卷揚(yáng)機(jī)制動(dòng)爪斷裂事故分析

卷揚(yáng)機(jī)制動(dòng)爪斷裂事故分析

在南方城市的建筑工地上，一臺(tái)卷?xiàng)顧C(jī)在運(yùn)行過程中突然故障。制動(dòng)輪中的制動(dòng)爪斷裂后，它從圈中墜落，造成嚴(yán)重的傷害。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)事故檢查,發(fā)現(xiàn)事故卷揚(yáng)機(jī)的制動(dòng)輪主離合器已經(jīng)破裂,副離合器上的三只制動(dòng)爪中的一只已斷離,成為飛脫傷人的“子彈”。制動(dòng)輪主副離合器殘件外觀形貌如圖1所示。其中(a)圖所示為已破裂斷成兩塊的主離合器;(b)圖所示為一只制動(dòng)爪已斷離的副離合器,圖中箭頭B所指為制動(dòng)爪斷裂部位,箭頭K所指為斷裂飛脫的、現(xiàn)置于副離合器殘件上的制動(dòng)爪。1試驗(yàn)方法和結(jié)果1.1制動(dòng)爪斷口損傷主副離合器殘件表面特別是斷口面均粘附有較多泥砂,并有比較嚴(yán)重的深黃色銹跡。由副離合器中斷裂飛脫的制動(dòng)爪斷口邊緣已有圓鈍化現(xiàn)象,斷口面污染損傷嚴(yán)重,制動(dòng)爪兩個(gè)對(duì)稱的宏觀斷口形貌細(xì)節(jié)已無法分辨。這種情況與該離合器殘件存放時(shí)間比較長、進(jìn)入本案分析前已經(jīng)過多次輾轉(zhuǎn)、而又未能有效保護(hù)原有狀態(tài)有關(guān)。1.2材料nmf測(cè)試結(jié)果在圖1(b)所示副離合器殘件B部位制取材料化學(xué)成分分析試樣,用鉆取法進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。同時(shí)列出相關(guān)材料[中國GB標(biāo)準(zhǔn)(GB/T9439-1988灰鑄鐵的牌號(hào)與主要力學(xué)性能)]的標(biāo)準(zhǔn)成分,以供對(duì)比。材料化學(xué)成分分析結(jié)果表明,離合器材料化學(xué)成分與HT100灰鑄鐵化學(xué)成分類同,但Si元素含量過低,說明此鑄件在冶煉和澆鑄時(shí)未經(jīng)變質(zhì)孕育處理。1.3肌力測(cè)試1.3.1硬度試驗(yàn)經(jīng)檢測(cè),主副離合器材料硬度均為126～131HBS。1.3.2拉伸試驗(yàn)結(jié)果參照中國GB標(biāo)準(zhǔn)“GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法”,在副離合器殘件C部位(離合器壁體)制取3根規(guī)格為φ10mm的非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。同時(shí)列出相關(guān)材料[中國GB標(biāo)準(zhǔn)(GB/T9439-1988灰鑄鐵的牌號(hào)與主要力學(xué)性能)]的鑄件抗拉強(qiáng)度指標(biāo),以供對(duì)比。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,離合器材料的強(qiáng)度與中國GB標(biāo)準(zhǔn)(GB/T9439-1988灰鑄鐵的牌號(hào)與主要力學(xué)性能)中的HT100灰鑄鐵相近。1.4組織分析參照中國GB標(biāo)準(zhǔn)“GB/T7216-1987灰鑄鐵金相”評(píng)定相關(guān)組織。1.4.1顯微組織觀察在圖1(a)所示主離合器殘件A部位分別制取軸向和徑向觀察磨面金相試樣。圖2所示為主離合器殘件A部位近斷口部位的軸向觀察磨面和徑向觀察磨面未經(jīng)浸蝕的顯微組織。組織中石墨呈A型,石墨長度約為2～3級(jí),材料中存在黑色塊棒狀鑄造缺陷。在圖2中可見,斷口處的二次裂紋沿條狀石墨和鑄造缺陷向心部方向擴(kuò)展。圖3為觀察磨面經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕的顯微組織,其中(b)圖為(a)圖的局部放大圖像。其組織不均勻,為粗大片狀珠光體+鐵素體+石墨+少量磷共晶,珠光體含量約為40%～50%。1.4.2顯微組織的觀察在圖1(b)所示副離合器殘件B部位分別制取軸向和徑向觀察磨面金相試樣。圖4所示為副離合器殘件B部位軸向和徑向觀察磨面未經(jīng)浸蝕的顯微組織。組織中石墨同樣呈A型,石墨長度約為3～4級(jí),材料中存在黑色的塊棒狀鑄造缺陷,相比于主離合器中的塊棒狀鑄造缺陷其數(shù)量更多,塊度更大,這樣的缺陷對(duì)材料的性能危害更嚴(yán)重。圖5為觀察磨面經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕的顯微組織,其中(b)圖為(a)圖的局部放大圖像。其組織均與主離合器的金相組織類同,但相比于主離合器,珠光體量更少,小于30%。1.5斷口分析1.5.1面粘泥砂較少如前所述,主副離合器殘件表面特別是斷口面均粘附有較多泥砂,并有比較嚴(yán)重的深黃色銹跡。經(jīng)過對(duì)斷口面的適當(dāng)清理,發(fā)現(xiàn)主副離合器殘件斷口面均呈結(jié)晶狀脆性斷裂特征。1.5.2微觀電子顯微分析試樣的制備在圖1(a)所示主離合器殘件A部位和圖1(b)所示副離合器殘件B部位的斷口處切取微觀電子顯微分析試樣,試樣先經(jīng)物理方法徹底清洗,后在JEOLJSM-5910型電子顯微鏡下進(jìn)行觀察分析。1.5.2.次裂紋形貌主離合器斷口SEM形貌圖像見圖6。其中(a)圖為斷口邊緣部位形貌,可見二次裂紋起始于鑄件表面;(b)圖為距斷口邊緣約6mm的另一視域形貌。上述形貌均呈冰糖塊花樣及二次裂紋沿晶走向;(c)圖則顯示了材料存在顯微縮松孔洞,其形貌與(a)圖和(b)圖類同。斷口均呈現(xiàn)解理和準(zhǔn)解理以及組織解理脆斷的特征。1.5.2.斷口表面線性相關(guān)副離合器斷口系斷裂飛出的制動(dòng)爪留下的斷裂面,此斷口SEM形貌圖像見圖7。其中(a)、(b)和(c)圖為斷口邊緣部位形貌,(b)圖是(a)圖的局部放大。從(a)圖可見,斷口面二次裂紋起始于斷口外表面,而后沿晶向里擴(kuò)展;在(b)圖中還存在屬鑄造缺陷的胞狀結(jié)構(gòu)以及組織解理的微觀特征形貌。(c)圖和(d)圖顯示了斷口中部不同微區(qū)的斷口微觀形貌,上述形貌均具有與主離合器斷口類同的形貌特征。2主副過程分析卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行時(shí),制動(dòng)輪主副離合器必將頻繁地反復(fù)離合工作,其制動(dòng)爪必須承受頻繁的沖擊應(yīng)力、正反向的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力剪切應(yīng)力的動(dòng)載荷重復(fù)作用,因而,要求離合器材料必須具有良好的冶金質(zhì)量和力學(xué)性能,以保證卷揚(yáng)機(jī)的安全運(yùn)行和足夠的使用壽命。經(jīng)檢驗(yàn),送檢制動(dòng)輪主副離合器的材料按其生產(chǎn)制造過程及組織性能情況僅與中國GB標(biāo)準(zhǔn)HT100灰鑄鐵的化學(xué)成分要求和抗拉強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)相近,但這種灰鑄鐵是這一系列灰鑄鐵中性能最低一檔的材料,其強(qiáng)度低,一般適用于制造載荷低、對(duì)摩擦磨損無特殊要求的零件,如外罩、蓋、手輪、手把、支架、座板和重錘等。實(shí)際上主要用于制作承受靜載荷的機(jī)械零件,而不適宜于制作承受動(dòng)載荷的機(jī)械零件。將這種材料用于制作承受高要求動(dòng)載荷作用的制動(dòng)輪主副離合器,其力學(xué)性能明顯不足,在制動(dòng)輪實(shí)際服役的工況條件下,發(fā)生早期破斷失效則是必然的。在本案中,制造卷揚(yáng)機(jī)制動(dòng)輪主副離合器采用的灰鑄鐵,其石墨長短不均勻,以長條狀石墨居多,硬度和強(qiáng)度低;同時(shí)存在比較嚴(yán)重的組織不均勻和區(qū)域性鑄造缺陷。材料中鐵素體量較多,珠光體粗大,其量也過少,尤其以副離合器更為明顯。副離合器中的塊棒狀鑄造缺陷數(shù)量更多,塊度更大,這樣的缺陷對(duì)材料的性能危害更為嚴(yán)重。主離合器和副離合器的斷口形貌均具有解理和準(zhǔn)解理以及組織解理脆性斷裂的特征,其斷裂均起始于鑄件表面,并屬瞬時(shí)脆斷。這種情況與材料的組織缺陷和鑄造缺陷有關(guān)。3主副共建單元材料(1)送檢制動(dòng)輪主副離合器的破裂屬突發(fā)性瞬間脆