喷气推进
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YT-3发动机爆炸原因分析总结(1)—金属结构
虎哥 2011-12-26 23:24:03
万户一号第一级装备的是YT-3发动机。该发动机试验机共生产四套,工作五次(其中一枚重复工作一次),有二次成功工作的记录,三次失事爆炸的记录。爆炸原因是多方面的,既有燃料燃速超出预期,也包括发动机耐压不达预期。本帖仅分析发动机金属结构的原因。

YT-3发动机为内径50mm,壁厚2.55mm的铝合金管式发动机。两端承压结构用45号钢车制,采用径向螺栓连接,螺栓12颗均匀分布,螺栓规格4mm,丝扣长约2.5扣。

壳体铝合金标称牌号6061,T6。
密度:
屈服强度:
从断口情况看,该铝管的质量不佳,能否达到6061T6的标称强度,有待检验。

破坏情况:

裂口在靠近头部一端最大,破坏最明显。12.18试验,头部完全破坏;10.17试验,头部裂开,承压结构未飞出。两次试验,均在靠近头部的三分之一位置处破坏最大。

查见螺栓连接处有明显滑动或形变。头部见铝管圆孔变形,沿轴向拉成椭圆。尾部(喷管)见喷管承压结构与铝管错动,向外到达螺栓活动极限位置,圆孔轻微变形。

头部承压结构,螺栓孔折弯,部分丝扣破坏或被拉光。

12.18试验发动机的大裂口明显呈不同的两层裂痕,一层光滑,另一层粗糙。另一侧裂口内显示显著瑕疵,瑕疵靠外为断裂痕,靠内为整齐界面,有氧化物附着。综合判断,两处应均为原有瑕疵。

10.17试验,裂口处未发现焊缝,但是裂口最大处有明显拉薄现象,有两处长30mm左右的Y字型断面呈刀口状,外侧有灼热氧化痕迹,内侧有高温形变痕迹,为最初破坏点。发动机爆炸后飞出,撞击发射架,在该处留下切痕,本应具金属光泽,但现已氧化变色,说明爆炸时温度很高,应为高温失稳破坏。两处最初破坏点的Y字形中点距离两端的分别为145mm和143mm,正好位于药柱分段接头处,证明上述判断正确。裂口两端为撕裂状,判断螺栓处系沿大裂口撕裂,不是最初破坏点。未破坏的部分,见一条内外侧均有的痕迹。

计算(拔刀斋):

按6061-T6管材的技术数据,算得该铝合金管的理论破坏压强为25MPa。

按屈服强度数据,得螺栓压强达270MPa时,螺栓处铝合金发生破坏。按此计算该发动机极限耐压为13.7MPa。

当发动机内部压力为13.7MPa时,每个螺栓受剪力为:2252N,约230公斤力,螺栓不会被剪断。

讨论:

发动机设计工作压力为6MPa,指喷管收缩段起始处的压力。实际头部压力应高于6MPa。按工作压力5倍选取耐压值,试验压力应达到30MPa。铝管的理论耐压能力与之接近,而螺栓处成为薄弱点,残骸可见螺栓处破坏较大,也证明了这一点。
如果管材质量尚好,更可能发生的情况是头部剪切飞出,铝管基本完好。事实于此相悖,高度怀疑管材质量问题,从显著瑕疵可以判断,该管材为劣质管材。
发动机点火后温度会上升,铝合金外壳强度会下降。隔热保温措施是否充分,以及工作温度下的强度是否满足要求,均应检验。

结论:
12.18试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、劣质管材。
3、缺少试验项目(水压试验)。

10.17试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、耐热不足。(应为隔热不足,但在金属结构这个角度看,就是耐热不足了)
3、疑为劣质管材。
4、缺少试验项目(水压试验)。

两者皆有
1、第一次试验爆炸后,未彻查原因。
2、装药方式有误。铝管采用分段装药,应当外加隔热层保护分段处,而两次均未加装。

(本帖仅为分析总结的草稿,还会更新)

12.18试验发动机残骸

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2011-12-26 23:26:29
虎哥(作者)
1楼
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10.17试验发动机残骸

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虎哥(作者)
2楼
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发动机喷管,其它试验残骸,头部(10.17)、尾部(12.18)印模。

(注:12.18=10.17,12.06=12.18,因样品分析时对错号,所以记录出错,现已纠正)

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12.06大爆炸残骸(唯中间那个是12.18的),由于爆炸猛烈,只收集到极少量的一点残骸。

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3楼
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借一台液压泵(入门的价格跟一部好点手机差不多)可以用来打压哦20mpa很轻松压到
强烈推荐发射前用水来试压 大流量的泵可以用来射流哦
怀疑螺丝钉孔应力不均 有一个先过载 撕裂口 接下来如同气球被针扎一样
4楼
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计算(拔刀斋):
按6061-T6管材的技术数据,算得该铝合金管的理论破坏压强为9MPa。
按屈服强度数据,得螺栓压强达110MPa时,螺栓处铝合金发生破坏。按此计算该发动机极限耐压为2.5MPa。
=============================================
9MPa是按照圆管耐压公式计算的,材料只承受拉力,6061铝材强度取110MPa。
后面算螺栓处铝合金承受的压强是按堵头受力除以螺栓侧面积,达到110MPa认为发生破坏。
后一个计算没有区分拉压剪应力,实际受力复杂,只是一个很粗略的估算。


照片里管子端部居然被整圈拉下来了……
5楼
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回 3楼(空军一号) 的帖子
做一个钢质“注射器”
用手摇的螺杆(长螺栓)推动小的活塞(用胶圈密封,同发动机两端)进行水压试验是否靠谱?
6楼
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那个会非常累 不好加工
有手动液压泵 用来打压估计不错 可以淘宝看看
其实diy关键是管路与单向阀难搞
7楼
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回 6楼(空军一号) 的帖子
管路不会比液机的管路更难搞,压强接近,没有化学相容性问题。
虎哥(作者)
8楼
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打水压试验有专门的机器,不贵,可以上70MPa。喷口改堵头就可以试验。水压试验应该列为必须进行的标准试验。
9楼
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6061本身就是冷工作合金,不适合高温工作
7075是热工作合金
10楼
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回 7楼(拔刀斋) 的帖子
不会 就是一个打气筒结构 DIY的话各接头活塞对于我挺难搞
手动液压泵用一个杠杆加力 一次出油20ml 灌满一瓶后打压比较省力
一台入门打压手动就几百 可以用挺久 不知道自己搞要花多少钱'''
11楼
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回 7楼(拔刀斋) 的帖子
不会 就是一个打气筒结构 DIY的话各接头活塞对于我挺难搞
手动液压泵用一个杠杆加力 一次出油20ml 灌满一瓶后打压比较省力
一台入门打压手动就几百 可以用挺久 不知道自己搞要花多少钱'''
12楼
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用ehco的计算软件,算得发动机极限耐压25MPa,
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螺丝设计是个大错误,当时也没做核算。应当是爆炸的主要原因。

总结教训
1.按照e与老汉的经验,考虑离散性,发动机耐压需要取10倍余量
2.无论如何不能螺丝固定,必须螺纹。使用螺丝固定,不可能获得足够强度
13楼
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唉!又一个山寨受害者,恭喜买到了焊接无缝铝管*^_^*                         螺栓连接强度绝对没问题具体原因不解释,呵呵
虎哥(作者)
14楼
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引用第13楼xj198398xujing于2011-12-27 00:41发表的  :
螺栓连接强度绝对没问题具体原因不解释,呵呵


求理论依据[s:230]
15楼
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爆的主要的原因是购买的铝管是焊接的,从直线状的轴向断口就能明显的看出,管壁都撕裂了在撕裂两个螺栓之间的那么一点连接是轻轻松松的事情,所以喷管或是堵头才会整个掉下来,具体的只要对比一下全爆开的和只爆了中间的就明白了∩_∩
虎哥(作者)
16楼
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1218试验显然不是从焊缝处裂开的。可能焊缝,但并没有裂开。裂开处未发现焊接痕迹,但明显受拉力变薄,断口呈刀口状。

推测可能有两个原因:

1、确实超过管材冷耐压(可能性很小,因为如果这样,堵头应该先飞)。

2、隔热不良,局部过热失稳。

3、局部瑕疵。

我倾向于第二点。
17楼
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针对铝管经验之谈,叨唠一下。铝管应该没有焊接管,铝管成型工艺忘记了是拉伸还是挤压,如果看到焊缝,应该是拉伸时摩擦的痕迹,误认为是焊缝。其次,9楼提到7075就不要考虑了,7075根本不出这样的管材,除非定制,有号称7075的都是假的。再有就是本次试验所提6061T6,如果是广东采购,尤其是淘宝采购的,很有可能是假货,我在淘宝定过很多次货,做过光谱,均是假货。推荐LY12,我在天津采购的,硬度大于6061T6,低于7075,后来我基本都是用这个材质,表现不俗。敲击有很脆的钢样的声音,残片用大锤很难砸平,且绝对砸不成一个平面。另外,即便是假的6061,耐压也应远超设计的6兆帕,还是应该在燃料问题入手找原因。
18楼
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用手动水压测试是否容易发生危险,如果距离太近爆了破片会刺入人体吧
19楼
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+1  科创币    jrcsh   2011-12-27   高质量发帖, 资料不错
20楼
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引用第18楼ltl于2011-12-27 11:36发表的  :
用手动水压测试是否容易发生危险,如果距离太近爆了破片会刺入人体吧


只要充分排气排气,水压试验很安全!因为水不可压缩不会有多少能量突然释放。

俺见过液压站爆了管,几百个压力也就是一声很响的金属敲击声然后就喷油了。法兰盘从焊接处崩开了。
21楼
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一般的薄壁管工艺都是先把锭展成板, 再把板卷圆挤压焊接成型,直接从锭变成管的只有造高压气瓶的工艺并且壁还不能展的太薄,那样的工艺成本很高,一般买到的号称是无缝的都是这样出来的
要看是否有焊接的痕迹可以把断面抛光镜检一下就知道
呵呵
不过没见到爆炸残骸实物还是不妄下定论
22楼
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为什么只从发动机上找原因,而不从推进剂上找原因?建议采用钢制发动机填表装同样的推进剂反复试车推演几次。
23楼
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以上~~~·讨论 大都没有一个证明的过程, 猜测为多(不要喷我,我也是基本靠猜的)
24楼
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事先设计的时候~~·都是多好,

出事后才有,哪哪哪不对。



             整个项目一直 困扰/围绕大意  

         目前,没犯这个大意问题的只有~~~~··场地考察哪块,其它的人人有份
25楼
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zzz 提供的资料中 我看到了这个图,

我觉得这个结构很不错,与沉默也讨论过这方面,的结构与工艺,

我觉得这个资料在KC上很少见到这样的详细注明,规范的图纸交流,


我刚开始学习机械基础,老师说:虽然在机械界,各国的语言是不通的,但是标准的机械图纸是相通。
26楼
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其实我的版本原来也是有的...
后来因为加工问题精简掉了
喷口有个一层
堵头分两部分,一部分固定在螺丝孔上,另一部分靠上一部分上1排M5螺丝顶住,因为薄壁铝管没法攻丝...  

药柱的细节图如下
是有一个连接环
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2012-1-4 00:31:42
虎哥(作者)
27楼
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2012.1.3

修订部分内容。原样品序号对错,现已改正。
2012-1-5 13:32:27
28楼
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啥时候我也有个金属发动机啊?
2012-1-6 23:39:17
29楼
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整理资料发现螺栓强度计算有误[s:275],更新:

公式: http://jxsj.sdust.edu.cn/wlkj/main/CH03/SEC04/001.htm
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连接形式:铰制孔用螺栓
载荷靠螺杆的剪切以及螺杆和被联接件间的挤压传递。
失效形式① 螺杆受剪面的塑性变形或剪断;
失效形式② 螺杆与被联接件中较弱者的挤压面被压溃。故需同时验算其挤压强度和剪切强度条件:
螺栓为M4 规格8.8级钢螺栓 屈服强度640MPa、抗剪强度448MPa、内牙直径3.2mm
铝管为厚度2.55mm规格6061-T6材质 屈服强度276MPa
铝管首先失效,每个螺孔极限受力2252N
喷管/堵头由12个螺栓紧固、承压面直径50mm
对应燃烧室极限压强13.7MPa,安全系数5.5倍

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盖世豪杰
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