某小區(qū)X型號電梯制動器制動臂開閘頂桿螺栓失效分析

孫福洋 王金奇 楊 旭 王 瓊 王夢濤 劉金娥

（西安特種設備檢驗檢測院 西安 710065）

X型號電梯制動器是一種雙向電磁推力摩擦式制動器。在制動器通電狀態(tài)下，制動器制動臂開閘頂桿螺栓帶動制動臂及制動閘瓦，打開主機抱閘，使電梯可以正常運行。在制動器斷電狀態(tài)下，電磁力消失，在外加制動彈簧壓力的作用下，電梯抱閘閉合，使電梯停止運行。通過受力分析，頂桿螺栓受力狀態(tài)主要來自周期性的軸向力和較小的切向力。循環(huán)載荷作用下導致頂桿螺栓在制動臂及內(nèi)側緊固螺母間的切面處容易引起應力集中[1-3]。

2018年1月，筆者在對某小區(qū)進行電梯定期檢驗工作時，發(fā)現(xiàn)多臺該型號電梯制動器制動臂開閘頂桿螺栓經(jīng)現(xiàn)場檢驗人員輕微撬動后，發(fā)生斷裂，如圖1-①所示。檢驗現(xiàn)場該型號電梯制動器、斷裂失效螺栓及其安裝位置如圖1-②、1-③所示。當頂桿螺栓斷裂徹底失效時，主機抱閘將無法打開，導致電梯無法正常運行。

針對以上情況，筆者單位組織相關人員對斷裂失效螺栓進行斷口分析和力學性能試驗，查找失效原因，目的為廠家提供理論指導意見，進一步加強規(guī)范電梯的檢驗、使用、維護與管理。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

圖1 檢驗現(xiàn)場該型號電梯制動器、斷裂失效螺栓及其安裝位置

斷裂失效螺栓為六角頭螺栓，規(guī)格：M16×150mm，表面鍍鋅處理。失效螺栓斷裂位置及參數(shù)如圖2所示。（經(jīng)過調(diào)研，該失效螺栓使用年限約為7年，性能等級可能為8．8級緊固螺栓，為了研究對比明確，后續(xù)試驗結果依據(jù)相關標準、規(guī)范中8．8級緊固螺栓的性能要求進行判定。）

圖2 失效螺栓斷裂位置及尺寸參數(shù)

本試驗原試樣采用斷裂失效螺栓2個（編號：S-1、S-2），該小區(qū)同工況下未斷裂失效螺栓2個（編號：J-1、J-2），同廠家同材質(zhì)新螺栓2個（編號：X-1、X-2），如圖3所示。

圖3 螺栓宏觀形貌

通過線切割分別將原試樣J-1、X-1螺栓頭去掉（沿螺紋邊緣），機械加工成原尺寸拉伸試樣。再通過線切割分別將原試樣J-2、X-2機械加工成硬度試樣（編號：J-2-1、X-2-1）、金相試樣（編號：J-2-3、X-2-3）和尺寸為 7．5mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣（編號：J-2-2、X-2-2）。其中，金相試樣分別用280#、320#、600#、800#、1000#、1200#砂紙逐級打磨后拋光，無水乙醇沖洗，冷風吹干。

1.2 斷口分析

分別采用Smartzoom5型智能超景深三維數(shù)碼顯微鏡和Smartproof5型轉塔式共聚焦顯微鏡對失效螺栓斷口進行分析，觀察斷口表面形貌特征，螺紋根部和頂部是否存在裂紋。

1.3 力學性能試驗

●1.3.1 密度測定

采用質(zhì)量/體積法對失效螺栓試樣測定密度值。

●1.3.2 拉伸試驗

依據(jù)GB/T 228．1—2010 《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用RGM-4300型微機控制電子萬能試驗機（檢定有效期至2018年9月14日）分別對試樣（J-1、X-1）進行拉伸試驗，試驗溫度為室溫，位移速率為5mm/min，測定抗拉強度、最小拉力載荷，分析對比失效螺栓的拉伸性能是否符合相關標準規(guī)范要求。

●1.3.3 硬度試驗

依據(jù)GB/T 230．1《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》，采用NEXUS 610RS型臺式雙洛氏硬度計（檢定有效期至2018年6月29日）分別對試樣（J-2-1、X-2-1）進行洛氏硬度（HRC）試驗，試驗溫度為室溫，測定螺栓的邊緣和芯部洛氏硬度值，分析對比失效螺栓的硬度變化，是否符合相關標準規(guī)范要求。

●1.3.4 沖擊試驗

依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用JBW-450CY型微機控制低溫自動沖擊試驗機（檢定有效期至2018年9月14日）分別對試樣（J-2-2、X-2-2）進行沖擊試驗，試驗溫度為-20℃，保溫20min，沖擊能量為450J，測定沖擊吸收功，分析對比失效螺栓的沖擊韌度變化，是否符合相關標準規(guī)范要求。

1.4 金相分析

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，采用XJP-6A型臺式金相顯微鏡分別對螺栓試樣（J-2-3、X-2-3）進行金相分析，觀察顯微組織形貌。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗方法》測定非金屬夾雜物含量。

2 試驗結果與討論

2.1 斷口分析結果

失效螺栓（S-2）斷口宏觀形貌如圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）所示。

圖4 失效螺栓斷口宏觀形貌

由圖4可見，斷口表面平齊、圓整，呈亮灰色，略帶金屬光澤，無明顯塑性變形，屬于脆斷。根據(jù)研究分析，斷裂基本上是沿螺紋根部發(fā)生，斷口邊緣有明顯撕裂痕跡，說明裂紋在初始擴展階段速度較快。隨著裂紋不斷擴展到達臨界值時，螺栓的剩余截面無法克服周期應力載荷而發(fā)生瞬時剪切疲勞破壞。根據(jù)測量，瞬斷區(qū)與螺栓軸線垂直，面積約占斷口面積的80%以上。

圖4（d）為失效螺栓（S-1）斷口軸向宏觀形貌。由圖證實，斷裂失效螺栓裂紋源主要起始于螺紋根部，裂紋貫穿螺紋頂部，沿縱向擴展。

失效螺栓（S-2）斷口微觀形貌如圖5所示。由圖可見，斷口表面無韌窩，無明顯微裂紋，屬于脆性斷裂。

圖5 失效螺栓斷口微觀形貌（200×）

2.2 力學性能試驗結果

●2.2.1 密度測定

失效螺栓試樣（J-2-2）通過質(zhì)量/體積法測定密度值為7．77g/cm3，初步判定為碳鋼（密度值范圍：7．8-7．85）。根據(jù)資料調(diào)研，常用8．8級碳鋼螺栓主要有45鋼和35鋼，結合金相組織分析基本將螺栓材質(zhì)判定為45鋼。

●2.2.2 拉伸試驗結果

失效螺栓試樣（J-1）和新螺栓試樣（X-1）拉伸試驗結果見表1，拉伸試驗載荷—位移曲線如圖6所示。從表1可以看出，依據(jù)GB/T 3098．1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》和《機械設計手冊》規(guī)定，失效螺栓和新螺栓試樣抗拉強度、最小拉力載荷均滿足標準、規(guī)范要求。但通過比較，失效螺栓（J-1）比新螺栓（X-1）抗拉強度低。根據(jù)研究分析，失效螺栓斷裂位置與實際工況下失效螺栓的斷裂位置相近，說明該小區(qū)同工況下的在用螺栓在失效斷裂位置處（制動臂及內(nèi)側緊固螺母間的切面處）存在較大的應力集中，導致該位置強度降低。

表1 拉伸試驗結果

圖6 螺栓拉伸試驗載荷-位移曲線

●2.2.3 硬度試驗結果

失效螺栓試樣（J-2-1）和新螺栓試樣（X-2-1）硬度試驗結果見表2。

表2 硬度（HRC）試驗結果

從表2可以看出，依據(jù)GB/T 3098．1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》和《機械設計手冊》規(guī)定，試樣洛氏硬度均滿足螺栓性能等級（8．8級）要求。其中，J-2-1邊緣與芯部最大硬度差值1．49，X-2-1邊緣與芯部最大硬度差值1．45，說明試樣熱處理較均勻。J-2-1相比X-2-1硬度偏高，根據(jù)研究分析：一是制造熱處理工藝不同造成的；二是失效螺栓試樣在長時間使用過程中，由于受到循環(huán)載荷作用導致材料局部硬化。

●2.2.4 沖擊試驗結果

失效螺栓試樣（J-2-2）和新螺栓試樣（X-2-2）沖擊試驗結果見表3。從表3可以看出，依據(jù)GB/T 3098．1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》和《機械設計手冊》規(guī)定，失效螺栓兩個試樣沖擊吸收功均不滿足標準要求，沖擊韌度較低。

表3 沖擊試驗結果

2.3 金相分析結果

螺栓金相顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可見，圖7-（a）為失效螺栓試樣顯微組織形貌，組織為鐵素體＋珠光體。圖7-（b）為新螺栓試樣顯微組織形貌，組織為回火索氏體。由于熱處理不同，導致在測定硬度時，兩者硬度值相近。依據(jù)GB/T 3098．1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求，碳鋼材料的8．8級緊固螺栓件必須進行調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火，回火溫度≥425℃），因此，失效螺栓金相組織不滿足標準要求。

通過對失效螺栓試樣（J-2-3）縱截面內(nèi)部非金屬夾雜物測定，螺栓內(nèi)部非金屬夾雜物主要由硫化物及氧化物組成，級別為：A（硫化物類）1．0細，B（氧化鋁類）1．2細，C（硅酸鹽類）0．0，D（球狀氧化物類）2．5粗。根據(jù)研究分析，非金屬夾雜物（硫化物和氧化物）的存在，其尺寸及形態(tài)一定程度上會破壞螺栓基體組織的連續(xù)性和完整性，導致螺栓塑性、韌性降低，局部產(chǎn)生應力集中而誘發(fā)裂紋源，容易發(fā)生脆斷[4]。

圖7 螺栓金相顯微組織形貌

3 總結

1）失效螺栓材質(zhì)應為45鋼，規(guī)格為M16×150mm六角頭螺栓，密度值為7．77g/cm3，表面鍍鋅處理。

2）頂桿螺栓受力狀態(tài)主要來自周期性的軸向力和較小的切向力，在制動臂及內(nèi)側緊固螺母間的切面處容易引起應力集中。裂紋起始于螺紋根部，隨著裂紋不斷擴展到達臨界值時，螺栓的剩余截面無法克服周期應力載荷而發(fā)生瞬時剪切破壞。

3）依據(jù)GB/T 3098．1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》和《機械設計手冊》規(guī)定，失效螺栓的拉伸性能、硬度均滿足標準要求，但沖擊性能不滿足標準要求。通過金相分析，失效螺栓與同廠家同材質(zhì)的新螺栓比較，熱處理工藝未進行調(diào)質(zhì)處理，組織為鐵素體+珠光體，不符合標準要求。

4）失效螺栓內(nèi)部的非金屬夾雜物主要由硫化物及氧化物組成，在低溫環(huán)境下一定程度上會加劇螺栓局部產(chǎn)生應力集中，降低材料的塑性和韌性。

以上結論均有可能是導致該螺栓斷裂失效的因素。

4 建議

1）建議廠家購買電梯安裝零部件（比如螺栓），應按照相關標準規(guī)范要求加強對材料性能等級的復驗。

2）建議廠家針對北方嚴寒地區(qū)所使用的電梯制動器制動臂開閘頂桿螺栓的性能等級提高一個級別，例如將8．8級螺栓提高到9．8級。

3）建議電梯使用單位、維保單位加強對制動器制動臂開閘頂桿螺栓的檢查與維保，一旦發(fā)現(xiàn)有裂紋、老化、腐蝕等現(xiàn)象，應及時采取措施加強監(jiān)控，或直接更換。