高强度锚杆尾部螺纹断裂受力分析.docx

高强度锚杆尾部螺纹断裂受力分析蓬 1 , 2 , 3 , 鞠文君 1 , 2 , 3程( 11煤炭科学研究总院 开采设计研究分院 , 北京 100013; 21天地科技股份有限公司 开采设计事业部 , 北京 100013;31煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室 (煤炭科学研究总院 ) , 北京 100013 )摘 要 针对高强度高预紧力锚杆支护技术在应用过程中存在锚杆尾 部螺纹脆性断裂的问题 , 分析了锚杆螺纹断裂形式和原因 , 建立了锚杆尾部螺纹受力模型 。根据断裂力学理论 , 得出裂纹应力强度因子大小表达式 , 并利用 K准则 , 计算出在不同轴力和不同角度条件下锚杆发生断裂时裂纹 临界尺寸 ac大小 , 并提出了防止锚杆尾部螺纹脆断的措施 。关键词 锚杆尾部螺纹 ; 受力分析 ; 脆性断裂中图分类号 O34611文献标识码 A文章编号 100626225 ( 2011) 02 20020 203Force Ana ly s is of W orm Brea ka ge of An chored Bo lt w ith H igh S tren g thCH EN G Peng1 , 2 , 3 , JU W en2jun1 , 2 , 3( 11Coa l M in ing & D esign ing B ranch, Ch ina Coa l R e sea rch In stitu te, B e ijing 100013 , Ch ina;21Coa l M in ing & D e sign ing D ep artm en t, Tiand i Sc ience & Techno logy Co. , L td, B e ijing 100013 , Ch ina;31State Key L abo ra to ry of Coal R esou rces & Environm en t P ro tec tion, Ch ina Coa l R e sea rch In stitu te, B e ijing, 100013 Ch ina)A b stra c t: In o rde r to so lve c risp frac tu re p rob lem of ta il wo rm of ancho red bo lt w ith h igh strength and h igh p re2tigh ten, wo rm frac tu re fo rm and cau se wa s ana lyzed and m echan ic s mode l of ta il wo rm of ancho red bo lt wa s se t up. B a sed on frac tu re m echan ic s theo ry, stre ss strength fac to r exp re ssion of frac tu re wa s ob ta ined and c ritica l d im en sion ac unde r d iffe ren t axia l fo rce and d iffe ren t angle s wa s ca lcu la t2 ed by K P rinc ip le. M ea su re of p reven ting c risp frac tu re of ta il wo rm wa s p u t fo rwa rd a s we ll.Key word s: ta il wo rm of ancho red bo lt; fo rce ana lysis; c risp frac tu re巷道支护是 煤炭 开 采中 的一 项 关键 技术 , 合理 、安全 、可靠的巷道支护技术是实现矿井高产高 效的必备条件 。近年随着锚杆支护技术的发展 , 已逐渐认识到高预紧力是锚杆发挥及时主动支护效果 的关键 。目前锚杆预紧力的施加方法主要有 2 种 :直接法 , 使用专门的中空千斤顶拉伸锚杆到预定的 轴向力 , 然后拧紧螺母 , 获得预紧力 ; 间接法 , 通过给螺母施加较 大的 扭 矩 , 锚 杆获 得较 大 的轴 向 力 。由于直 接法 施工 复 杂 , 不 适合 快速 支 护的 需要 , 目前大多数均采用间接法施加锚杆预紧力 , 锚 杆尾部螺纹是锚杆获得高预紧力的关键部位 。锚杆杆尾采 用 螺 纹 结 构 , 结 构 特 殊 , 受 力 复 杂 , 为杆体的薄弱环节 , 实际使用中锚杆多在此处 断裂 , 见图 1。锚 杆 从 杆 尾 螺 纹 段 破 断 分 2 种 形式 : 一种主要表现为延性断裂 , 是由于锚杆过载造成的 , 是正常的断裂形式 , 主要为拉断 , 断口有明 显的径缩现象 , 断口不工整 , 断裂前发生显著的塑 性变形 , 如图 1 ( a ) 所示 ; 另一种主要表现为脆性断裂 , 属于发生在屈服应力以下的低应力脆断 ,是一种非正常的断裂形式 , 造成锚杆支护体系的失效 , 杆体强度和延伸率发挥不出来 , 造成材料浪费和安全隐患 , 主要为弯曲断裂 , 断口径缩不明显 ,断口较工 整 , 断 裂 前不 产生 明显 的 塑性 变形 , 如 图 1 ( b) 。1 锚杆螺纹断裂分析以往的锚杆支护设计对锚杆材质的选择主要以锚杆的强度性能为主要参考依据 , 认为锚杆材质的 破坏是由于锚杆在载荷的作用下 , 其材料内部的应力达到或者超过自身的破坏强度极限之后 , 才产生 了断裂破坏 。这种强度理念以材料为均质完整的物体为假设前提 , 是一种理想状态 , 但是与实际不相 符 , 忽略了锚杆尾部螺纹裂纹的存在对锚杆脆性断 裂的影响 。随着高强锚杆 、强力一次支护技术的发展和应用 , 高强度锚杆材质不断地开发出来 , 但随着锚杆 强度的增加 , 硬度也不断增加而塑性逐渐下降 , 从 而使螺纹加工难度增大 , 对锚杆加工技术和工艺提出更高的要求 , 而目前国内锚杆螺纹加工技术和工 艺有待提高 。收稿日期 2010 - 10 - 27基金项目 国家科技支撑计划项目 ( 2008BAB36B07 ) ; 天地科技股份有限公司投资发展部公司研发项目 ( TZ - GY - 2010 - KC - 6 ) 。作者简介 程 蓬 ( 1985 - ) , 男 , 安徽宣城人 , 在读硕士研究生 , 主要从事巷道支护研究 。20程 蓬等 : 高强度锚杆尾部螺纹断裂受力分析2011年第 2期作用下裂纹发生和扩展机理 , 探讨防止锚杆脆断的途径 。在断裂力学的计算中 , 研究的模型是裂纹 。裂 纹尖端前的应力 、应变和形变以一个被称 为 “应 力强度因子 ”的单一标量来确定 。 4 K = Y a( 1 )式中 , 为拉应力 ; Y 为裂纹形状系数 ; a 为裂纹深度 。K是决 定 应 力 场 强 弱 的 一 个 复 合 力 学 参 量 , 可以将其看作推动裂纹扩展的动力 , 以此建立裂纹 失稳扩展的力学 判 据 , 即 : 当 K K C ( K C 称为材料的平面应变断裂韧度 , 是材料固有的机械性 能参量 , 表 示 材 料 抵 抗 脆 断 能 力 的 实 验 量 ) 时 , 材料裂纹将迅速扩展 , 导致材料断裂 。在高强度锚杆的实际使用过程中 , 锚杆受力模 式是非常复杂的 , 锚杆在单向应力作用下主要有 :拉伸 、弯曲 、扭转 3种情况 , 在复合应力状态下锚 杆尾部主要表现为拉扭弯 、拉扭弯剪等 。煤炭科学 研究总院开采研究分院巷道所通过研究表明 , 锚杆 螺纹段由于受到巷道表面不平整 、锚杆施工带有角 度以及托盘和调心球垫不匹配等原因受到过大的弯曲应力 , 并且根据井下实取的尾部螺纹断头进行的 断口试验分析表明 , 锚杆尾部螺纹断裂的主要受力 模型是裂纹在拉弯载荷作用下的应力腐蚀断裂 。由于锚杆表面裂纹扩展属于圆柱体直前缘表面 裂纹 , 属于 三维 裂 纹问 题 , 相 比二 维 裂纹 问题 分析 、求解相对比较困难 , 因此 , 本文把锚杆简化成 一个有限宽板单边直裂纹受拉弯复合应力的模型 , 如图 3 所示 , 在受 力之 前 锚杆 位于 图 中的 虚线 位 置 , 随着受 力不 断 施加 , 由于 巷道 的 不平 整等 原 因 , 当锚杆受力达到一定程度时 , 锚杆尾部发生弯曲 (如图 3实线的位置 ) , 在钻孔孔口处的裂纹截 面产生拉力 F 和弯矩 M 。( a) 延性断裂( b) 脆性断裂图 1 锚杆尾部螺纹破断形式目前国内锚杆尾部螺纹普遍存在加工粗糙 、不规范的现象 , 对锚杆螺纹质量的重要性重视不足 , 锚杆尾部加工的螺纹表面存在明显的缺陷和损伤 , 如齿牙 剥 离 、牙 底 折 叠 、牙 底 裂 纹 与 腐 蚀 等 3 ,如图 2。这些缺陷均会造成锚杆螺纹段在外力的作 用下裂纹延伸扩展 , 最终导致锚杆尾部发生断裂 , 造成锚杆支护体系失效 。F 预紧力 ; FX 预紧力的水平分量 ;图 2 锚杆螺纹段缺陷与损伤锚杆受力角度 ; a裂纹深度 ; x 弯曲长度 ;BD 杆体直径 ; AB 截面 孔口位置图 3 锚杆尾部螺纹受力计算模型计算得出在拉弯组合应力条件下 , 锚杆尾部螺212 锚杆螺纹断裂力学分析通过断裂力学理论分析锚杆尾部螺纹在外力的总第 99期煤矿开 采2011年第 2期纹裂纹前端的应力强度因子大小K的表达式 :然脆性断裂 。从表 1可以看出 , 在同一拉力作用下时 , 锚杆 受力角度大小 与表面裂纹断裂深度临界值 ac成 反比例关系 , 即锚杆受力角度越大 , 裂纹允许扩展 的深度越小 , 当裂纹扩展速度一定时 , 则锚杆断裂 时间 越 短 。当 角 度 超 过 40 时 , 断 裂 深 度 不 足0159mm , 对锚杆的受力环境相当不利 。其次 , 对于同一批锚杆 , 由于加工工艺相同 , 其表面裂纹深度为一定值 , 在同一载荷作用下 , 此 时锚杆裂纹尖端所受到的初始应力场强度 K初 也 与角度 成正比关系 , 此时控制角度也至关重要 , 角度大小决定裂纹是否在特定条件下扩展的前提 ,aaK = a f+a g( 2 )MDDa )式中 , 为 拉 应 力 , 修 正 系 数 f (= 1112 -3+ 30139D20123 ( a )( a )( a )+ 10155+ 21172DDD432 FX= x( a ); 为弯曲应力 , , 修正系数MMBD3D2g ( a )= 11122 - 1140 ( a ) + 7133 ( a )+ 13108DDD34( a )+ 1140 ( a ) 。DD( K sec应力腐蚀门槛值 ) ,计算以直径 25mm 的高强度锚杆为例 , 其锚杆尾部螺纹为 M 27 3 , 查 GB / T1682311 - 1997 关于即满足K初 K sec时 ,裂纹在介质和力的共同作用下不会扩展 。即其他条件相同时 , 存在一个临界角度 c , 当预紧力角度 大于 c时 , 裂纹腐蚀将会延伸 , 锚杆将发生脆性 断裂 , 反之不会发生脆断 。目前煤巷锚杆预紧力 矩主 要 集中 在 400N m 左右 , 根据锚杆预 紧力 矩 和预 紧力 之 间的 换算 关 系 , 锚杆预紧力约为 70 kN , 在此基础上计算预紧 力角度 和裂纹临界尺寸 ac之间的关系 , 见表 2。表 2 F = 70 kN 时 , 角度 和裂纹临界尺寸 ac之间的关系2M 27 对应的螺纹截面积 AS = 459mm 。目前使用的高强度锚杆螺纹钢的屈服强度 s = 600M Pa,抗拉强度 b = 800M Pa, 预紧力 角取平均值 10 , 依据主动支护的理论 , 预紧力确定为屈服强度 s的50 % , 其值应 为 := 137700 ( N ) ,F = 015s ASFX = F tan= 015 600 459= 137700 tan10 =24280 (N ) , xB 30mm 代入公式 ( 2 ) 。根据锚杆材料的屈服强度 ,= 120M Pam1 / 2 。查得断裂韧度KC角度/ ( )15101520253040 50代入断裂力学的K KCK强度准则 :裂纹深度8185 7177 6166 5168 4179 3195 3115 1183 0196 ac /mm aaa fa g300+=MDD从表 1、表 2可以发现 , 锚杆尾部螺纹断裂临界尺寸深度 ac受到锚杆所受轴力 F 大小及锚杆施 工角 度 的 共 同 影 响 , 轴 力 越 大 , 角 度 越 大 时 , 断裂临界尺寸越小 , 锚杆越容易断裂 。由于高预紧 力是锚杆发挥主动支护效果的前提条件 , 现场必须 严格控制锚杆预紧力角度 , 防止锚杆在尾部螺纹裂纹扩展 , 发生脆性破断 。aaa f + 47418a g 120DD计算 得 出在 预紧 力 为 137 kN ,裂纹临界尺寸 ac :ac 4139mm角 度 为10 时 ,同理计算在 137 kN 时 , 锚杆受力角度 和裂纹临界尺寸 ac的关系经过计算统计如表 1所示 。表 1 F = 137kN 时 , 角度 和裂纹临界尺寸 ac之间的关系3 结论角度/ ( )( 1 ) 锚杆尾部螺纹脆性断裂是由外因 (应力状态 、安 装 角 度 、载 荷 环 境 等 ) 和 内 因(材 质 、 表面裂纹 、内在缺陷 、加工不 良 等 ) 共同 作用 下产生的 。( 2 ) 通过断裂力学计算得出在拉弯载荷作用 下 , 锚杆尾部螺纹脆性断裂与轴力大小及角度之间 的关系密切 。轴向拉力越大 , 角度越大 , 裂纹允许 扩展的深度越小 , 锚杆发生脆性断裂倾向越大 。( 3 ) 在 实 际 应 用 中 , 尽 量 消 除 锚 杆 受 偏 载 , (下转 90页 )15101520253040裂纹深度ac /mm6187516841393127213311631114 0159在锚杆 安装 施 加预 紧力 之 后 , 在 一 段 时 间 之内 , 即使锚杆所受到的外力载荷不变 , 裂纹在外介 质和载荷共同作用下经过一段时间的缓慢 “亚稳 ”扩展 , 裂纹 深度 不断 加 深 , 相 应的 K不断 增加 ,当裂纹 深 度 达 到 ac 时 , K 值 增 加 到 锚 杆 材 料 的K C , 裂纹进入快速的失稳扩展阶段 , 锚杆发生突22总第 99期煤矿开 采2011年第 2期滚刀的使用寿命 。双金属复合材料冶金离心铸造工艺取代了传统滚刀制造工艺 , 不仅可创造良好的经 济效益 , 也为钻井法的推广和应用提供了很好的发 展前景 。( 2 ) 新型密封组合结构很好地保护了楔齿滚 刀内部结构的完整性 , 使主轴 、轴承等零部件得到了充分的润滑和清洁的环境 , 从而保证了刀轴内部 结构与破岩刀齿部分寿命的同步 , 减少了因更换滚 刀引起的工期拖延 、材料费增加等不利因素 , 为深 井钻井作业奠定了基础 。1 轴承套 ; 2 L 型支架 ;3 O 型补偿密封圈 ; 4 螺纹套 ; 5 压盖图 3 辅助密封组合结构放大 着柔性支撑环的磨损加剧 , 其内部的 “O ”型圈将 会在弹性变形内补偿其压力损失 , 以形成良好的外 部密封结构 。在此期间 , 金属浮封环和轴承套之间 的研合面经过实际工作环境中的润滑和磨合 , 克服 制造精度带来的不稳定性 , 即可达到滚刀设计耐压 密封要求 。可使得楔齿滚刀在钻进工作后期 , 尤其在辅助密封组合磨损失效的情况下仍能够保持滚刀 的密封效果 , 从而延长滚刀的工作寿命 。参考文献 1 洪伯潜 1 我国深井快速建井综合技术 J 1 煤炭科学技术 ,2006 ( 1 ) : 8 - 111 2 张永成 , 孙 杰 , 王安山 1 钻井技术 M 1 北京 : 煤炭工业 出版社 , 20081 3 武士杰 , 王 强 , 吴 昊 , 等 1 破岩滚刀密封失效原因分析 与防治 J 1 中国矿业 , 2008 ( 11 ) 1 4 杜成林 , 孔凡让 , 胡永乐 1 硬岩钻井滚刀密封结构改进技术研究 J 1 现代制造工程 , 2010 ( 4 ) : 107 - 1101 5 夏鹏举 , 阎竹 梅 , 等 1 离 心 铸 造 高 铸 铁 复 合 轧 辊 试 验 研 究 J 1 铸造技术 , 2007 ( 6 ) 1 6 李继祥 1 耐磨合金滚刀壳的生产工艺 J 1 淮北职业技术学 院报 , 2005 ( 3 ) : 94 - 951 7 张国赏 , 高义民 , 刑建东 , 等 1 钢 /铁双金属复合材料的离心 铸造工艺及界面控制 J 1 西安交通大学学报 , 2006 ( 7 ) 1 责任编辑 : 王兴库 4 结论( 1 ) 以高强度耐磨性复合材料为基体的楔齿破岩滚刀 , 不仅提高了滚刀的耐磨性能 , 同时增加 了滚刀体内部的韧性与可加工性 , 有效延长了楔齿(上接 22页 )提高材料材质性 能 , 提 高锚 杆 抵抗 应力 腐 蚀的 能 力 , 防止螺纹脆性断裂带来的危害 。( 4 ) 必须提高改进锚杆螺纹加工技术和工艺 ,提高锚杆螺纹加工质量 , 防止出现加工损伤 。( 5 ) 应积极 探索 拉 伸方 式 、安 装锚 杆 的设 备 和工艺 , 改善锚杆受力状态 。参考文献 力学与工程学会第七次学术大会论文集 C 120021 2 康红普 , 王金华 1 煤巷锚杆支护理论与成套技术 M 1 北 京 : 煤炭工业出版社 , 20071 3 林 健 , 康红普 1 螺纹钢树脂锚杆的研究现状与趋势 J 1煤矿开采 , 2009 , 14 ( 4 ) : 1 - 41 4 吴拥政 1 锚杆杆体的受力状态及支护作用研究 D 1 北京 :煤炭科学研究总院 , 20081 5 中国航空材料研究院 1 应力强度因子手册 M 1 北京 : 科学 出版社 , 19931 6 束德