某种矿用设备销轴断裂失效分析

马元

摘 要：分析一种煤矿设备销轴断裂原因，对断裂件进行宏观外貌观测、化学成分分析、硬度测试、金相检查，同时结合实际生产使用工艺，对该销轴断裂进行较为全面的分析。结果表明：销轴硬度值偏高，同时销轴受落煤冲击，断裂形式为剪切断裂。在进行综合分析后，确定硬度值偏高非该销轴断裂原因，其主要断裂原因为落煤冲击过载引起销轴断裂。

关键词：销轴；断裂；失效分析

Fracture Failure Analysis of A Kind of Mine Equipment Pin Shaft

Ma Yuan

（Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Taiyuan 03006，China）

Abstract：To analyse the fracture of a hinge pin of equipment in coal mine, it carries out macroscopic appearance observation, chemical composition analysis, hardness testing as well as metallographic examination on the fracture part, and makes analysis about the fracture of the pin, combining the actual production process.

The results indicate that the hardness value of the pin shaft is high, as well as when the pin shaft impacted by falling coal, the fracture form is shearing fracture. And then analysed comprehensively, it is determined that the main fracture reason is the pin shaft fracture caused by the shock-overload of dropping coal rather than the high hardness value.

Key Words：pin shaft; fracture; failure analysis

0 引言

销轴作为一种常用的机械连接件，广泛应用于各种机械设备中，所承担的紧固连接作用也是非常的重要。因此一旦发生失效断裂，所带来的损失往往会很严重。

某煤矿所使用的销轴，是一种将刮板与链条配套连接所设计的链销，结构类似铰制孔螺栓。该设备在使用过程中发现，销轴螺纹头部出现断裂现象。经查，断裂数量为8根，约占总数1/20。该设备投入使用共计15天，每日工作时长约16小时。该销轴在以往设备的使用初期，从未发生如此大规模的损坏现象。因此，对该销轴的断裂失效进行分析。

1 试验方法

1.1整体外观检测

断裂的销轴及断口形貌如图1、图2、图3所示。由图可知，链板严重磨损，销轴六角头部受撞击损坏严重，螺纹部位有明显受撞击痕迹且存在弯曲现象，断裂发生在销轴与其螺纹头部的退刀槽处，且断口处及整个销轴无明显可见的塑性变形，断口位置未见腐蚀和冶金缺陷。

对所有的断裂销轴观测后，其断口样貌基本一致。对断口进行宏观样貌分析，其断口整齐，呈暗灰色，可见源区、扩展区和瞬断区，图3中箭头所指处源区位于螺纹根部，有一组倾斜的拉裂纹，倾斜呈现约45°角，最终形成一个贯彻的剪切面，属剪切断裂。

图
1 损坏链销图

图
2 损坏链销图

图3 断口形貌

1.2化学成分分析

从所断裂的螺纹头部取样进行化学成分分析，其结果见表1：

表1 断裂销轴化学成分（质量分数/%）

Item	Fe	C	Si	Mn	P
result	96.5	0.442	0.274	0.584	0.0101
Standard		0.38-0.45	0.17-0.37	0.50-0.80	≤0.035
Item	S	Cr	Mo	Ni	Cu
result	0.004	1.16	0.171	0.0334	0.0174
Standard	≤0.035	0.90-1.20	0.15-0.25	≤0.30	≤0.30

从化学成分分析结果来看，销轴材质为42CrMo，且每个元素含量均满足标准要求。

1.3 硬度检测

对销轴进行硬度检测，检测结果见表2。

表2 断裂销轴硬度检测

Item	1	2	3	4	5	Average value
HRC	44.7	46.3	46.4	45.8	46.1	45.86

根据表中检测结果可知，其硬度平均值为HRC45.86。设计按照紧固件机械性能GB/T3098.1-2010中12.9级高强度螺栓要求，技术要求为HRC39-44，但检测后其硬度均值偏高，稍高于标准要求。

1.4 金相检查

在断裂的销轴断口处截取金相试样，经过打磨抛光及腐蚀剂腐蚀后，对其使用数字显微镜进行显微组织观测。最终金相组织结果如图4所示。由图可知，基本组织为回火索氏体，符合该销轴材料的组织要求，未见明显异常。

图
4 断裂销轴的金相组织

2 断裂原因分析

通过对设备的具体使用情况进行跟踪与调研，该配件实际使用工况为：煤块经过带式转载机输送至溜煤眼处，从溜煤眼直接落入设备受料斗处，再通过刮板链进行输送，且刮板链使用时长约16小时每日。而该方式不符合此设备的设计使用要求，非常规使用方式。

由于溜煤眼与设备之间落差较大，且未设置缓冲区，导致落煤时对刮板链销轴冲击大。根据销轴外观检测，确认为冲击载荷过大导致剪切断裂。另外，该配件所装配的刮板链条，在运行过程中需要进行涨紧，保持链条松紧程度一致。而该台设备根据现场调研，其刮板链在实际使用情况中涨紧度左右不一致，一端链条由于过松被煤泥垫高，高于另一端约8公分，倾斜严重，不符合使用要求，导致受力不均，因此销轴自身已经受到较大的剪切力。

同时断裂螺栓的试验结果表明，除硬度值偏高以外，其余均满足标准要求。综合上述试验结果及实际使用工况分析后，表明其断裂失效与材质无直接关系，确定为使用工艺的原因。

建议在使用过程中，及时检查链条涨紧程度，避免涨紧不足导致销轴受剪切力。另溜煤眼落煤过程中，建议在受料处上方增加缓冲板，减小煤块降落时的冲击力。同时，若在制造工艺上提高抗剪强度，建议增大螺纹头部，由原M16改为M20，另减小退刀槽的深度，使螺纹根部能够承受更大的冲击。

3 结论

1）螺纹接头断裂非制造工艺及材料问题，但可在制造工艺中加以改进。

2）螺纹接头在使用过程中由于链条涨紧不足，导致受力不均，发生倾斜，使销轴螺纹头受到较大冲击载荷和弯曲应力。

3）使用过程中煤块落差大，落下时产生巨大的冲击力，使销轴受冲击过载。

4）螺纹接头的断裂性质为受冲击剪切力后的剪切断裂。

参考文献

1. 姜君,赵登川,朱吉印.柴油发电机主轴承螺栓断裂分析[J].失效分析与预防, 2020, 15(5): 328-331.

2. 熊勇,陈昌达,谢向宇.42CrMo钢螺栓失效分析[J].宇航材料工艺,2017,47(03):67-70.

3. 中国机械工业联合会0,GB/T3098.1-2010,紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱[S],北京,中国标准出版社,2011.

作者简介:马元(1995— )，男，内蒙古鄂尔多斯人，汉族，本科，助理工程师，现主要从事煤矿连采和掘进设备维修工作，电子邮箱：[e-mail]。