接觸式楔塊逆止器偏心塊失效原因分析及解決方法

羅資睦

（平頂山平煤設計院有限公司，河南 平頂山 467021）

0 引言

接觸式楔塊逆止器在帶式輸送設備中使用越來越廣泛，特別是在大運量、長運距、大傾角、高運速的帶式輸送設備上。它們對可靠性、靈敏度、自動控制等方面要求更高，遇到意外事故，輸送設備必須安全停機，防止機器倒轉，以免損壞設備或引發嚴重的安全事故。而偏心塊是接觸式楔塊逆止器中重要的一個零件，對是否能可靠的逆止，防止設備倒轉起到關鍵作用。逆止器的偏心塊通常用GGr15 鋼做成，這種偏心塊在使用過程中，處理不當會發生變形、碎裂等失效情況，嚴重時失去逆止作用。

1 受力分析

根據工件的使用工況，及其工件的斷裂形貌和樣式，其受力如圖1 所示。工件材料在受到超過其本身的抗壓強度，材料發生了斷裂。

2 斷口分析

2.1 宏觀斷口分析

圖1 接觸式楔塊逆止器偏心塊受力圖

（1）GCr15 斷裂部件裂紋及發展方向的宏觀形貌分析如圖2 所示。斷口的斷裂面相對較平整，同時正應力方向和裂紋擴展方向垂直，這是典型脆性斷裂的特征，斷口呈灰黑色，斷口沒有明顯的塑性變形，端口起源于直徑約為Φ1.5mm 深度約為7mm 盲孔內壁，此盲孔采用電火花加工成型。其斷裂過程為： ①裂紋首先在直徑為約1.5mm 深度約為7mm 的盲孔內壁兩側處形成，此處即為裂紋源；②在裂紋源附近，斷口沒有塑性變形，這是斷口在受到偶爾的嚴重過載時產生的，這說明裂紋從裂紋源處產生后，快速的擴展；③裂紋源形成之后，隨即發生失穩擴展，直到斷裂，裂紋擴展方向與 “河流狀” 的流向一致，最后的瞬斷區沒有剪切唇，呈明顯的脆性斷裂。

因此，對GCr15 斷裂部件而言，受到到偶爾嚴重的過載后，斷裂裂紋起源于盲孔的內壁；接著迅速擴展，進而發生失穩而斷裂。

圖2 斷口裂紋及發展方向的宏觀形貌分析圖

（2）斷裂部件斷口宏觀理論推斷形貌圖如圖3 所示。根據斷裂部件斷口宏觀理論推斷形貌圖3 斷裂面的斷裂實際分析如下： 斷口的斷裂面與最大壓應力平面對應，斷口呈灰黑色，斷口沒有明顯的塑性變形，端口起源于最大壓應力和側光滑弧面的交線處，斷面有不太明顯的機械擠壓變形，受到偶爾的過載裂紋擴展到盲孔處，應力得到釋放，再受到二次過載時，產生二次裂紋，沿與盲孔軸線約45°的內壁向外迅速擴展，最后發生失穩直到斷裂，其斷裂過程理論推斷如下： ①裂紋首先在壓應力平面和側光滑弧面的交線處形成，此處即為裂紋源；②裂紋形成后沒有馬上擴展，受到偶爾的過載進而發生擴展，此處存在不太明顯的機械擠壓變形；③當裂紋擴展到盲孔處后，應力得到釋放，隨即受到二次過載時，從盲孔內壁約與盲孔軸線呈45°方向發生擴展，此處存在明顯的沿盲孔內壁兩側的裂紋擴展痕跡，介質發生失穩擴展，直到斷裂。

圖3 斷裂部件斷口宏觀理論推斷形貌圖

2.2 微觀斷口分析

GCr15 斷裂部件斷口的微觀形貌，通過對盲孔處和兩應力面的交線處進行金相組織觀察，材料在裂紋源無明顯的脫碳現象，并且沒有油污或者其他淬火介質的污染 （GCr15 一般油淬火），通過分析材料可能是在淬火時產生了微裂紋，或者在淬火后未能及時回火以致應力在盲孔處釋放，微裂紋可能在斷裂工件的兩個盲孔處和兩個應力面相交線處。

3 斷裂原因分析

（1）裂紋起源于盲孔處和兩個高應力交線處，由于盲孔規格尺寸較小，深度較深，相當于為材料添加了若干預制裂紋，同時此盲孔在加工時采用的電火花腐蝕，孔壁的粗糙度較低，由于高碳鋼在淬火時的較大組織應力引起微裂紋，在使用的過程中，偶爾的嚴重過載導致發生斷裂。

（2）工件的兩側弧面由于是在淬火回火后有磨削加工，同時材料淬火后保留了較多的殘余奧氏體，較大磨削容易產生馬氏體相變，在兩側弧面產生較大的應力，同時在使用時，在上下兩個平面產生較大的壓應力，兩向應力狀態下，加之平面和弧面的交線處無圓角過渡，產生倒角效應，在受到偶爾的嚴重過載產生了裂紋，裂紋在擴展的過程中產生遇到盲孔應力得到釋放，但是受到機械擠壓作用，萌生二次裂紋，并與孔軸線呈45°方向發生裂紋的失穩擴展，導致斷裂。

（3）由于工件的材料為GCr15 這種高碳低合金軸承鋼加工成型，此類材料容易引起淬火裂紋，同時工件的尺寸規格較小，淬火的溫度可能偏高，淬火溫度高，碳溶入奧氏體的量增加，Ms 點降低，在淬火是有較多的殘余奧氏體，加之回火不充分，在磨削過程和大應力狀態下會產生馬氏體，容易產生微裂紋，導致材料發生斷裂。

（4）GCr15 材料為高碳低合金軸承鋼，在鍛造的過程中容易產生帶狀組織，在淬火回火后容易產生微裂紋，從而導致材料發生斷裂。

4 解決方法

（1）盲孔的加工采用精度高的超聲波加工，或者復合加工的方法，以提高盲孔內壁的加工粗糙度。

（2）鍛造過程中，采用輕錘快打的鍛造方式（高碳低合金鋼的鍛造特點），控制鍛造后的冷卻方式，避免析出二次網狀滲碳體，同時在預備熱處理熱處理過程中（如球化退火）要充分，確保組織的均勻性。

（3）由于工件的使用工況，只是要求有高的硬度和高的抗偶爾過載能力，不需要高的耐磨性，建議淬火后采用較高的回火溫度，200 ～220℃，調整硬度在58 ～60HRC，以保持高硬度的時候保持較高的韌性，同時回火時間較長點約3h，使過多的殘余奧氏體轉變為馬氏體，降低馬氏體的內應力，但是回火溫度不能超過240℃，避免第一類回火脆性。

（4）工件在淬火溫度上的選擇，建議采用大零件采用高的淬火溫度，小尺寸零件采用較低的淬火溫度，本尺寸試樣宜采用840℃淬火，油冷。

（5）由于工件的平面和兩側的弧面過渡采用的非倒角加工工藝，存在倒角效應，建議采用一定的倒角，以降低應力集中，降低使用時發生斷裂的可能性。

（6）淬火+回火后的磨削完成之后，進行一次附加回火，以確保磨削應力盡可能低。

（7）由于工件在淬火+回火后有機加工的磨削過程，有較大的加工殘余應力，工件在使用一段時間后，拆卸下來做個低溫回火，消除部分殘余應力（條件允許的條件下實現）。

5 結論

通過以上解決方法的采用，接觸式楔塊逆止器偏心塊的使用壽命有了很大的提高。這樣就提高了逆止器的使用壽命，減少了因維修、更換逆止器而耽誤的時間，提高煤礦的生產效率。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2] 梁正強.機械零件設計計算實力例[[M]中國鐵道出版社，1989.