發(fā)射場(chǎng)廠房大門門框聯(lián)接螺柱斷裂分析

王朕，李偉建，王伊蘭，賈立德

（1.海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái)264001；2.63620部隊(duì)，甘肅酒泉732750）

發(fā)射場(chǎng)廠房大門門框聯(lián)接螺柱斷裂分析

王朕1，李偉建2，王伊蘭2，賈立德2

（1.海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺(tái)264001；2.63620部隊(duì)，甘肅酒泉732750）

針對(duì)廠房大門門框與鋼結(jié)構(gòu)立柱聯(lián)接螺柱斷裂的問題，通過斷口形貌觀察、硬度測(cè)試等試驗(yàn)方法對(duì)螺柱斷裂原因進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，螺柱的斷裂模式為塑性斷裂，斷裂螺柱性能比設(shè)計(jì)要求性能低。在此基礎(chǔ)上，從安裝和受力分析的角度進(jìn)一步分析螺柱斷裂的機(jī)理，為發(fā)射場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備重要連接件的檢修檢測(cè)等提供理論指導(dǎo)，防止類似螺栓斷裂問題的發(fā)生。

螺柱；試驗(yàn)分析；塑性斷裂；抗剪計(jì)算

近年來，隨著火箭、衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的增加，發(fā)射場(chǎng)廠房大門開關(guān)頻率明顯增加，廠房大門門框與鋼結(jié)構(gòu)立柱連接螺柱承受突變應(yīng)力頻率也明顯增加，使得螺栓壽命降低，極易發(fā)生斷裂，影響發(fā)射任務(wù)。本文通過斷口形貌觀察、硬度測(cè)試等試驗(yàn)方法，從安裝和受力的角度分析了發(fā)射場(chǎng)廠房大門門框連接螺柱斷裂機(jī)理，為該連接螺柱及其他關(guān)鍵設(shè)備重要連接件的檢測(cè)、維修提供理論指導(dǎo)。發(fā)生螺柱斷裂的發(fā)射場(chǎng)廠房大門門框由8段組成，每段通過螺柱用連接板與土建鋼結(jié)構(gòu)立柱相連接，如圖1所示。從圖中可見，連接板用焊接方式固定在鋼結(jié)構(gòu)立柱上，而門框角鋼與連接板間采用螺柱連接的方式進(jìn)行連接。

圖1　門框與鋼結(jié)構(gòu)立柱間連接結(jié)構(gòu)Fig.1 Connecting structure between doorpost and steel column

該發(fā)射場(chǎng)大門長(zhǎng)期處于干燥、多風(fēng)沙、日照較強(qiáng)的環(huán)境，大門安裝應(yīng)用時(shí)間達(dá)10年之久。在2015年某次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)期間，發(fā)射場(chǎng)發(fā)生了廠房大門門框聯(lián)接螺柱出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，經(jīng)仔細(xì)檢查共有10處螺柱斷裂。該聯(lián)接螺柱型號(hào)為M20×40，材料為35號(hào)鋼，螺母的性能等級(jí)為8級(jí)，根據(jù)GB/T 3098.2和GB/T 3098.4可知，螺柱的性能等級(jí)為8.8級(jí)。圖2為2件斷裂后螺柱試件。

圖2　斷裂螺柱Fig.2 Fracture blot

試驗(yàn)分析是找出螺栓斷裂原因的有效方法［1-6］，本文先采用試驗(yàn)分析的方法對(duì)圖2中2件斷裂螺柱（1#、2#）的斷裂原因進(jìn)行分析，然后通過安裝與受力分析，深入研究螺柱斷裂的機(jī)理，可以通過舉一反三，避免類似問題的發(fā)生，提高發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備的可靠性。

1　試驗(yàn)分析

1.1形貌觀察

將2個(gè)螺柱斷口分別置于掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察。2個(gè)螺柱斷口的微觀形貌基本一致：源區(qū)位于一側(cè)邊緣，為線源開裂，源區(qū)呈磨損形貌，未見明顯的材料缺陷；擴(kuò)展區(qū)呈剪切韌窩形貌；斷口部分區(qū)域存在腐蝕現(xiàn)象；斷口微觀形貌見圖3、4，圖上明顯看出斷口與正應(yīng)力方向垂直，呈纖維狀斷口。以上形貌特征符合塑性斷裂典型特征，表明2個(gè)螺柱的斷裂模式均為塑性斷裂［7-10］。

圖3　1#螺柱斷口微觀形貌Fig.3 Micro-morphology on fracture of the 1# blot

圖4　2#螺柱斷口微觀形貌Fig.4 Micro-morphology on fracture of the 2#blot

1.2顯微硬度測(cè)試

對(duì)2個(gè)試樣分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見表1。2個(gè)螺柱的顯微硬度基本一致。按GB/T 3098.1-2000中要求，螺柱性能等級(jí)為8.8級(jí)所對(duì)應(yīng)的顯微硬度在255～335之間，因而判斷2個(gè)螺柱的顯微硬度均低于設(shè)計(jì)要求，所對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度比設(shè)計(jì)要求低［11-13］。

表1　顯微硬度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Testing result of microscopic stiffness

2　螺柱斷裂機(jī)理分析

2.1安裝狀態(tài)分析

螺柱的安裝狀態(tài)主要考慮兩方面：一是螺柱的預(yù)緊力，二是螺柱在門框角鋼螺栓孔中的相對(duì)位置。在實(shí)際安裝中可能由于各種因素的干擾，導(dǎo)致螺柱的安裝狀態(tài)千差萬別。

為了方便問題的分析，預(yù)緊力取4種情況：①螺柱松動(dòng)或沒有螺母，預(yù)緊力為0；②預(yù)緊力是設(shè)計(jì)值的30%；③預(yù)緊力是設(shè)計(jì)值的60%；④預(yù)緊力等于設(shè)計(jì)值。相對(duì)位置取3種情況，如圖5所示。圖5 a）、c）中，螺柱位于螺栓孔的極限位置，分別與螺栓孔頂部和底部接觸，圖5 b）中，螺柱正確安裝，螺柱位于螺栓孔中心。實(shí)際的安裝位置是一隨機(jī)事件，假設(shè)這一隨機(jī)事件服從正態(tài)分布，并符合3σ原則，即大部分的安裝位置處于圖5 a）、c）兩極限位置之間，而只有0.3%的概率處于圖5中的兩極限位置。對(duì)于單側(cè)門框而言，極限位置個(gè)數(shù)為340×0.3%=1.02，即至少有一個(gè)螺柱位于圖5 a）或圖5 c）的位置。需要指出的是，這里的極限位置不一定是安裝時(shí)造成的，長(zhǎng)期使用后門框相對(duì)連接板的相對(duì)滑動(dòng)也可使臨近極限位置的螺柱達(dá)到極限位置。

圖5　螺柱與螺栓孔相對(duì)位置示意圖Fig.5 Comparative position diagram between screw and blot hole

螺柱的實(shí)際狀態(tài)可認(rèn)為涵蓋在4種預(yù)緊力和3種相對(duì)位置的范圍里。在門框重力作用下，圖5 c）中的安裝位置有利于螺柱與螺栓孔的分離，因而不考慮這種情況。下面著重分析4種預(yù)緊力與2種相對(duì)位置的組合狀態(tài)，并采用簡(jiǎn)記的形式，如“④+（b）型”等。

2.2全部螺柱正確安裝時(shí)螺柱抗剪計(jì)算

從1.2節(jié)中的分析可以看出，實(shí)際安裝的螺柱性能沒有達(dá)到8.8級(jí)螺柱的性能要求，近似相當(dāng)于6.8級(jí)螺柱的性能。在抗剪承載力計(jì)算時(shí)，假設(shè)每個(gè)螺柱均勻受力。單個(gè)高強(qiáng)螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值為

如果螺柱的預(yù)緊力P為設(shè)計(jì)值110 kN，由式（1）得：

根據(jù)均勻受力假設(shè)，每個(gè)螺栓實(shí)際承受剪力為

式（2）中：Nv為一個(gè)螺栓承受的剪力；Gi為門框各段重力；Gm為大門部分重力；Z為承力螺栓總數(shù)。

由式（2）得：

可見，Nv=1.74 kN＜=34.65 kN，即螺柱實(shí)際承受剪力小于抗剪承載力設(shè)計(jì)值，所以該連接滿足強(qiáng)度要求。

如果螺柱的預(yù)緊力按下式計(jì)算：

式（3）中：σs為屈服強(qiáng)度，性能等級(jí)6.8的屈服強(qiáng)度為480 MPa；As為公稱應(yīng)力截面積，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，As=245mm2；系數(shù)取0.5。

因此，在正常使用條件下全部螺柱均勻受力時(shí)，每個(gè)螺柱實(shí)際承受剪力小于抗剪承載力設(shè)計(jì)值，滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生斷裂事故。

2.3部分螺柱未正確安裝時(shí)螺柱抗剪計(jì)算

實(shí)際使用中，由于螺柱安裝狀態(tài)的多樣性，不可能全部正確安裝，導(dǎo)致了任意連接節(jié)點(diǎn)處螺柱實(shí)際受力狀態(tài)的復(fù)雜性，往往是幾種情況的混合狀態(tài)，如不承力、栓桿抗剪或者摩擦抗剪。圖6為一種典型的連接板形式，通過分析圖6中部分螺柱未正確安裝時(shí)，螺柱連接是否仍然安全與可靠。圖6設(shè)定了連接板上4個(gè)螺柱的安裝狀態(tài)，其中Ⅰ號(hào)螺柱為①+（a）型，Ⅱ號(hào)螺柱為②+（b）型，Ⅲ號(hào)螺柱為③+（b）型，Ⅳ號(hào)螺柱為④+（b）型。

圖6　連接板螺柱安裝狀態(tài)Fig.6 Installation state of connected blots

假設(shè)該連接板位于門框1段，并且承受門框1段受力的50%。在重力方向?qū)ζ溥M(jìn)行受力分析，實(shí)際所需摩擦力為F，螺柱預(yù)緊提供的最大摩擦力為Fmax，Ⅰ號(hào)螺柱螺桿剪力為Q，則由力學(xué)平衡有

式（4）中：當(dāng)Fmax＞F時(shí)，Q=0，螺柱提供的摩擦力大于要求的摩擦力，連接安全，Ⅰ號(hào)螺柱螺桿不受剪力；當(dāng)Fmax＜F時(shí)，Q≠0，螺柱提供的摩擦力小于要求的摩擦力，Ⅰ號(hào)螺柱螺桿承受剪力，可能帶來安全隱患。

實(shí)際所需摩擦力：

按螺柱預(yù)緊力，可以達(dá)到的最大摩擦力Fmax為

式（5）中：μ為抗滑移系數(shù)；Pi為每個(gè)螺柱的預(yù)緊力；Kf為可靠性系數(shù)，Kf=1.5。

若P=110 kN，則

由于Fmax=48.77 kN＞F=37.26 kN，可見，連接仍然是安全的，但安全余量變小。

若P按式（3）計(jì)算給出，P=58.8 kN，則：

由于Fmax=26.07 kN＜F=37.26 kN，則Q=F-Fmax=11.19 kN。由式（6）計(jì)算剪切強(qiáng)度：

式（6）中：Fs為工作剪力；ds為受剪面直徑，取為17.296mm。將Q代入式（6）得τ=47.64 MPa，小于8.8級(jí)螺柱的剪切強(qiáng)度461.88 MPa（該值記為τ8.8），也小于6.8級(jí)螺柱的剪切強(qiáng)度346.41 MPa（該值記為τ6.8），不會(huì)發(fā)生剪斷問題。

從以上的分析可知，在部分螺柱未正確安裝時(shí)，只要預(yù)緊力足夠，螺柱連接都是安全的，但在螺柱預(yù)緊力不夠時(shí)，將導(dǎo)致極限位置螺柱的螺桿開始受剪。從式（4）可知，螺柱螺母一旦安裝后，F(xiàn)max為常量，F(xiàn)的任何增量，直接傳遞給Ⅰ號(hào)螺柱，導(dǎo)致其螺桿剪力Q的等量增加，這在一些極端受力情況下，將給結(jié)構(gòu)的安全帶來重大影響［15-17］。

門框在經(jīng)過十多年的使用后，由于各種原因?qū)е铝寺葜菽杆蓜?dòng)，使螺柱的安裝狀態(tài)發(fā)生了變化，門框各段相對(duì)立柱發(fā)生了滑移，導(dǎo)致門框各段間的作用力不能被忽略，底部門框段的螺柱承受2個(gè)或者更多門框段的重量的可能性增大。假設(shè)門框2～8段均有20%的重力傳遞到門框1段，則：

當(dāng)P=110 kN時(shí)，由式（4）、（6）得：

由于τ1＞τ6.8=346.41 MPa，τ2＞τ6.8，該螺柱將斷裂。可見，在螺柱性能不足，安裝狀態(tài)和受力都惡化的情況下，將導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。

3　結(jié)論

通過試驗(yàn)分析和機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，螺柱性能、預(yù)緊力以及額外載荷是這次螺柱斷裂問題的主要影響因素。建議采取全部更換所有門框螺柱，改變升降門扇的停放方式，定期檢測(cè)大門門框相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)立柱的滑移量等措施防止類似問題的發(fā)生，確保螺柱的預(yù)緊力符合安裝要求，最終確保試驗(yàn)任務(wù)的順利實(shí)施。

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Doorpost Blots Fracture Analysis of Door in The Missile-Space

WANG Zhen1，LI Weijian2，WANG Yilan2，JIA Lide2
（1.Department of Control Engineering，NAAU，Yantai Shandong 264001，China；2.The 63620thUnit of PLA，Jiuquan Gansu 735000，China）

To the question of the blots fracture in the doorpost of the satellite launch place，the fracture reasons of blots were analyzed by ways of stiffness testing，morphology observing on fracture surface etc.By experimental analysis，it was showed that the fracture model of blots was plastic fracture and the fracture capacity of blots was inferior to the design capacity.The fracture mechanism of blots was farther analyzed in terms of installing and tolerance.The results offered the theoretical-direction of the detect and maintenance for the blots which belonged to the critical facility，and the similar questions such as fracture of blots were avoided.

blot；experiment analysis；plastic fracture；shear test calculation

V55

A

1673-1522（2016）03-0395-06DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2016.03.017

2016-03-29；

2016-04-28

王朕（1979-），男，講師，碩士。