缠线辊塑料挡板断裂分析

2020-12-22王雅泽

商品与质量 2020年51期

王雅泽

大连产品质量检验检测研究院有限公司辽宁大连 116021

2009 年06 月，大连某水泵厂所使用一个月的缠线辊在塑料挤出机的配套辅机—倒线机上旋转工作时，缠线辊一侧的塑料挡板（以下简称挡板）发生断裂甩出，导致人身事故。该挡板主要聚合物为聚氯乙烯（PVC），为硬质聚氯乙烯挤出板材，密度为1．30g/cm2-1．50g/cm2[1]，邵氏硬度为D65-85。作者对断裂的挡板的断口宏观、微观形貌进行了观察，工作时受力的分析，最终确定了断裂原因及其失效性质，进而对企业生产工艺提出改进措施。

1 检测分析方法

JSM5600 型扫描电镜观察断口的微观特征和材料成分；按GB/T1033．1-2008 标准检测表观密度；XHS 型邵氏硬度计测试硬度。

2 检测分析结果

2.1 现场勘验

在现场进行勘验，缠线辊上一侧的挡板破碎成4 块散落在地面，4 道断裂线都呈散射状通过φ10 螺栓孔见图1；缠线辊的其余部分仍然在倒线机上见图2。挡板后起加强作用的厚度3mm 的金属板已明显变形。

2.2 断口宏观检查

断裂成4 块的挡板开裂后，裂纹呈放射状通过φ10 螺栓孔，从断口形貌发现断裂线附近表面局部区域均不同程度存在细小裂纹（银纹）。初步判断：缠线辊在工作时，其挡板重复承受交变应力，受力一面局部区域逐渐产生众多细小裂纹，在缠线辊循环工作时，该细小裂纹作为裂纹源逐步沿径向和板厚方向扩展，当扩展到一定程度时发生疲劳断裂[2]。

2.3 断口微观检查

在挡板1-4 断口处取样，在扫描电镜下观察断口的微观特征，观察结果证实了上述宏观检查的初步判断，即挡板断裂确为疲劳损坏断裂。扫描电镜观察表明：挡板断口附近的挡板表面局部区域存在着众多放射状细小裂纹，裂纹表面呈疲劳开裂特征见图3。靠近挡板表面的断口边沿区域呈现明显受力撕裂特征，断口中间部分存在裂纹扩展的疲劳辉纹见图4，断口的终断区呈现明显的脆性断裂特征见图5。

2.4 塑料挡板的材质检查

从已断裂的挡板上取样，在红外线扫描仪下检查其材质。主要聚合物为聚氯乙烯（PVC），为硬质聚氯乙烯板材[3]。

2.5 挡板的性能

挡板的平均密度为：1．8929g/cm2，不符合GB/T13520-1992《硬质聚氯乙烯挤出板材》的标准要求；邵氏硬度为90-91；另外聚氯乙烯的玻璃化温度为82℃，此聚氯乙烯材料在82℃以下（包括常温）属脆性材料[4]。

3 断裂分析原因

3.1 挡板工作时的受力分析

断裂后挡板系缠线辊一侧的挡板，在缠线辊进行缠线工作时对缠绕在缠线轴上的铜线起轴向定位作用。缠线辊缠线工作时的受力方式如图6 所示：缠线辊工作时，在其上缠绕的铜线经塑料挤出机在其圆周表面均匀涂覆了一层聚丙烯材料，铜线涂覆后直径增大约0．5mm。缠线辊旋时，聚丙烯材料涂覆后的铜线在拉力作用下线径将变小。当铜线缠绕在缠线轴上后，因铜线产生回弹涨力，线径将变大。由于缠线辊上的铜线为多层密排缠绕，每排铜线都要回弹，铜线之间相互产生挤压力；且缠线辊在缠绕过程中每层铜线也要对下层铜线产生挤压力。挤压力分解的轴向力作用到缠线辊的挡板上，并传递到其后的金属加强板上，使其产生变形。经实际测量，挡板后起加强作用的金属加强板已变形约5mm。缠线辊上缠满铜线后，在塑料挤出机配带的辅机- 倒线机上旋转，向其他小缠线辊倒线。在倒线过程中随着缠线辊上的铜线逐渐减少，缠线辊上挡板因承受外力所产生的变形逐渐减小，直至完全消除。但金属加强板产生塑性变形不能恢复，使挡板与金属加强板之间产生间隙（外缘变形较大，中心部位变形较小）。缠线辊反复缠线和倒线的工作过程使挡板反复受力变形，裂纹逐步扩展加深，金属加强板的变形逐步变大，其与挡板间的间隙也逐步变大。当达到极限时，在倒线过程中，由于挡板所承受的铜线侧轴向力逐步变小，且在高转速运转下，挡板疲劳断裂飞出。