲金屬疲勞,最後引起引擎與機翼間掛架斷落,導致273人死亡,是美國歷史上最嚴重的空難事件;
1990年6月10日,英國航空5390航班在從英國伯明翰起飛前往西班牙馬拉加途中,駕駛艙左側風擋玻璃脫落,機長蒂姆上半身被吸出駕駛室,幸好最後飛機成功迫降,機長本人也有驚無險。
2007年8月20日“華航”一架波音737-800型客機在沖繩那霸機場著陸後起火爆炸。經調查發現,飛機在起降時使用的機翼前緣襟翼的內部螺絲出現鬆動,刺穿了機翼內的油箱,燃料從破裂處經前緣襟翼縫隙大量流出,隨後被引擎的高溫引燃。
螺絲在飛機穩固中扮演著重要的角色,那它們是如何在飛機上發揮作用的呢?
螺絲,飛機的安全鈕釦
螺絲作為飛機緊固件之一,將飛機上的眾多零件連接起來組成一個整體,承載在零部件直徑傳遞載荷、協調變形,加固並保持飛機結構的穩定性。
飛機上的螺絲主要包括螺栓和螺釘兩種——
螺栓用來傳遞剪切和拉伸載荷,主要運用於較大集中載荷或者需要拆卸的部位。
螺釘主要運用在非結構性連接、整流罩以及可拆卸面板等非主要受力的結構上。
螺栓包括5種:通用螺栓、頭部鑽孔的發動機螺栓、僅公差螺栓、內六角螺栓和帶槽扁圓頭螺栓。
通用螺栓:一種具有六方頭的螺栓,它廣泛用於飛機結構裝配,能承受拉伸和剪切載荷。
頭部鑽孔的發動機螺栓:加厚的螺栓頭側面開有打保險用的小穿心孔。它與機體螺栓具有相同的拉伸和剪切強度。 多用於發動機或振動環境嚴重的部位。
緊公差螺栓:螺栓光桿段的直徑製造精度比通用型的高,直徑誤差在±0.005英寸(±0.0127mm)之間,又被稱為高精度螺栓。應用於經常受衝擊負荷需要緊密配合的部分。所以螺栓無法鍍鎘,需要做一定的防腐措施。
內六角螺栓:內六角螺栓主要用於承受拉伸和剪切複合應力的部位。在螺栓頭上制有內六方孔,主要是用來插入內六方頭扳手的;採用高強度鋼製造,所以不能用AN螺栓代替內六方螺栓安裝在飛機上。
帶槽扁圓頭螺栓:頭部為圓頭,圓頭上有一字或十字槽,螺桿部分光桿與螺紋杆段之間一般都有一空刀槽。適用於僅承受剪切力而不承受拉伸力的部位,比如操縱系統中作為鉸接點的軸銷。
螺釘根據它的用途可以分為三種:機械螺釘、結構螺釘及自攻螺釘。
機械螺釘:常用在非結構件上,如輕小型機件以及齒輪箱蓋板等鑄鋁件的裝配。螺釘頭端面的螺刀槽與結構螺釘的相同,其杆身為全螺紋杆段,螺紋有粗牙和細牙兩種。
結構螺釘:由合金鋼制成,其拉伸和剪切強度與同尺寸、材質的AN型螺栓相同,該型螺釘具有同尺寸螺栓完全相同的長度,釘杆身有光桿(無螺紋)段,螺紋為NF,螺桿的配合,精度也與AN型六角頭螺栓同級,因此可作為結構螺栓來使用。
自攻螺釘:常用於薄金屬板,塑料板等的緊固。它主要靠自身在裝配孔裡攻絲而緊固的。其頭型有:扁圓頭、100°埋頭、大扁圓頭等。
飛機的螺栓一般搭配預防鬆動的零件,如保險絲、開口銷、保險片、保險螺桿等;還有外螺紋自鎖、低溫自鎖螺帽和高溫自鎖螺帽等。
那飛機上的螺絲又是怎麼擰緊安裝的呢?
人工加固和機器加固兩種方法,但目前出現了各式各樣的自動化螺絲裝配工具或者機器人。但後期的維修檢查還是需要人工完成。
小螺絲上的大差距
飛機上的螺絲(緊固件)和民用螺絲有很多不同,主要是因為它的工作環境和要求更為苛刻——
飛機所用螺絲在衝擊、震動、雨雪、潮溼、高溫、高載荷等等環境下工作。
所以對於飛機螺絲的要求更高,它要可以承受高載荷且穩定,需要有良好的抗腐蝕能力還要保證使用足夠的使用時間。
而且螺絲的狀態會直接影響到飛機的使用安全、使用壽命和航司利潤,所以對於螺絲的選擇向來及其嚴格。
但高端螺絲的生產技術只掌握在比如美國美鋁(Alcoa)公司、美國精鑄(SPS)公司、法國裡斯航天集團(Lisi Hi-shear)公司、美國波音(Boeing)公司等世界上較大的緊固件公司,以及美國Monogram公司、美國賓姆(PennEngineering)公司以及加拿大Interfast公司等專業性較強的公司。
比如咱們的自主國產飛機C919上選擇的幾乎都是進口的緊固件。這樣選擇主要考慮到——
可以實現批量的高精度加工,公差小,表面光滑,同型號基本一致;
材料質量優質;
鍍層質量高,耐腐蝕、高壽命;
這樣才可以確保飛機能夠達到預計的使用壽命,不會提前被市場淘汰。
高端的螺栓生產技術有四個技術特點:耐腐蝕、高強度、公差小和擰緊扭矩一致。其與中低端緊固件的價格也差很多,大約有4到10倍之多。
相關數據統計,我國從英國進口螺栓價格為1噸20718美元,而出口到英國的螺栓價格僅為1噸1840美元。
2017年向世界出口235.57萬噸緊固件,總價值40.19億美元;同年進口26.36萬噸緊固件,總價值25.33億美元。
如此大的利潤就差在螺栓的製作工序中。一個螺栓的成型則要經歷四道程序:採購拉拔—冷鐓成型—搓螺紋—螺栓表面處理。
尤其是在第二、三道程序,高性能的冷鐓機基本掌握在荷蘭、美國、日本以及德國手中;高精度的搓絲機和熱處理技術歐美日也比較領先。這些技術基本處於壟斷的狀態。
其實高端的螺栓甚至是緊固件咱們也能做,所缺的就是足夠的重視以及高精度的批量化生產能力。
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