浅析扁平接链环的失效形式

杨 正，王金洲

(兖矿集团邹城金明机电有限公司，山东 兖州 273500)

随着井下采煤机械功率不断增大，圆环链和接链环的规格也在不断增大，既增加安全性，也大大提高生产效率。现国外已有扁平链，超扁平链(如德国蒂勒公司、JDT公司等)。这样运输机高度可以尽可能降低，运输机的电机也可以升级到更大功率的级别上，与之配合的接链环也产生了矿用链条用立式接链环和矿用链条用平式接链环。在一些新建的矿井中基本都采用这种新的链条传送。但是在国内一些旧的矿井中还有很多在使用圆环链和扁平接链环。

矿用圆环链用扁平接链环是煤矿刮板输送机上的重要传动部件，其联接形式有多种:锯齿联接，弧齿联接，圆销联接，扁销联接等。目前，国内应用比较多的是弧齿联接(如图1)，其顶圆和根圆同径不用心，当圆环链收到扭转力矩时有自锁功能，弧齿有很大的过渡圆角，使齿不会因应力集中而断裂。使用特点是可以用作平环，也可以用作立环，且安装拆卸简单，受力稳定。

图1 孤齿接链环

MT/T99－1997《矿用圆环链用扁平接链环》标准所规定的检验项目中，除了表面质量和尺寸外，还有两个重要的机械性能指标:破断强度和疲劳强度。在实际使用过程中，因为实际拉力负荷远未达到破断负荷，所以单纯因为拉力过大致使断裂失效的现象比较少见，疲劳断裂失效现象比较常见。而圆环链为整体结构，寿命要高于接链环，所以在输送过程中接链环是相对薄弱的环节。如果在生产中发生接链环破断，因影响生产直接造成的经济损失是十分巨大的。

在接链环的设计过程中，设计者一般会对材料、结构尺寸分配、热处理几个关键点进行重点考虑。材料要选优质合金钢，选用较多的是20MnVB，20CrMnTi，23MnNiMoCrA等，最后一种材料要优于前两种材料，其淬透性好，且容易得到理想的马氏体组织。在结构尺寸分配上，结合弧齿面的倾斜角度、齿深、齿宽，以及齿根圆角，既要避免应力集中导致裂纹失效，又要达到破断强度。这在很多文献中都有分析，而在使用过程和试验中有两个潜在失效形式被很多设计者忽略。

1．硬度偏高引起的二次淬火

图2 外部裂纹

对样件切割取样后在高倍显微镜下，发现在摩擦面上布满了横向裂纹，如图3所示。

图3 横切面裂缝

此裂纹如果向深层继续发展，就会在外力作用下断裂。

根据MT/T99－1997《矿用圆环链用扁平接链环》标准，接链环的宽度要高于圆环链11－13mm。当接链环用作立环时，如果发生磨损，其首当其冲。严格按照设计规定，圆环链与接链环不应与底板接触。但是由于煤矿井下环境恶劣，条件有限，有些矿井无法做到所有底板都在一个平面上，尤其是工作面较长的大角度矿井，当有底板稍微向上突起时接链环就可能与底板接触摩擦。此时，接链环将与之相连的临近圆环链抬起，压力增大，局部摩擦产生的温度瞬间超过AC3以上，即在表面产生二次淬火层。如果此时接链环硬度较高，裂纹会迅速向内扩展，很快发生失效。在这样的矿井中要调整底板的平面度非常困难，摩擦无法避免，唯一的办法就是提高材料的韧性，降低接链环的硬度。但是硬度太低，接链环磨损速度快，寿命也会降低，这就要设计者根据实际情况确定。

2．接链环微动疲劳

在实验室疲劳试验中，一些厂家的接链环疲劳性能达不到要求，在30000次左右就断裂失效了。除结合处外，有很大一部分是在接链环外齿脖颈处(如图3)和中心孔外齿中心孔处(如图4)。

图4 失效现象一

图5 失效现象二

情况失效原因:实验室施加的试验载荷是拉－拉载荷，并且呈曲线周期变化。承受载荷疲劳负荷的变化导致接链环与圆环链、接链环与中心锁销的变形相应变化。因而接链环与圆环链、接链环与锁销接触位置发生微幅移动，即发生微量的反复交变滑移。这种微量反复交变滑移引起接触边缘即中心圆弧处极大的脉动拉应力和摩擦力，造成微动损伤，通常把这种损伤叫咬蚀，从而微动疲劳裂纹在此处萌生，微动损伤区外缘是微动疲劳裂纹萌生的主要部位之一。微动疲劳裂纹也可以在微动作用的表面下，材料的塑性受到约束的区域产生。表面摩擦力的作用使微裂纹在冷作硬化层内延伸，并向自由表面及向内扩展，形成疲劳裂纹源。主裂纹可以是一条或几条汇集而成。微动疲劳寿命比普通疲劳寿命下降幅度很大，微动裂纹在疲劳寿命的极早期产生，微动裂纹初始扩展很快，其扩展速率主要取决于微动区内交变摩擦力接触应力及外加循环应力，当裂纹扩展到超出摩擦力的作用，则摩擦力对裂纹扩展不起作用。此时裂纹的扩展主要受外加循环应力控制，接链环进入低周疲劳。

由此可见，必须提高微动疲劳寿命，降低微动疲劳裂纹早期扩展。接链环和中心锁销硬度需要合理搭配，规范热处理，使原始类晶粒进一步细化，提高材料韧性，硬度值在HRC41左右。另外，在加工中心孔时应在接链环两半环上加接近使用过程中的工作载荷，这样在接链环使用中会增加与中心锁销的接触面积，即便有交变应力，也会延长裂纹产生与发展时间。

[1]华元钦．接链环的结构和失效分析[J]．煤炭机电，1989

[2]曲娟，李淮．新型弧形齿扁平接链环的研制[J]．矿山机械，2004

[3]王兆，徐庆莘．矿用圆环链断口分析[J]．山东矿业学院学报，1994