淺析扁平接鏈環(huán)的失效形式

楊 正，王金洲

(兗礦集團(tuán)鄒城金明機(jī)電有限公司，山東 兗州 273500)

隨著井下采煤機(jī)械功率不斷增大，圓環(huán)鏈和接鏈環(huán)的規(guī)格也在不斷增大，既增加安全性，也大大提高生產(chǎn)效率。現(xiàn)國(guó)外已有扁平鏈，超扁平鏈(如德國(guó)蒂勒公司、JDT公司等)。這樣運(yùn)輸機(jī)高度可以盡可能降低，運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)也可以升級(jí)到更大功率的級(jí)別上，與之配合的接鏈環(huán)也產(chǎn)生了礦用鏈條用立式接鏈環(huán)和礦用鏈條用平式接鏈環(huán)。在一些新建的礦井中基本都采用這種新的鏈條傳送。但是在國(guó)內(nèi)一些舊的礦井中還有很多在使用圓環(huán)鏈和扁平接鏈環(huán)。

礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)是煤礦刮板輸送機(jī)上的重要傳動(dòng)部件，其聯(lián)接形式有多種:鋸齒聯(lián)接，弧齒聯(lián)接，圓銷聯(lián)接，扁銷聯(lián)接等。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的是弧齒聯(lián)接(如圖1)，其頂圓和根圓同徑不用心，當(dāng)圓環(huán)鏈?zhǔn)盏脚まD(zhuǎn)力矩時(shí)有自鎖功能，弧齒有很大的過(guò)渡圓角，使齒不會(huì)因應(yīng)力集中而斷裂。使用特點(diǎn)是可以用作平環(huán)，也可以用作立環(huán)，且安裝拆卸簡(jiǎn)單，受力穩(wěn)定。

圖1 孤齒接鏈環(huán)

MT/T99－1997《礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)目中，除了表面質(zhì)量和尺寸外，還有兩個(gè)重要的機(jī)械性能指標(biāo):破斷強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際使用過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)際拉力負(fù)荷遠(yuǎn)未達(dá)到破斷負(fù)荷，所以單純因?yàn)槔^(guò)大致使斷裂失效的現(xiàn)象比較少見(jiàn)，疲勞斷裂失效現(xiàn)象比較常見(jiàn)。而圓環(huán)鏈為整體結(jié)構(gòu)，壽命要高于接鏈環(huán)，所以在輸送過(guò)程中接鏈環(huán)是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。如果在生產(chǎn)中發(fā)生接鏈環(huán)破斷，因影響生產(chǎn)直接造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。

在接鏈環(huán)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者一般會(huì)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)尺寸分配、熱處理幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)考慮。材料要選優(yōu)質(zhì)合金鋼，選用較多的是20MnVB，20CrMnTi，23MnNiMoCrA等，最后一種材料要優(yōu)于前兩種材料，其淬透性好，且容易得到理想的馬氏體組織。在結(jié)構(gòu)尺寸分配上，結(jié)合弧齒面的傾斜角度、齒深、齒寬，以及齒根圓角，既要避免應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋失效，又要達(dá)到破斷強(qiáng)度。這在很多文獻(xiàn)中都有分析，而在使用過(guò)程和試驗(yàn)中有兩個(gè)潛在失效形式被很多設(shè)計(jì)者忽略。

1．硬度偏高引起的二次淬火

圖2 外部裂紋

對(duì)樣件切割取樣后在高倍顯微鏡下，發(fā)現(xiàn)在摩擦面上布滿了橫向裂紋，如圖3所示。

圖3 橫切面裂縫

此裂紋如果向深層繼續(xù)發(fā)展，就會(huì)在外力作用下斷裂。

根據(jù)MT/T99－1997《礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)》標(biāo)準(zhǔn)，接鏈環(huán)的寬度要高于圓環(huán)鏈11－13mm。當(dāng)接鏈環(huán)用作立環(huán)時(shí)，如果發(fā)生磨損，其首當(dāng)其沖。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定，圓環(huán)鏈與接鏈環(huán)不應(yīng)與底板接觸。但是由于煤礦井下環(huán)境惡劣，條件有限，有些礦井無(wú)法做到所有底板都在一個(gè)平面上，尤其是工作面較長(zhǎng)的大角度礦井，當(dāng)有底板稍微向上突起時(shí)接鏈環(huán)就可能與底板接觸摩擦。此時(shí)，接鏈環(huán)將與之相連的臨近圓環(huán)鏈抬起，壓力增大，局部摩擦產(chǎn)生的溫度瞬間超過(guò)AC3以上，即在表面產(chǎn)生二次淬火層。如果此時(shí)接鏈環(huán)硬度較高，裂紋會(huì)迅速向內(nèi)擴(kuò)展，很快發(fā)生失效。在這樣的礦井中要調(diào)整底板的平面度非常困難，摩擦無(wú)法避免，唯一的辦法就是提高材料的韌性，降低接鏈環(huán)的硬度。但是硬度太低，接鏈環(huán)磨損速度快，壽命也會(huì)降低，這就要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況確定。

2．接鏈環(huán)微動(dòng)疲勞

在實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)中，一些廠家的接鏈環(huán)疲勞性能達(dá)不到要求，在30000次左右就斷裂失效了。除結(jié)合處外，有很大一部分是在接鏈環(huán)外齒脖頸處(如圖3)和中心孔外齒中心孔處(如圖4)。

圖4 失效現(xiàn)象一

圖5 失效現(xiàn)象二

情況失效原因:實(shí)驗(yàn)室施加的試驗(yàn)載荷是拉－拉載荷，并且呈曲線周期變化。承受載荷疲勞負(fù)荷的變化導(dǎo)致接鏈環(huán)與圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)與中心鎖銷的變形相應(yīng)變化。因而接鏈環(huán)與圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)與鎖銷接觸位置發(fā)生微幅移動(dòng)，即發(fā)生微量的反復(fù)交變滑移。這種微量反復(fù)交變滑移引起接觸邊緣即中心圓弧處極大的脈動(dòng)拉應(yīng)力和摩擦力，造成微動(dòng)損傷，通常把這種損傷叫咬蝕，從而微動(dòng)疲勞裂紋在此處萌生，微動(dòng)損傷區(qū)外緣是微動(dòng)疲勞裂紋萌生的主要部位之一。微動(dòng)疲勞裂紋也可以在微動(dòng)作用的表面下，材料的塑性受到約束的區(qū)域產(chǎn)生。表面摩擦力的作用使微裂紋在冷作硬化層內(nèi)延伸，并向自由表面及向內(nèi)擴(kuò)展，形成疲勞裂紋源。主裂紋可以是一條或幾條匯集而成。微動(dòng)疲勞壽命比普通疲勞壽命下降幅度很大，微動(dòng)裂紋在疲勞壽命的極早期產(chǎn)生，微動(dòng)裂紋初始擴(kuò)展很快，其擴(kuò)展速率主要取決于微動(dòng)區(qū)內(nèi)交變摩擦力接觸應(yīng)力及外加循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到超出摩擦力的作用，則摩擦力對(duì)裂紋擴(kuò)展不起作用。此時(shí)裂紋的擴(kuò)展主要受外加循環(huán)應(yīng)力控制，接鏈環(huán)進(jìn)入低周疲勞。

由此可見(jiàn)，必須提高微動(dòng)疲勞壽命，降低微動(dòng)疲勞裂紋早期擴(kuò)展。接鏈環(huán)和中心鎖銷硬度需要合理搭配，規(guī)范熱處理，使原始類晶粒進(jìn)一步細(xì)化，提高材料韌性，硬度值在HRC41左右。另外，在加工中心孔時(shí)應(yīng)在接鏈環(huán)兩半環(huán)上加接近使用過(guò)程中的工作載荷，這樣在接鏈環(huán)使用中會(huì)增加與中心鎖銷的接觸面積，即便有交變應(yīng)力，也會(huì)延長(zhǎng)裂紋產(chǎn)生與發(fā)展時(shí)間。

[1]華元?dú)J．接鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)和失效分析[J]．煤炭機(jī)電，1989

[2]曲娟，李淮．新型弧形齒扁平接鏈環(huán)的研制[J]．礦山機(jī)械，2004

[3]王兆，徐慶莘．礦用圓環(huán)鏈斷口分析[J]．山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994