带式输送机输送带滑轮失效研究

潘玉龙

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

输送带是带式输送机最容易出现故障的部件，而输送带滑轮失效是输送带故障之一。因此，本文针对一个具体的输送带滑轮故障（见图1）进行了调查，并以实验的方法寻求其失效原因。

图1 输送带滑轮故障实物图

1 实验材料和方法

研究的输送带滑轮断裂轴是用42CrMo4钢生产的。这种钢是由淬火和回火钢组成的，经过适当的热处理后，抗拉强度超过1 000 MPa，具有较高的力学性能。该钢种广泛应用于经常受到各种静载荷和循环载荷的构件。

根据EN ISO 6892-1:20 7a进行拉伸测试，并根据EN ISO 148-1:20 7a进行冲击韧性测试。机械测试的样品是从轴的边缘和中心在纵向方向进行测试。

通过碳和硫的燃烧分析以及X射线荧光光谱分析了被研究材料的化学组成。采用Tagarno FHD趋势数字显微镜对断裂表面进行了分析。

如图2所示，从断口处取了金相分析的样品。

图2 金相分析样品

金相组织研究采用尼康FXA光学显微镜和日立HV-C20A 3CCD摄像机，分析软件进行金相图像分析。

2 实验结果和分析

2.1 外观检验

外观检查发现，皮带轮滚筒涂层有不均匀磨损的迹象。磨损情况表明在滑轮的一侧存在额外的交替动态载荷。滚筒涂层磨损是引起滑轮失效的主要原因之一。

图3清楚地显示了断裂轴上粗加工的痕迹。骨折部位附近有明显的划痕和撕裂。断裂发生在轴直径由小到大的过渡阶段。应力集中通常出现在半径转换，已知会导致轴失效。

图3 轴的破碎部分与粗加工表面的放大图像

断口显示在井筒表面下有一个脊，这是一个可能的裂纹起始位置，如图4所示。从脊到井筒中心的级数标记，裂纹的扩展呈河流状，从脊到轴的边缘表面在外观上不同，有一个明显的深色。因此，从山脊到边缘的前进标志更难分辨。

图4 断口表面有明显的级数标志和可能的裂纹萌生位置

2.2 微观结构

材料的微观结构研究显示，存在伸长的锰硫和铝基氧化物非金属夹杂物，如图5-1所示，这是意料之中的。显微组织为偏析带，如图5-2所示，由马氏体（M）、下贝氏体（LB）和上贝氏体（UB）组成，如图5-3所示。

图5 材料的微观结构

上贝氏体和下贝氏体的主要区别在于碳化物析出相。在上贝氏体中，贝氏体铁素体未能解析，碳化物被困在铁素体亚基之间。相比之下，下贝氏体铁素体中含有细粒碳化物在贝氏体铁素体板内的弥散。其结果是，下贝氏体通常比上贝氏体具有更高的韧性。

这三种微观结构成分可以区分的事实表明有不适当或没有退火。缺乏适当的退火和上贝氏体将导致低冲击韧性。

机械测试的样品是通过轴的外部半径和研究部分的中心进行测试的。与外半径相比，中心的力学性能更高。这是意料之外的，因为通常外半径处的力学性能较高。根据EN883-2:2006，轴中心的拉伸性能满足42CrMo4钢的要求，而两个位置的冲击韧性都低于42CrMo4规范。这可能是热处理不当的结果。

图6-1是断口且有指示的金相分析部位的二次裂纹的抛光样品。试样中存在垂直于主裂纹和平行于主裂纹的二次裂纹。闭合的平行裂纹表示较高的内应力，而次级裂纹则是典型的渐进裂纹扩展。闭合的平行裂纹沿晶形成，如图6-2。

蚀刻半径样品显示了轴表面的焊接存在。硬度（HV1）测量确认了轴表面的热影响区（HAZ）。在粗晶粒热影响区，硬度从基材的250上升到480。硬度测量的差异证实了高内应力的存在，与图6中所示的内部裂纹一致。

图6 裂纹金相图

热影响区显微组织研究表明，在靠近断口的半径处，焊接材料厚约2 mm，热影响区深>3 mm。热影响区清楚地显示了焊缝附近的粗晶粒区，该区域也给出了最高的硬度（HV1）为480。细晶区硬度（HV1）为400。回火区硬度降至母材硬度（HV1）为250。

在发现断裂部位附近存在焊接后，检查了轴的其余部分。在剩余的轴的横截面上可以清楚地看到广泛的焊接痕迹，焊接材料厚度可达5 mm。

轴的失效是由于表面焊接，结合不适当的热处理和动态载荷。焊接的起源是未知的，它是出乎意料和隐藏的用户。

3 结论

1）该轴是由42CrMo4钢生产，然而有另一种材料焊接在轴的外半径。焊接材料具有不同的化学成分和较低的机械性能比基材。外层焊接层大约5 mm厚。焊接的原因尚不清楚。

2）焊接过程在热影响区产生了内应力。焊缝断面硬度（HV1）为250~480之间存在较大差异。粗晶粒热影响区尤其容易产生应力开裂。断口附近出现闭合裂纹。轴的半径加工不好，这导致额外的应力集中。

3）显微组织显示钢的热处理不当（存在上贝氏体），没有或不充分退火。滚筒涂层的磨损痕迹揭示了输送带皮带轮受力不均匀。