某機(jī)載雷達(dá)螺栓斷裂原因分析*

王 朋

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

引 言

機(jī)載雷達(dá)可靠性試驗(yàn)是對雷達(dá)的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評價(jià)的一種手段，其目的是發(fā)現(xiàn)雷達(dá)在設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝流程上的各種缺陷，改善雷達(dá)的戰(zhàn)備完好性，提高雷達(dá)的工作效率，降低雷達(dá)維修和保障費(fèi)用。對于軍用裝備，可靠性鑒定試驗(yàn)是其必須進(jìn)行的試驗(yàn)[1]。機(jī)載雷達(dá)在工作過程中會受到飛機(jī)起飛、滑行及降落等產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊作用。在隨機(jī)載荷作用下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，寬帶、中高頻隨機(jī)載荷可以激發(fā)結(jié)構(gòu)多數(shù)模態(tài)參與振動(dòng)，在某些頻率上產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞失效[2]。因此，機(jī)載雷達(dá)的安全性和可靠性引起了人們的廣泛關(guān)注[3–4]。

由于機(jī)載雷達(dá)工作環(huán)境復(fù)雜，影響因素較多，對雷達(dá)在長期服役中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞的理論研究還處于起步階段，對振動(dòng)疲勞的破壞機(jī)理還不夠清楚，因此，對振動(dòng)疲勞的研究主要以試驗(yàn)為主[5]。振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及大型振動(dòng)臺日益廣泛的應(yīng)用，為雷達(dá)在各種環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)提供了條件。傳統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)不關(guān)注振動(dòng)正交耦合對被試設(shè)備的影響，而較大的正交耦合效應(yīng)會造成被試設(shè)備過試驗(yàn)，甚至損壞被試設(shè)備[6]。

在某機(jī)載雷達(dá)的可靠性試驗(yàn)中，連接振動(dòng)工裝與被試設(shè)備的螺栓發(fā)生了斷裂。為了分析螺栓斷裂的原因，本文通過對螺栓斷面的宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相分析等驗(yàn)證了螺栓自身的質(zhì)量，通過有限元仿真模擬了機(jī)載雷達(dá)在可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)力分布，找出了螺栓斷裂的原因并提出了改進(jìn)措施。有限元仿真表明改進(jìn)措施可行有效，改進(jìn)后的設(shè)備順利通過了可靠性試驗(yàn)。

1 故障描述

某機(jī)載雷達(dá)為細(xì)長形結(jié)構(gòu)，在可靠性試驗(yàn)中，它通過前后安裝架共6個(gè)單支耳與試驗(yàn)工裝的雙支耳連接。其中中間支耳上安裝1個(gè)螺栓，兩側(cè)支耳上各安裝2個(gè)螺栓，前后安裝架通過10個(gè)螺栓吊掛在可靠性試驗(yàn)工裝上，可靠性試驗(yàn)工裝通過29個(gè)M12螺栓固定在振動(dòng)臺的動(dòng)圈上?？煽啃栽囼?yàn)工裝的外形尺寸如圖1所示。

圖1 可靠性試驗(yàn)工裝

由于可靠性試驗(yàn)振動(dòng)臺的尺寸較小，試驗(yàn)工裝兩側(cè)懸出振動(dòng)臺擴(kuò)展臺面約1/3，使可靠性試驗(yàn)中被試設(shè)備存在明顯的正交耦合效應(yīng)。

該雷達(dá)可靠性試驗(yàn)的總計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為465.3 h，整個(gè)試驗(yàn)剖面在冷天和熱天階段各有4個(gè)振動(dòng)量級，具體振動(dòng)譜型、振動(dòng)量級和施加時(shí)序如圖2所示。

圖2 可靠性試驗(yàn)條件

可靠性試驗(yàn)進(jìn)行18 h后，螺栓發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在螺栓頭部與螺桿交界處，斷裂處無明顯塑性變形。斷裂起源于A處，裂紋擴(kuò)展一段時(shí)間后，最終在B區(qū)域斷裂。在斷裂起源處及裂紋擴(kuò)展區(qū)，斷面與螺栓軸線垂直，最終斷裂區(qū)斷面與螺栓軸線約呈45°角，如圖3所示。

2 螺栓斷裂原因分析

斷裂螺栓為航標(biāo)緊固螺栓（型號為HB1–103–8×48），其制造材料為30CrMnSiA。螺栓經(jīng)淬火和回火后，對其表面進(jìn)行電鍍鋅處理，之后再進(jìn)行除氫處理。螺栓的破壞強(qiáng)度見表1。

表1 螺栓破壞強(qiáng)度值 kN

為了確定螺栓質(zhì)量，對斷裂后的螺栓進(jìn)行理化分析，分析螺栓的化學(xué)元素成分、金相、斷口形貌及材料力學(xué)性能。

螺栓的化學(xué)元素成分分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，該螺栓的主要合金元素符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》GB/T3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對30CrMnSiA鋼的成分要求。

表2 螺栓化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

螺栓的金相分析結(jié)果如圖4所示。組織為回火索氏體，晶粒均勻，未見晶界熔融和晶粒過大現(xiàn)象。

圖4 螺栓金相分析

通過掃描電子顯微鏡觀察斷裂緊固件的斷口。在斷口起始區(qū)，未見緊固件表面缺陷，斷裂機(jī)制為解理斷裂。在斷口終斷區(qū)，斷裂機(jī)制為韌窩，如圖5所示。

圖5 螺栓斷口

分別對用過的螺栓和未用過的螺栓進(jìn)行硬度和拉伸試驗(yàn)。未使用過的螺栓平均硬度（洛氏硬度HRC）為36.2，抗拉強(qiáng)度為1 203 MPa；已使用過的螺栓平均硬度（洛氏硬度HRC）為36.3，抗拉強(qiáng)度為1 193 MPa。兩者的抗拉強(qiáng)度基本相同，硬度和拉伸強(qiáng)度與30CrMnSiA淬火經(jīng)高溫回火狀態(tài)下的力學(xué)性能一致[7]。

通過螺栓理化分析發(fā)現(xiàn)：斷裂螺栓的化學(xué)成分符合30CrMnSiA鋼材的成分要求，其金相組織正常，硬度和抗拉強(qiáng)度與30CrMnSi淬火經(jīng)高溫回火狀態(tài)下的力學(xué)性能一致。在螺栓斷裂開始區(qū)域未發(fā)現(xiàn)其表面有原始缺陷。

在可靠性鑒定試驗(yàn)中，工裝的正交耦合導(dǎo)致C1—C6控制點(diǎn)的差異性較大，其中C3和C6的響應(yīng)較大?，F(xiàn)場工作人員對C3和C6處螺栓施加了額外的預(yù)緊力，其中C3處為3 200 N·cm。

工裝正交耦合導(dǎo)致產(chǎn)品在垂直方向（Y向）試驗(yàn)時(shí)，控制點(diǎn)的航向（X向）響應(yīng)明顯，這相當(dāng)于同時(shí)在垂直向和航向進(jìn)行試驗(yàn)。在50～100 Hz頻率范圍，航向的隨機(jī)功率譜曲線明顯高于垂直向曲線，4個(gè)定頻正弦的峰值加速度與垂直向相當(dāng)。經(jīng)計(jì)算，航向與垂直向的總均方根加速度也相當(dāng)，如圖6所示。

圖6 可靠性鑒定試驗(yàn)中正交耦合情況

正交耦合導(dǎo)致航向振動(dòng)時(shí)螺栓變形，如圖7（a）所示。在航向加速度作用下，該雷達(dá)對安裝支架施加了一定的航向力。安裝支架的單支耳對試驗(yàn)工裝的雙支耳施加一個(gè)明顯的力矩。在該力矩作用下，工裝上的雙支耳彎曲，彎曲的雙支耳發(fā)生交變相對位移，進(jìn)而使螺栓產(chǎn)生交變拉壓應(yīng)力。該交變拉壓應(yīng)力又進(jìn)一步惡化螺栓的受力環(huán)境。

當(dāng)航向耦合振動(dòng)4.41g（3σ），同時(shí)對螺栓施加過大的預(yù)緊力時(shí)，即在螺栓預(yù)緊力和航向耦合振動(dòng)共同作用下，螺栓的應(yīng)力分布如圖7（b）所示。最大應(yīng)力為818.2 MPa，應(yīng)力水平接近材料的屈服應(yīng)力（835 MPa）。在該載荷下螺栓產(chǎn)生疲勞破壞，裂紋從螺栓根部應(yīng)力集中處萌生、擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂。

圖7 螺栓變形云圖和應(yīng)力云圖

3 改進(jìn)方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)理化分析和有限元模擬結(jié)果，螺栓的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求。安裝螺栓時(shí)施加的預(yù)緊力過大，加之振動(dòng)正交耦合效應(yīng)的影響，導(dǎo)致螺栓根部圓角刀槽處形成較大的應(yīng)力集中，是螺栓斷裂的主要原因。

針對問題產(chǎn)生的原因，釋放螺栓預(yù)緊力。當(dāng)僅有航向耦合振動(dòng)4.41g（3σ）、螺栓與工裝雙支耳接觸不緊密時(shí)，螺栓僅受剪力作用。螺栓的應(yīng)力分布如圖8所示，最大應(yīng)力為430 MPa，此時(shí)螺栓的抗剪強(qiáng)度滿足可靠性試驗(yàn)需求。

圖8 僅航向耦合振動(dòng)4.41g（3σ）時(shí)螺栓的應(yīng)力云圖

依據(jù)以上分析結(jié)果，在可靠性試驗(yàn)中不對螺栓施加預(yù)緊力，并采用自鎖螺母安裝固定以防止螺栓脫落。改進(jìn)后，該機(jī)載雷達(dá)順利完成了465.3 h的可靠性試驗(yàn)，且試驗(yàn)結(jié)束后，雷達(dá)設(shè)備正常。

4 結(jié)束語

本文對某機(jī)載雷達(dá)可靠性試驗(yàn)中螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析，并結(jié)合相關(guān)仿真與試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

1）斷裂螺栓的化學(xué)成分符合30CrMnSiA鋼材的成分要求，其金相組織正常，硬度和抗拉強(qiáng)度與30CrMnSiA淬火經(jīng)高溫回火狀態(tài)下的力學(xué)性能一致。

2）螺栓斷裂的主要原因是安裝螺栓時(shí)施加的預(yù)緊力過大，在振動(dòng)工況下螺栓承受交變載荷，加之振動(dòng)正交耦合效應(yīng)的影響，導(dǎo)致螺栓根部圓角刀槽處形成了較大的應(yīng)力集中。

3）文中首次考慮了振動(dòng)正交耦合和螺栓預(yù)緊載荷的共同作用，對振動(dòng)試驗(yàn)中正交耦合不能避免時(shí)螺栓預(yù)緊力的施加具有一定的指導(dǎo)意義。