自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂失效原因分析與對策

施鴻均

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062）

自動扶梯的驅(qū)動鏈是重要的傳動部件之一，由驅(qū)動主機帶動運轉(zhuǎn)，通過連接的主驅(qū)動輪帶動自動扶梯的梯級做周而復(fù)始的運動，達到連續(xù)運送乘客的目的。通常自動扶梯配備的驅(qū)動鏈有多種規(guī)格[1]，既有單排鏈滾子鏈、雙排滾子鏈，也有三排滾子鏈，一旦該鏈條斷裂失效，則自動扶梯的驅(qū)動主機和主驅(qū)動輪之間的連接將被斷開，則自動扶梯的梯級將會在乘坐自動扶梯的乘客的重力作用下發(fā)生逆轉(zhuǎn)，或稱“倒溜”，進而可能引發(fā)乘客群死群傷事故[2]。為此，有必要研究自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂失效的直接原因，以預(yù)防類似事件發(fā)生。

1 驅(qū)動鏈斷裂概況

某市地鐵站一臺自動扶梯在運行過程中，因驅(qū)動鏈斷裂失效導(dǎo)致自動扶梯倒溜而引發(fā)傷害事故。該自動扶梯驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由梯級、梯級鏈、主驅(qū)動輪、驅(qū)動鏈、驅(qū)動鏈斷鏈保護裝置、驅(qū)動主機、附件制動器等組成[3]。正常運行時，由驅(qū)動主機通過驅(qū)動鏈帶動主驅(qū)動輪，使梯級在上下驅(qū)動、轉(zhuǎn)向站內(nèi)往復(fù)循環(huán)[4]。若驅(qū)動鏈斷裂失效，相應(yīng)斷鏈保護裝置和功能未能使自動扶梯停止運行，則自動扶梯將會倒溜[5]。將斷裂的驅(qū)動鏈拆卸下來，見圖2，該自動扶梯的驅(qū)動鏈為雙排滾子鏈，鏈號為20A-2，節(jié)距為31.75 mm，最寬約為83.2 mm（銷軸長），發(fā)生斷裂的位置在驅(qū)動鏈鏈板上，如圖2中紅色箭頭所指方向。

圖1 事故扶梯驅(qū)動站結(jié)構(gòu)

圖2 斷裂的驅(qū)動鏈

2 驅(qū)動鏈斷裂原因分析

為了進一步分析研究該自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂失效原因，本文對驅(qū)動鏈斷口進行了宏觀檢測、掃描電鏡微觀分析、金相分析、硬度測試與化學(xué)成分分析。具體如下：

2.1 斷口宏觀檢測

將斷裂的復(fù)合過渡節(jié)鏈板拆卸、拼合后，形貌見圖3，可見4片過渡鏈板的形狀相同，厚約3.9 mm，腰部直通狀，寬約30 mm，均有2個相同的彎折角；4片過渡鏈板的斷裂均沿弧形彎折角的轉(zhuǎn)角分布，見圖3中箭頭所指。為便于檢測分析，按照圖3中斷口順序依次編寫號碼，分別為斷口#1～斷口#4。

圖3 斷口拼接形貌

4片過渡鏈板的斷口宏觀形貌見圖4，4個斷口均呈銀灰色，均有粗細不同區(qū)域，各斷口上的斷裂推進花紋均呈現(xiàn)開裂由折彎轉(zhuǎn)角表面起始向內(nèi)擴展，見箭頭所指。其中，#4斷口右側(cè)邊緣可見均布的向內(nèi)推進條紋及小臺階，未見前面3個斷口上的粗糙區(qū)域，則表明在相對最小應(yīng)力下斷裂，由此推斷該斷口先期斷裂。為此，本文僅選取鏈板斷口#4進行相關(guān)的失效分析。

圖4 斷口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析

#4復(fù)合過渡節(jié)鏈板斷口見圖5，斷口置掃描電鏡下進行微觀分析，該斷口轉(zhuǎn)角起始區(qū)域，低倍下形貌見圖6，圖下側(cè)為轉(zhuǎn)角加工表面；圖上側(cè)為斷面，其邊緣有多個臺階，與裂紋多源啟動相關(guān)。

圖5 斷口#4

圖6 #4鏈板斷口起始區(qū)域低倍下形貌（SEI）

高倍下形貌見圖7，可見邊緣加工表面一側(cè)有多條裂紋，表明開裂與轉(zhuǎn)角加工面狀況相關(guān)；斷面上呈現(xiàn)準解理花樣，并可見向上（內(nèi)）推進的形態(tài)。在斷口的終斷區(qū)，可見韌窩花樣，這與瞬間過載斷裂相關(guān)，見圖8。

圖7 #4鏈板斷口起始邊緣區(qū)高倍下形貌（SEI）

圖8 #4鏈板斷口終斷區(qū)形貌（SEI）

斷口的掃描電鏡分析可見，該驅(qū)動鏈的過渡鏈板斷裂均為疲勞斷裂，且為與應(yīng)力集中相關(guān)的多源啟動的疲勞斷裂。同時，由部分過渡鏈板折彎轉(zhuǎn)角區(qū)域發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象可推斷，過渡鏈板折彎轉(zhuǎn)角在運行中有明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)。

2.3 金相分析

取#4復(fù)合過渡節(jié)鏈板斷口為試樣，該試樣相應(yīng)截面低倍下形貌見圖9，圖上右側(cè)為斷面，其左側(cè)為起始區(qū)，斷面呈盆形，起伏不大，表明在相對較大應(yīng)力下斷裂，其右側(cè)斜向平齊，與終斷撕裂相關(guān)。

圖9 #4 鏈板斷口中部法向截面低倍下形貌

該斷口起始區(qū)組織分布形貌見圖10，圖左側(cè)為斷口下方的外表面，有明顯的脫碳現(xiàn)象，組織為鐵素體+少量索氏體；圖上側(cè)為斷面，未見氧化及異常脫碳現(xiàn)象。斷口下方的外表層可見斜向裂紋，長約0.05 mm，金相法測得貧脫碳層深約94 μm，其中全脫碳層達60 μm，見圖11。局部表面表層組織形貌見圖12，可見貧脫碳層較深，深度約達136 μm。

圖10 #4鏈板斷口起始區(qū)組織分布形貌

圖11 #4鏈板斷口起始區(qū)下方表層組織分布形貌

圖12 #4鏈板局部表面表層組織形貌

在另一側(cè)彎折區(qū)，其組織分布形貌見圖13，圖右側(cè)為轉(zhuǎn)角表面，可見有1條裂紋分布，深約0.25 mm，表層有脫碳現(xiàn)象。裂紋近表層區(qū)域組織形貌見圖14，可見裂紋由2條細小裂紋匯集成1條，向內(nèi)部穿晶擴展。

圖13 #4 鏈板另一側(cè)彎折（轉(zhuǎn)角）區(qū)裂紋分布形貌

圖14 #4 鏈板另一側(cè)彎折區(qū)裂紋及表層形貌

外周表面表層組織分布形貌見圖15，圖上側(cè)為外表面，表層組織為鐵素體，次表層組織為鐵素體+少量索氏體；金相法測得貧脫碳層深度約達120 μm。心部基體組織為保持馬氏體位向的索氏體+少量趨網(wǎng)分布的鐵素體，見圖16。

圖15 #4 鏈板外周表層組織分布形貌

圖16 #4 鏈板基體組織形貌

為了便于比較，對未斷鏈板也進行了金相分析，在其腰部法向截面上近表組織分布形貌見圖17，圖上側(cè)的外表層組織為索氏體+鐵素體，部分鐵素體趨網(wǎng)分布；金相法測得貧脫碳層深度約達100 μm。心部組織為保持馬氏體位向的索氏體+少量貝氏體+極少量鐵素體，見圖18。

圖17 未斷鏈板表層脫碳形貌

圖18 未斷鏈板基體組織形貌

金相分析結(jié)果表明，該驅(qū)動鏈的過渡鏈板斷裂區(qū)域未見會導(dǎo)致開裂的異常夾雜物；該驅(qū)動鏈的鏈板均有不同程度的表面脫碳現(xiàn)象，而表面脫碳層明顯深于鏈板彎曲部分的沖剪加工面，即脫碳發(fā)生在熱處理過程中，表明在機加工之前鏈板原材料已存在脫碳現(xiàn)象。部分鏈板單面脫碳深度約達板厚的3.5%，而表面脫碳會降低鏈板的表面疲勞強度[6]。

2.4 硬度測定

在未斷鏈板、#4斷鏈板試樣的截面上心部、近表面分別測定了相應(yīng)的維氏硬度，結(jié)果見表1。

表1 相關(guān)試樣截面上維氏硬度值HV1

在4件斷裂試樣及1 件未斷裂試樣的外表面測定洛氏硬度，結(jié)果見表2。

表2 樣品外表面上洛氏硬度值 HRC

上述硬度測試結(jié)果表明，未斷鏈板、#4斷鏈板試樣的心部硬度相對比較均衡，且心部硬度要明顯高于近表面的硬度，未斷鏈板近表面的硬度要高于#4斷鏈板的硬度。鑒于金相分析中部分鏈板單面脫碳深度約達板厚的3.5%，顯然表面脫碳會降低鏈板的表面硬度，進而影響鏈板材料表面的疲勞強度。

2.5 化學(xué)成分分析

在#4斷裂件及1件未斷裂試樣上取樣，進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。

表3 部分鏈板樣品化學(xué)成分分析結(jié)果wt%

由化學(xué)分析結(jié)果可知，對照GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]，來樣驅(qū)動鏈中抽檢的鏈板材質(zhì)相當于40Mn。

3 結(jié)論與對策

經(jīng)上述分析，本文得出以下結(jié)論：

1）金相分析及掃描電鏡分析可看到，事故自動扶梯驅(qū)動鏈的過渡鏈板斷裂區(qū)域未見會導(dǎo)致開裂的異常夾雜物，驅(qū)動鏈鏈板材質(zhì)相當于40Mn。

2）鏈板斷口的宏觀及微觀分析表明，驅(qū)動鏈的過渡鏈板斷裂均為疲勞斷裂，且為與應(yīng)力集中相關(guān)的多源啟動的疲勞斷裂，過渡鏈板折彎轉(zhuǎn)角在運行中有明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)。

3）鏈板金相分析及硬度測定結(jié)果可見，該驅(qū)動鏈中鏈板均有不同程度的表面脫碳現(xiàn)象，脫碳主要發(fā)生在熱處理過程中，表面脫碳明顯降低了鏈板表面硬度，進而導(dǎo)致表面疲勞強度下降。

綜上所述，該驅(qū)動鏈采用的復(fù)合過渡鏈板在機加工和使用過程中折彎轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中效應(yīng)引起了鏈板的疲勞斷裂，鏈板原材料表面因熱處理不當致使表層脫碳較為嚴重，明顯降低了鏈板的疲勞強度，加速了疲勞斷裂的發(fā)生，這是導(dǎo)致該自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂失效的直接原因。

依據(jù)上述自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂失效原因，結(jié)合國家相關(guān)標準和自動扶梯使用實際情況，提出如下對策：

1）依據(jù)GB/T 1243—2006《傳動用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》中3.6條“對于重載系列的鏈條或承受高應(yīng)力載荷的鏈條不應(yīng)使用過渡節(jié)。過渡節(jié)將降低鏈條的使用性能。”[8]該自動扶梯使用場所為地鐵公共交通場所，應(yīng)配置公共交通型自動扶梯，應(yīng)當采用重載系列的鏈條或能夠承受較大載荷的驅(qū)動鏈。然而，該自動扶梯的驅(qū)動鏈采用單節(jié)復(fù)合過渡鏈接結(jié)構(gòu)，顯然在過渡節(jié)的選用上，既與實際工況及載荷不相適應(yīng)，也不符合國家相關(guān)標準要求。建議公共交通型自動扶梯以及大載荷使用場所自動扶梯的驅(qū)動鏈不宜采用單節(jié)復(fù)合過渡鏈接結(jié)構(gòu)。

2）對于組成自動扶梯驅(qū)動鏈的相關(guān)零件材料，應(yīng)當選擇合適的熱處理工藝，以避免零件材料表面脫碳而導(dǎo)致疲勞強度下降的現(xiàn)象。

3）改進驅(qū)動鏈鏈板機械加工工藝和裝配工藝，以避免因應(yīng)力集中效應(yīng)而產(chǎn)生潛在的裂紋源；同時，應(yīng)結(jié)合自動扶梯驅(qū)動鏈的設(shè)計使用壽命和真實的使用工況選取合適的鏈條潤滑周期[1]，加強定期檢查與維護[9]，從而降低驅(qū)動鏈疲勞斷裂風險。