某小区X型号电梯制动器制动臂开闸顶杆螺栓失效分析

孙福洋 王金奇 杨 旭 王 琼 王梦涛 刘金娥

（西安特种设备检验检测院 西安 710065）

X型号电梯制动器是一种双向电磁推力摩擦式制动器。在制动器通电状态下，制动器制动臂开闸顶杆螺栓带动制动臂及制动闸瓦，打开主机抱闸，使电梯可以正常运行。在制动器断电状态下，电磁力消失，在外加制动弹簧压力的作用下，电梯抱闸闭合，使电梯停止运行。通过受力分析，顶杆螺栓受力状态主要来自周期性的轴向力和较小的切向力。循环载荷作用下导致顶杆螺栓在制动臂及内侧紧固螺母间的切面处容易引起应力集中[1-3]。

2018年1月，笔者在对某小区进行电梯定期检验工作时，发现多台该型号电梯制动器制动臂开闸顶杆螺栓经现场检验人员轻微撬动后，发生断裂，如图1-①所示。检验现场该型号电梯制动器、断裂失效螺栓及其安装位置如图1-②、1-③所示。当顶杆螺栓断裂彻底失效时，主机抱闸将无法打开，导致电梯无法正常运行。

针对以上情况，笔者单位组织相关人员对断裂失效螺栓进行断口分析和力学性能试验，查找失效原因，目的为厂家提供理论指导意见，进一步加强规范电梯的检验、使用、维护与管理。

1 试验方法

1.1 试样制备

图1 检验现场该型号电梯制动器、断裂失效螺栓及其安装位置

断裂失效螺栓为六角头螺栓，规格：M16×150mm，表面镀锌处理。失效螺栓断裂位置及参数如图2所示。（经过调研，该失效螺栓使用年限约为7年，性能等级可能为8．8级紧固螺栓，为了研究对比明确，后续试验结果依据相关标准、规范中8．8级紧固螺栓的性能要求进行判定。）

图2 失效螺栓断裂位置及尺寸参数

本试验原试样采用断裂失效螺栓2个（编号：S-1、S-2），该小区同工况下未断裂失效螺栓2个（编号：J-1、J-2），同厂家同材质新螺栓2个（编号：X-1、X-2），如图3所示。

图3 螺栓宏观形貌

通过线切割分别将原试样J-1、X-1螺栓头去掉（沿螺纹边缘），机械加工成原尺寸拉伸试样。再通过线切割分别将原试样J-2、X-2机械加工成硬度试样（编号：J-2-1、X-2-1）、金相试样（编号：J-2-3、X-2-3）和尺寸为 7．5mm×10mm×55mm的V型缺口冲击试样（编号：J-2-2、X-2-2）。其中，金相试样分别用280#、320#、600#、800#、1000#、1200#砂纸逐级打磨后抛光，无水乙醇冲洗，冷风吹干。

1.2 断口分析

分别采用Smartzoom5型智能超景深三维数码显微镜和Smartproof5型转塔式共聚焦显微镜对失效螺栓断口进行分析，观察断口表面形貌特征，螺纹根部和顶部是否存在裂纹。

1.3 力学性能试验

●1.3.1 密度测定

采用质量/体积法对失效螺栓试样测定密度值。

●1.3.2 拉伸试验

依据GB/T 228．1—2010 《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用RGM-4300型微机控制电子万能试验机（检定有效期至2018年9月14日）分别对试样（J-1、X-1）进行拉伸试验，试验温度为室温，位移速率为5mm/min，测定抗拉强度、最小拉力载荷，分析对比失效螺栓的拉伸性能是否符合相关标准规范要求。

●1.3.3 硬度试验

依据GB/T 230．1《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）》，采用NEXUS 610RS型台式双洛氏硬度计（检定有效期至2018年6月29日）分别对试样（J-2-1、X-2-1）进行洛氏硬度（HRC）试验，试验温度为室温，测定螺栓的边缘和芯部洛氏硬度值，分析对比失效螺栓的硬度变化，是否符合相关标准规范要求。

●1.3.4 冲击试验

依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，采用JBW-450CY型微机控制低温自动冲击试验机（检定有效期至2018年9月14日）分别对试样（J-2-2、X-2-2）进行冲击试验，试验温度为-20℃，保温20min，冲击能量为450J，测定冲击吸收功，分析对比失效螺栓的冲击韧度变化，是否符合相关标准规范要求。

1.4 金相分析

依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》，采用XJP-6A型台式金相显微镜分别对螺栓试样（J-2-3、X-2-3）进行金相分析，观察显微组织形貌。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验方法》测定非金属夹杂物含量。

2 试验结果与讨论

2.1 断口分析结果

失效螺栓（S-2）断口宏观形貌如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示。

图4 失效螺栓断口宏观形貌

由图4可见，断口表面平齐、圆整，呈亮灰色，略带金属光泽，无明显塑性变形，属于脆断。根据研究分析，断裂基本上是沿螺纹根部发生，断口边缘有明显撕裂痕迹，说明裂纹在初始扩展阶段速度较快。随着裂纹不断扩展到达临界值时，螺栓的剩余截面无法克服周期应力载荷而发生瞬时剪切疲劳破坏。根据测量，瞬断区与螺栓轴线垂直，面积约占断口面积的80%以上。

图4（d）为失效螺栓（S-1）断口轴向宏观形貌。由图证实，断裂失效螺栓裂纹源主要起始于螺纹根部，裂纹贯穿螺纹顶部，沿纵向扩展。

失效螺栓（S-2）断口微观形貌如图5所示。由图可见，断口表面无韧窝，无明显微裂纹，属于脆性断裂。

图5 失效螺栓断口微观形貌（200×）

2.2 力学性能试验结果

●2.2.1 密度测定

失效螺栓试样（J-2-2）通过质量/体积法测定密度值为7．77g/cm3，初步判定为碳钢（密度值范围：7．8-7．85）。根据资料调研，常用8．8级碳钢螺栓主要有45钢和35钢，结合金相组织分析基本将螺栓材质判定为45钢。

●2.2.2 拉伸试验结果

失效螺栓试样（J-1）和新螺栓试样（X-1）拉伸试验结果见表1，拉伸试验载荷—位移曲线如图6所示。从表1可以看出，依据GB/T 3098．1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》和《机械设计手册》规定，失效螺栓和新螺栓试样抗拉强度、最小拉力载荷均满足标准、规范要求。但通过比较，失效螺栓（J-1）比新螺栓（X-1）抗拉强度低。根据研究分析，失效螺栓断裂位置与实际工况下失效螺栓的断裂位置相近，说明该小区同工况下的在用螺栓在失效断裂位置处（制动臂及内侧紧固螺母间的切面处）存在较大的应力集中，导致该位置强度降低。

表1 拉伸试验结果

图6 螺栓拉伸试验载荷-位移曲线

●2.2.3 硬度试验结果

失效螺栓试样（J-2-1）和新螺栓试样（X-2-1）硬度试验结果见表2。

表2 硬度（HRC）试验结果

从表2可以看出，依据GB/T 3098．1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》和《机械设计手册》规定，试样洛氏硬度均满足螺栓性能等级（8．8级）要求。其中，J-2-1边缘与芯部最大硬度差值1．49，X-2-1边缘与芯部最大硬度差值1．45，说明试样热处理较均匀。J-2-1相比X-2-1硬度偏高，根据研究分析：一是制造热处理工艺不同造成的；二是失效螺栓试样在长时间使用过程中，由于受到循环载荷作用导致材料局部硬化。

●2.2.4 冲击试验结果

失效螺栓试样（J-2-2）和新螺栓试样（X-2-2）冲击试验结果见表3。从表3可以看出，依据GB/T 3098．1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》和《机械设计手册》规定，失效螺栓两个试样冲击吸收功均不满足标准要求，冲击韧度较低。

表3 冲击试验结果

2.3 金相分析结果

螺栓金相显微组织形貌如图7所示。由图7可见，图7-（a）为失效螺栓试样显微组织形貌，组织为铁素体＋珠光体。图7-（b）为新螺栓试样显微组织形貌，组织为回火索氏体。由于热处理不同，导致在测定硬度时，两者硬度值相近。依据GB/T 3098．1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求，碳钢材料的8．8级紧固螺栓件必须进行调质处理（淬火+回火，回火温度≥425℃），因此，失效螺栓金相组织不满足标准要求。

通过对失效螺栓试样（J-2-3）纵截面内部非金属夹杂物测定，螺栓内部非金属夹杂物主要由硫化物及氧化物组成，级别为：A（硫化物类）1．0细，B（氧化铝类）1．2细，C（硅酸盐类）0．0，D（球状氧化物类）2．5粗。根据研究分析，非金属夹杂物（硫化物和氧化物）的存在，其尺寸及形态一定程度上会破坏螺栓基体组织的连续性和完整性，导致螺栓塑性、韧性降低，局部产生应力集中而诱发裂纹源，容易发生脆断[4]。

图7 螺栓金相显微组织形貌

3 总结

1）失效螺栓材质应为45钢，规格为M16×150mm六角头螺栓，密度值为7．77g/cm3，表面镀锌处理。

2）顶杆螺栓受力状态主要来自周期性的轴向力和较小的切向力，在制动臂及内侧紧固螺母间的切面处容易引起应力集中。裂纹起始于螺纹根部，随着裂纹不断扩展到达临界值时，螺栓的剩余截面无法克服周期应力载荷而发生瞬时剪切破坏。

3）依据GB/T 3098．1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》和《机械设计手册》规定，失效螺栓的拉伸性能、硬度均满足标准要求，但冲击性能不满足标准要求。通过金相分析，失效螺栓与同厂家同材质的新螺栓比较，热处理工艺未进行调质处理，组织为铁素体+珠光体，不符合标准要求。

4）失效螺栓内部的非金属夹杂物主要由硫化物及氧化物组成，在低温环境下一定程度上会加剧螺栓局部产生应力集中，降低材料的塑性和韧性。

以上结论均有可能是导致该螺栓断裂失效的因素。

4 建议

1）建议厂家购买电梯安装零部件（比如螺栓），应按照相关标准规范要求加强对材料性能等级的复验。

2）建议厂家针对北方严寒地区所使用的电梯制动器制动臂开闸顶杆螺栓的性能等级提高一个级别，例如将8．8级螺栓提高到9．8级。

3）建议电梯使用单位、维保单位加强对制动器制动臂开闸顶杆螺栓的检查与维保，一旦发现有裂纹、老化、腐蚀等现象，应及时采取措施加强监控，或直接更换。