高強度錨桿尾部螺紋斷裂受力分析

程 蓬,鞠文君

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013)

高強度錨桿尾部螺紋斷裂受力分析

程 蓬1,2,3,鞠文君1,2,3

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室 (煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013)

針對高強度高預(yù)緊力錨桿支護技術(shù)在應(yīng)用過程中存在錨桿尾部螺紋脆性斷裂的問題,分析了錨桿螺紋斷裂形式和原因,建立了錨桿尾部螺紋受力模型。根據(jù)斷裂力學(xué)理論,得出裂紋應(yīng)力強度因子大小表達式,并利用 K準(zhǔn)則,計算出在不同軸力和不同角度條件下錨桿發(fā)生斷裂時裂紋臨界尺寸 ac大小,并提出了防止錨桿尾部螺紋脆斷的措施。

錨桿尾部螺紋;受力分析;脆性斷裂

巷道支護是煤炭開采中的一項關(guān)鍵技術(shù),合理、安全、可靠的巷道支護技術(shù)是實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的必備條件。近年隨著錨桿支護技術(shù)的發(fā)展,已逐漸認識到高預(yù)緊力是錨桿發(fā)揮及時主動支護效果的關(guān)鍵。目前錨桿預(yù)緊力的施加方法主要有 2種：直接法,使用專門的中空千斤頂拉伸錨桿到預(yù)定的軸向力,然后擰緊螺母,獲得預(yù)緊力;間接法,通過給螺母施加較大的扭矩,錨桿獲得較大的軸向力。由于直接法施工復(fù)雜,不適合快速支護的需要,目前大多數(shù)均采用間接法施加錨桿預(yù)緊力,錨桿尾部螺紋是錨桿獲得高預(yù)緊力的關(guān)鍵部位。

錨桿桿尾采用螺紋結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特殊,受力復(fù)雜,為桿體的薄弱環(huán)節(jié),實際使用中錨桿多在此處斷裂,見圖 1。錨桿從桿尾螺紋段破斷分 2種形式：一種主要表現(xiàn)為延性斷裂,是由于錨桿過載造成的,是正常的斷裂形式,主要為拉斷,斷口有明顯的徑縮現(xiàn)象,斷口不工整,斷裂前發(fā)生顯著的塑性變形,如圖 1(a)所示;另一種主要表現(xiàn)為脆性斷裂,屬于發(fā)生在屈服應(yīng)力以下的低應(yīng)力脆斷,是一種非正常的斷裂形式,造成錨桿支護體系的失效,桿體強度和延伸率發(fā)揮不出來,造成材料浪費和安全隱患,主要為彎曲斷裂,斷口徑縮不明顯,斷口較工整,斷裂前不產(chǎn)生明顯的塑性變形,如圖1(b)。

1 錨桿螺紋斷裂分析

以往的錨桿支護設(shè)計對錨桿材質(zhì)的選擇主要以錨桿的強度性能為主要參考依據(jù),認為錨桿材質(zhì)的破壞是由于錨桿在載荷的作用下,其材料內(nèi)部的應(yīng)力達到或者超過自身的破壞強度極限之后,才產(chǎn)生了斷裂破壞。這種強度理念以材料為均質(zhì)完整的物體為假設(shè)前提,是一種理想狀態(tài),但是與實際不相符,忽略了錨桿尾部螺紋裂紋的存在對錨桿脆性斷裂的影響。

隨著高強錨桿、強力一次支護技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,高強度錨桿材質(zhì)不斷地開發(fā)出來,但隨著錨桿強度的增加,硬度也不斷增加而塑性逐漸下降,從而使螺紋加工難度增大,對錨桿加工技術(shù)和工藝提出更高的要求,而目前國內(nèi)錨桿螺紋加工技術(shù)和工藝有待提高。

圖1 錨桿尾部螺紋破斷形式

目前國內(nèi)錨桿尾部螺紋普遍存在加工粗糙、不規(guī)范的現(xiàn)象,對錨桿螺紋質(zhì)量的重要性重視不足,錨桿尾部加工的螺紋表面存在明顯的缺陷和損傷,如齒牙剝離、牙底折疊、牙底裂紋與腐蝕等[3],如圖 2。這些缺陷均會造成錨桿螺紋段在外力的作用下裂紋延伸擴展,最終導(dǎo)致錨桿尾部發(fā)生斷裂,造成錨桿支護體系失效。

圖2 錨桿螺紋段缺陷與損傷

2 錨桿螺紋斷裂力學(xué)分析

通過斷裂力學(xué)理論分析錨桿尾部螺紋在外力的作用下裂紋發(fā)生和擴展機理,探討防止錨桿脆斷的途徑。

在斷裂力學(xué)的計算中,研究的模型是裂紋。裂紋尖端前的應(yīng)力、應(yīng)變和形變以一個被稱為 “應(yīng)力強度因子”的單一標(biāo)量來確定。[4]

式中,σ為拉應(yīng)力;Y為裂紋形狀系數(shù);a為裂紋深度。

KⅠ是決定應(yīng)力場強弱的一個復(fù)合力學(xué)參量,可以將其看作推動裂紋擴展的動力,以此建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學(xué)判據(jù),即：當(dāng) KⅠ≥KⅠC(KⅠC稱為材料的平面應(yīng)變斷裂韌度,是材料固有的機械性能參量,表示材料抵抗脆斷能力的實驗量)時,材料裂紋將迅速擴展,導(dǎo)致材料斷裂。

在高強度錨桿的實際使用過程中,錨桿受力模式是非常復(fù)雜的,錨桿在單向應(yīng)力作用下主要有：拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn) 3種情況,在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下錨桿尾部主要表現(xiàn)為拉扭彎、拉扭彎剪等。煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院巷道所通過研究表明,錨桿螺紋段由于受到巷道表面不平整、錨桿施工帶有角度以及托盤和調(diào)心球墊不匹配等原因受到過大的彎曲應(yīng)力,并且根據(jù)井下實取的尾部螺紋斷頭進行的斷口試驗分析表明,錨桿尾部螺紋斷裂的主要受力模型是裂紋在拉彎載荷作用下的應(yīng)力腐蝕斷裂。

由于錨桿表面裂紋擴展屬于圓柱體直前緣表面裂紋,屬于三維裂紋問題,相比二維裂紋問題分析、求解相對比較困難,因此,本文把錨桿簡化成一個有限寬板單邊直裂紋受拉彎復(fù)合應(yīng)力的模型,如圖 3所示,在受力之前錨桿位于圖中的虛線位置,隨著受力不斷施加,由于巷道的不平整等原因,當(dāng)錨桿受力達到一定程度時,錨桿尾部發(fā)生彎曲 (如圖 3實線的位置),在鉆孔孔口處的裂紋截面產(chǎn)生拉力 F和彎矩M。

圖3 錨桿尾部螺紋受力計算模型

計算得出在拉彎組合應(yīng)力條件下,錨桿尾部螺紋裂紋前端的應(yīng)力強度因子大小 KⅠ的表達式：

計算以直徑 25mm的高強度錨桿為例,其錨桿尾部螺紋為M27×3,查 GB/T16823.1-1997關(guān)于M27對應(yīng)的螺紋截面積 AS=459mm2。目前使用的高強度錨桿螺紋鋼的屈服強度σs=600MPa,抗拉強度σb=800MPa,預(yù)緊力α角取平均值 10°,依據(jù)主動支護的理論,預(yù)緊力確定為屈服強度σs的50%,其值應(yīng)為：F=0.5σsAS=0.5×600×459=137700 (N),FX=Ftanα =137700tan10°=24280(N),xB≈30mm代入公式 (2)。

根據(jù)錨桿材料的屈服強度,查得斷裂韌度 KΙC=120MPa·m1/2。

代入斷裂力學(xué)的 K強度準(zhǔn)則：

KΙ≤ KΙC

計算得出在預(yù)緊力為 137kN,角度為 10°時,裂紋臨界尺寸 ac：

同理計算在 137kN時,錨桿受力角度α和裂紋臨界尺寸 ac的關(guān)系經(jīng)過計算統(tǒng)計如表 1所示。

表1 F=137kN時,角度α和裂紋臨界尺寸 ac之間的關(guān)系

在錨桿安裝施加預(yù)緊力之后,在一段時間之內(nèi),即使錨桿所受到的外力載荷不變,裂紋在外介質(zhì)和載荷共同作用下經(jīng)過一段時間的緩慢“亞穩(wěn)”擴展,裂紋深度不斷加深,相應(yīng)的 KⅠ不斷增加,當(dāng)裂紋深度達到 ac時,KⅠ值增加到錨桿材料的KⅠC,裂紋進入快速的失穩(wěn)擴展階段,錨桿發(fā)生突然脆性斷裂。

從表 1可以看出,在同一拉力作用下時,錨桿受力角度大小α與表面裂紋斷裂深度臨界值 ac成反比例關(guān)系,即錨桿受力角度越大,裂紋允許擴展的深度越小,當(dāng)裂紋擴展速度一定時,則錨桿斷裂時間越短。當(dāng)角度超過 40°時,斷裂深度不足0.59mm,對錨桿的受力環(huán)境相當(dāng)不利。

其次,對于同一批錨桿,由于加工工藝相同,其表面裂紋深度為一定值,在同一載荷作用下,此時錨桿裂紋尖端所受到的初始應(yīng)力場強度 KⅠ初也與角度α成正比關(guān)系,此時控制角度也至關(guān)重要,角度大小決定裂紋是否在特定條件下擴展的前提,即滿足 KⅠ初≤KⅠsec時, (KⅠsec應(yīng)力腐蝕門檻值),裂紋在介質(zhì)和力的共同作用下不會擴展。即其他條件相同時,存在一個臨界角度αc,當(dāng)預(yù)緊力角度大于αc時,裂紋腐蝕將會延伸,錨桿將發(fā)生脆性斷裂,反之不會發(fā)生脆斷。

目前煤巷錨桿預(yù)緊力矩主要集中在 400N·m左右,根據(jù)錨桿預(yù)緊力矩和預(yù)緊力之間的換算關(guān)系,錨桿預(yù)緊力約為 70kN,在此基礎(chǔ)上計算預(yù)緊力角度α和裂紋臨界尺寸 ac之間的關(guān)系,見表 2。

表2 F=70kN時,角度α和裂紋臨界尺寸 ac之間的關(guān)系

從表 1、表 2可以發(fā)現(xiàn),錨桿尾部螺紋斷裂臨界尺寸深度 ac受到錨桿所受軸力 F大小及錨桿施工角度α的共同影響,軸力越大,角度越大時,斷裂臨界尺寸越小,錨桿越容易斷裂。由于高預(yù)緊力是錨桿發(fā)揮主動支護效果的前提條件,現(xiàn)場必須嚴格控制錨桿預(yù)緊力角度,防止錨桿在尾部螺紋裂紋擴展,發(fā)生脆性破斷。

3 結(jié)論

(1)錨桿尾部螺紋脆性斷裂是由外因 (應(yīng)力狀態(tài)、安裝角度、載荷環(huán)境等)和內(nèi)因 (材質(zhì)、表面裂紋、內(nèi)在缺陷、加工不良等)共同作用下產(chǎn)生的。

(2)通過斷裂力學(xué)計算得出在拉彎載荷作用下,錨桿尾部螺紋脆性斷裂與軸力大小及角度之間的關(guān)系密切。軸向拉力越大,角度越大,裂紋允許擴展的深度越小,錨桿發(fā)生脆性斷裂傾向越大。

(3)在實際應(yīng)用中 ,盡量消除錨桿受偏載,提高材料材質(zhì)性能,提高錨桿抵抗應(yīng)力腐蝕的能力,防止螺紋脆性斷裂帶來的危害。

(4)必須提高改進錨桿螺紋加工技術(shù)和工藝,提高錨桿螺紋加工質(zhì)量,防止出現(xiàn)加工損傷。

(5)應(yīng)積極探索拉伸方式、安裝錨桿的設(shè)備和工藝,改善錨桿受力狀態(tài)。

[1]鞠文君,康紅普 .我國煤礦巷道錨固新技術(shù) [A].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第七次學(xué)術(shù)大會論文集 [C].2002.

[2]康紅普,王金華 .煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[3]林 健,康紅普 .螺紋鋼樹脂錨桿的研究現(xiàn)狀與趨勢 [J].煤礦開采,2009,14(4)：1-4.

[4]吳擁政 .錨桿桿體的受力狀態(tài)及支護作用研究 [D].北京：煤炭科學(xué)研究總院,2008.

[5]中國航空材料研究院 .應(yīng)力強度因子手冊 [M].北京：科學(xué)出版社,1993.

[6]束德林 .工程材料力學(xué)性能 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2003.

[責(zé)任編輯：林 健 ]

Force Analysis of Worm Breakage of Anchored Bolt with High Strength

CHENG Peng1,2,3,JU Wen-jun1,2,3
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;3.State Key Laboratory of Coal Resources&Environment Protection,China Coal Research Institute,Beijing,100013 China)

In order to solve crisp fracture problem of tail worm of anchored bolt with high strength and high pre-tighten,worm fracture form and cause was analyzed and mechanics model of tail worm of anchored bolt was set up.Based on fracture mechanics theory,stress strength factor expression of fracture was obtained and critical dimension acunder different axial force and different angles was calculated by K Principle.Measure of preventing crisp fracture of tail worm was put forward as well.

tail worm of anchored bolt;force analysis;crisp fracture

O346.1

A

1006-6225(2011)02-0020-03

2010-10-27

國家科技支撐計劃項目 (2008BAB36B07);天地科技股份有限公司投資發(fā)展部公司研發(fā)項目 (TZ-GY-2010-KC-6)。

程 蓬 (1985-),男,安徽宣城人,在讀碩士研究生,主要從事巷道支護研究。