纏線(xiàn)輥塑料擋板斷裂分析

王雅澤

大連產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司 遼寧大連 116021

2009 年06 月，大連某水泵廠(chǎng)所使用一個(gè)月的纏線(xiàn)輥在塑料擠出機(jī)的配套輔機(jī)—倒線(xiàn)機(jī)上旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，纏線(xiàn)輥一側(cè)的塑料擋板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)擋板）發(fā)生斷裂甩出，導(dǎo)致人身事故。該擋板主要聚合物為聚氯乙烯（PVC），為硬質(zhì)聚氯乙烯擠出板材，密度為1．30g/cm2-1．50g/cm2[1]，邵氏硬度為D65-85。作者對(duì)斷裂的擋板的斷口宏觀、微觀形貌進(jìn)行了觀察，工作時(shí)受力的分析，最終確定了斷裂原因及其失效性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)企業(yè)生產(chǎn)工藝提出改進(jìn)措施。

1 檢測(cè)分析方法

JSM5600 型掃描電鏡觀察斷口的微觀特征和材料成分；按GB/T1033．1-2008 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)表觀密度；XHS 型邵氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。

2 檢測(cè)分析結(jié)果

2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘驗(yàn)，纏線(xiàn)輥上一側(cè)的擋板破碎成4 塊散落在地面，4 道斷裂線(xiàn)都呈散射狀通過(guò)φ10 螺栓孔見(jiàn)圖1；纏線(xiàn)輥的其余部分仍然在倒線(xiàn)機(jī)上見(jiàn)圖2。擋板后起加強(qiáng)作用的厚度3mm 的金屬板已明顯變形。

2.2 斷口宏觀檢查

斷裂成4 塊的擋板開(kāi)裂后，裂紋呈放射狀通過(guò)φ10 螺栓孔，從斷口形貌發(fā)現(xiàn)斷裂線(xiàn)附近表面局部區(qū)域均不同程度存在細(xì)小裂紋（銀紋）。初步判斷：纏線(xiàn)輥在工作時(shí)，其擋板重復(fù)承受交變應(yīng)力，受力一面局部區(qū)域逐漸產(chǎn)生眾多細(xì)小裂紋，在纏線(xiàn)輥循環(huán)工作時(shí)，該細(xì)小裂紋作為裂紋源逐步沿徑向和板厚方向擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定程度時(shí)發(fā)生疲勞斷裂[2]。

2.3 斷口微觀檢查

在擋板1-4 斷口處取樣，在掃描電鏡下觀察斷口的微觀特征，觀察結(jié)果證實(shí)了上述宏觀檢查的初步判斷，即擋板斷裂確為疲勞損壞斷裂。掃描電鏡觀察表明：擋板斷口附近的擋板表面局部區(qū)域存在著眾多放射狀細(xì)小裂紋，裂紋表面呈疲勞開(kāi)裂特征 見(jiàn)圖3。靠近擋板表面的斷口邊沿區(qū)域呈現(xiàn)明顯受力撕裂特征，斷口中間部分存在裂紋擴(kuò)展的疲勞輝紋 見(jiàn)圖4，斷口的終斷區(qū)呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征 見(jiàn)圖5。

2.4 塑料擋板的材質(zhì)檢查

從已斷裂的擋板上取樣，在紅外線(xiàn)掃描儀下檢查其材質(zhì)。主要聚合物為聚氯乙烯（PVC），為硬質(zhì)聚氯乙烯板材[3]。

2.5 擋板的性能

擋板的平均密度為：1．8929g/cm2，不符合GB/T13520-1992《硬質(zhì)聚氯乙烯擠出板材》的標(biāo)準(zhǔn)要求；邵氏硬度為90-91；另外聚氯乙烯的玻璃化溫度為82℃，此聚氯乙烯材料在82℃以下（包括常溫）屬脆性材料[4]。

3 斷裂分析原因

3.1 擋板工作時(shí)的受力分析

斷裂后擋板系纏線(xiàn)輥一側(cè)的擋板，在纏線(xiàn)輥進(jìn)行纏線(xiàn)工作時(shí)對(duì)纏繞在纏線(xiàn)軸上的銅線(xiàn)起軸向定位作用。纏線(xiàn)輥纏線(xiàn)工作時(shí)的受力方式 如圖6 所示：纏線(xiàn)輥工作時(shí)，在其上纏繞的銅線(xiàn)經(jīng)塑料擠出機(jī)在其圓周表面均勻涂覆了一層聚丙烯材料，銅線(xiàn)涂覆后直徑增大約0．5mm。纏線(xiàn)輥旋時(shí)，聚丙烯材料涂覆后的銅線(xiàn)在拉力作用下線(xiàn)徑將變小。當(dāng)銅線(xiàn)纏繞在纏線(xiàn)軸上后，因銅線(xiàn)產(chǎn)生回彈漲力，線(xiàn)徑將變大。由于纏線(xiàn)輥上的銅線(xiàn)為多層密排纏繞，每排銅線(xiàn)都要回彈，銅線(xiàn)之間相互產(chǎn)生擠壓力；且纏線(xiàn)輥在纏繞過(guò)程中每層銅線(xiàn)也要對(duì)下層銅線(xiàn)產(chǎn)生擠壓力。擠壓力分解的軸向力作用到纏線(xiàn)輥的擋板上，并傳遞到其后的金屬加強(qiáng)板上，使其產(chǎn)生變形。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，擋板后起加強(qiáng)作用的金屬加強(qiáng)板已變形約5mm。纏線(xiàn)輥上纏滿(mǎn)銅線(xiàn)后，在塑料擠出機(jī)配帶的輔機(jī)- 倒線(xiàn)機(jī)上旋轉(zhuǎn)，向其他小纏線(xiàn)輥倒線(xiàn)。在倒線(xiàn)過(guò)程中隨著纏線(xiàn)輥上的銅線(xiàn)逐漸減少，纏線(xiàn)輥上擋板因承受外力所產(chǎn)生的變形逐漸減小，直至完全消除。但金屬加強(qiáng)板產(chǎn)生塑性變形不能恢復(fù)，使擋板與金屬加強(qiáng)板之間產(chǎn)生間隙（外緣變形較大，中心部位變形較?。＠p線(xiàn)輥反復(fù)纏線(xiàn)和倒線(xiàn)的工作過(guò)程使擋板反復(fù)受力變形，裂紋逐步擴(kuò)展加深，金屬加強(qiáng)板的變形逐步變大，其與擋板間的間隙也逐步變大。當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，在倒線(xiàn)過(guò)程中，由于擋板所承受的銅線(xiàn)側(cè)軸向力逐步變小，且在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)下，擋板疲勞斷裂飛出。

3.2 材料性能對(duì)擋板的影響

擋板由于力學(xué)強(qiáng)度過(guò)大是脆性材料，在旋轉(zhuǎn)工作中反復(fù)承受交變應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，是造成斷裂的主要原因。

4 結(jié)論及建議

擋板屬硬質(zhì)聚氯乙烯板材，系脆性材料，不應(yīng)用于制作承受交變應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)件[5]，其性能不符合是導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。應(yīng)合理的投料質(zhì)量，嚴(yán)格控制成型工藝條件，減少機(jī)械加工的表面缺陷對(duì)薄弱位置的疲勞強(qiáng)度[6]。采取上述措施后，避免發(fā)生類(lèi)似斷裂現(xiàn)象。