接触式楔块逆止器偏心块失效原因分析及解决方法

罗资睦

（平顶山平煤设计院有限公司，河南 平顶山 467021）

0 引言

接触式楔块逆止器在带式输送设备中使用越来越广泛，特别是在大运量、长运距、大倾角、高运速的带式输送设备上。它们对可靠性、灵敏度、自动控制等方面要求更高，遇到意外事故，输送设备必须安全停机，防止机器倒转，以免损坏设备或引发严重的安全事故。而偏心块是接触式楔块逆止器中重要的一个零件，对是否能可靠的逆止，防止设备倒转起到关键作用。逆止器的偏心块通常用GGr15 钢做成，这种偏心块在使用过程中，处理不当会发生变形、碎裂等失效情况，严重时失去逆止作用。

1 受力分析

根据工件的使用工况，及其工件的断裂形貌和样式，其受力如图1 所示。工件材料在受到超过其本身的抗压强度，材料发生了断裂。

2 断口分析

2.1 宏观断口分析

图1 接触式楔块逆止器偏心块受力图

（1）GCr15 断裂部件裂纹及发展方向的宏观形貌分析如图2 所示。断口的断裂面相对较平整，同时正应力方向和裂纹扩展方向垂直，这是典型脆性断裂的特征，断口呈灰黑色，断口没有明显的塑性变形，端口起源于直径约为Φ1.5mm 深度约为7mm 盲孔内壁，此盲孔采用电火花加工成型。其断裂过程为： ①裂纹首先在直径为约1.5mm 深度约为7mm 的盲孔内壁两侧处形成，此处即为裂纹源；②在裂纹源附近，断口没有塑性变形，这是断口在受到偶尔的严重过载时产生的，这说明裂纹从裂纹源处产生后，快速的扩展；③裂纹源形成之后，随即发生失稳扩展，直到断裂，裂纹扩展方向与 “河流状” 的流向一致，最后的瞬断区没有剪切唇，呈明显的脆性断裂。

因此，对GCr15 断裂部件而言，受到到偶尔严重的过载后，断裂裂纹起源于盲孔的内壁；接着迅速扩展，进而发生失稳而断裂。

图2 断口裂纹及发展方向的宏观形貌分析图

（2）断裂部件断口宏观理论推断形貌图如图3 所示。根据断裂部件断口宏观理论推断形貌图3 断裂面的断裂实际分析如下： 断口的断裂面与最大压应力平面对应，断口呈灰黑色，断口没有明显的塑性变形，端口起源于最大压应力和侧光滑弧面的交线处，断面有不太明显的机械挤压变形，受到偶尔的过载裂纹扩展到盲孔处，应力得到释放，再受到二次过载时，产生二次裂纹，沿与盲孔轴线约45°的内壁向外迅速扩展，最后发生失稳直到断裂，其断裂过程理论推断如下： ①裂纹首先在压应力平面和侧光滑弧面的交线处形成，此处即为裂纹源；②裂纹形成后没有马上扩展，受到偶尔的过载进而发生扩展，此处存在不太明显的机械挤压变形；③当裂纹扩展到盲孔处后，应力得到释放，随即受到二次过载时，从盲孔内壁约与盲孔轴线呈45°方向发生扩展，此处存在明显的沿盲孔内壁两侧的裂纹扩展痕迹，介质发生失稳扩展，直到断裂。

图3 断裂部件断口宏观理论推断形貌图

2.2 微观断口分析

GCr15 断裂部件断口的微观形貌，通过对盲孔处和两应力面的交线处进行金相组织观察，材料在裂纹源无明显的脱碳现象，并且没有油污或者其他淬火介质的污染 （GCr15 一般油淬火），通过分析材料可能是在淬火时产生了微裂纹，或者在淬火后未能及时回火以致应力在盲孔处释放，微裂纹可能在断裂工件的两个盲孔处和两个应力面相交线处。

3 断裂原因分析

（1）裂纹起源于盲孔处和两个高应力交线处，由于盲孔规格尺寸较小，深度较深，相当于为材料添加了若干预制裂纹，同时此盲孔在加工时采用的电火花腐蚀，孔壁的粗糙度较低，由于高碳钢在淬火时的较大组织应力引起微裂纹，在使用的过程中，偶尔的严重过载导致发生断裂。

（2）工件的两侧弧面由于是在淬火回火后有磨削加工，同时材料淬火后保留了较多的残余奥氏体，较大磨削容易产生马氏体相变，在两侧弧面产生较大的应力，同时在使用时，在上下两个平面产生较大的压应力，两向应力状态下，加之平面和弧面的交线处无圆角过渡，产生倒角效应，在受到偶尔的严重过载产生了裂纹，裂纹在扩展的过程中产生遇到盲孔应力得到释放，但是受到机械挤压作用，萌生二次裂纹，并与孔轴线呈45°方向发生裂纹的失稳扩展，导致断裂。

（3）由于工件的材料为GCr15 这种高碳低合金轴承钢加工成型，此类材料容易引起淬火裂纹，同时工件的尺寸规格较小，淬火的温度可能偏高，淬火温度高，碳溶入奥氏体的量增加，Ms 点降低，在淬火是有较多的残余奥氏体，加之回火不充分，在磨削过程和大应力状态下会产生马氏体，容易产生微裂纹，导致材料发生断裂。

（4）GCr15 材料为高碳低合金轴承钢，在锻造的过程中容易产生带状组织，在淬火回火后容易产生微裂纹，从而导致材料发生断裂。

4 解决方法

（1）盲孔的加工采用精度高的超声波加工，或者复合加工的方法，以提高盲孔内壁的加工粗糙度。

（2）锻造过程中，采用轻锤快打的锻造方式（高碳低合金钢的锻造特点），控制锻造后的冷却方式，避免析出二次网状渗碳体，同时在预备热处理热处理过程中（如球化退火）要充分，确保组织的均匀性。

（3）由于工件的使用工况，只是要求有高的硬度和高的抗偶尔过载能力，不需要高的耐磨性，建议淬火后采用较高的回火温度，200 ～220℃，调整硬度在58 ～60HRC，以保持高硬度的时候保持较高的韧性，同时回火时间较长点约3h，使过多的残余奥氏体转变为马氏体，降低马氏体的内应力，但是回火温度不能超过240℃，避免第一类回火脆性。

（4）工件在淬火温度上的选择，建议采用大零件采用高的淬火温度，小尺寸零件采用较低的淬火温度，本尺寸试样宜采用840℃淬火，油冷。

（5）由于工件的平面和两侧的弧面过渡采用的非倒角加工工艺，存在倒角效应，建议采用一定的倒角，以降低应力集中，降低使用时发生断裂的可能性。

（6）淬火+回火后的磨削完成之后，进行一次附加回火，以确保磨削应力尽可能低。

（7）由于工件在淬火+回火后有机加工的磨削过程，有较大的加工残余应力，工件在使用一段时间后，拆卸下来做个低温回火，消除部分残余应力（条件允许的条件下实现）。

5 结论

通过以上解决方法的采用，接触式楔块逆止器偏心块的使用寿命有了很大的提高。这样就提高了逆止器的使用寿命，减少了因维修、更换逆止器而耽误的时间，提高煤矿的生产效率。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 梁正强.机械零件设计计算实力例[[M]中国铁道出版社，1989.