李 博梁 驍黃文和任頌贊
(1. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062)
(2. 上海軌道交通檢測(cè)技術(shù)有限公司鑄鍛熱檢測(cè)中心 上海 200070)
在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈損傷模式與失效風(fēng)險(xiǎn)研究
李 博1梁 驍1黃文和1任頌贊2
(1. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062)
(2. 上海軌道交通檢測(cè)技術(shù)有限公司鑄鍛熱檢測(cè)中心 上海 200070)
本文根據(jù)對(duì)不同使用年限的20A-2型號(hào)自動(dòng)扶梯雙排驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件進(jìn)行損傷觀察、缺陷分析、機(jī)械拉伸性能和摩擦磨損性能測(cè)試,研究了在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈表面脫碳和貧碳缺陷、表面磨損、先期微裂紋等損傷模式及其成因。分析了在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈可能存在的失效風(fēng)險(xiǎn),揭示了在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件的主要損傷模式與溜梯事故風(fēng)險(xiǎn)二者的內(nèi)在聯(lián)系,提出如何對(duì)自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈質(zhì)量進(jìn)行有效控制的建議,給出防范因驅(qū)動(dòng)鏈斷裂而造成溜梯事故的對(duì)策。
自動(dòng)扶梯 驅(qū)動(dòng)鏈 損傷模式 事故 風(fēng)險(xiǎn)
近年來(lái),因驅(qū)動(dòng)鏈斷裂導(dǎo)致自動(dòng)扶梯倒溜傷人事故時(shí)有發(fā)生,其斷裂失效原因往往與驅(qū)動(dòng)鏈潤(rùn)滑和維護(hù)保養(yǎng)措施不當(dāng)、驅(qū)動(dòng)鏈材質(zhì)熱處理工藝不過(guò)關(guān)、驅(qū)動(dòng)鏈的服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且得不到及時(shí)更換等方面有關(guān),但究其本質(zhì)原因而言,在設(shè)計(jì)指標(biāo)和合理工況范圍內(nèi)服役的自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈斷裂現(xiàn)象則與驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件的損傷模式有直接關(guān)聯(lián)。因此,特別是對(duì)于未加裝驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈安全保護(hù)裝置(附加制動(dòng)器)的自動(dòng)扶梯,在役驅(qū)動(dòng)鏈的質(zhì)量能否得到有效追蹤和控制,直接關(guān)系到特種設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn)和扶梯乘客的人身安全。基于此,本文針對(duì)城市軌道交通場(chǎng)所等人流密集區(qū)域內(nèi)服役的、具有不同使用時(shí)間的自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈(20A-2型號(hào)雙排鏈條)進(jìn)行抽查分析,擬從驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件服役過(guò)程中常出現(xiàn)的損傷模式、失效風(fēng)險(xiǎn)和性能評(píng)價(jià)等方面展開(kāi)研究。本研究對(duì)自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈的質(zhì)量監(jiān)督抽查、壽命預(yù)測(cè)、維護(hù)保養(yǎng)及明確更換周期等方面,都具有重要的工程意義和研究?jī)r(jià)值。
在國(guó)內(nèi)某一線城市核心主城區(qū)地鐵站的人流密集場(chǎng)所內(nèi),選擇在役的同種品牌、同種型號(hào)自動(dòng)扶梯作為驅(qū)動(dòng)鏈抽查對(duì)象,分別對(duì)使用3年、5年、7年的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈抽樣試件(每種使用年期鏈條各抽取3件,共9件)進(jìn)行表面油脂清洗、宏觀檢驗(yàn)、金相觀察、化學(xué)成分檢測(cè)、磨損量測(cè)量、SEM掃描電鏡觀察。
成分檢測(cè)結(jié)果表明,抽樣鏈條的外鏈板及中間鏈板成分相當(dāng)于45Mn,而銷軸成分相當(dāng)于40Cr(成分檢測(cè)采標(biāo)依據(jù):GB/T 3077—1999、GB/T 699—1999)。結(jié)合宏觀檢驗(yàn)、金相觀察結(jié)果分析認(rèn)為,抽樣的在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件的主要損傷模式包括:表面脫碳和貧碳缺陷(見(jiàn)圖1)、表面磨損損傷(見(jiàn)圖2、圖3)、先期微裂紋損傷(見(jiàn)圖4、圖5)。其中,表面磨損損傷的主要類型為驅(qū)動(dòng)鏈銷軸(見(jiàn)圖2)、鏈板(見(jiàn)圖3)等零部件的表面疲勞磨損和黏著磨損,需要指出的是,其磨損形態(tài)在微觀尺度上多表現(xiàn)為“犁溝”或“溝槽”、“蝕坑”,從理論上分析認(rèn)為,這些磨損形態(tài)的微觀損傷極易成為先期微裂紋、特別是疲勞微裂紋的萌生優(yōu)選區(qū)域[見(jiàn)圖3(c)、圖3(d)];同時(shí),先期微裂紋損傷更易出現(xiàn)在鏈板軸孔、過(guò)渡鏈節(jié)等零部件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域,且在微觀尺度上觀察到的開(kāi)裂位置多出現(xiàn)在銷軸或鏈板的表層貧碳或脫碳區(qū)域[見(jiàn)圖4、圖5(b)]。


圖1 在役驅(qū)動(dòng)鏈部件表面脫碳和貧碳缺陷金相圖片

圖2 使用3年期在役驅(qū)動(dòng)鏈銷軸表面磨損損傷金相圖片及磨損量測(cè)量結(jié)果


圖3 在役驅(qū)動(dòng)鏈鏈板表面磨損損傷SEM掃描電鏡圖片

圖4 使用5年期在役驅(qū)動(dòng)鏈銷軸表面微裂紋損傷金相圖

圖5 在役驅(qū)動(dòng)鏈鏈板軸孔及過(guò)度區(qū)域表層先期微裂紋損傷金相圖片
1)貧碳脫碳缺陷對(duì)先期微裂紋損傷的影響。
通過(guò)損傷模式的微觀尺度觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn),先期微裂紋的出現(xiàn)不僅與區(qū)域所受應(yīng)力條件有關(guān),而且多伴隨著所在區(qū)域的貧碳或脫碳缺陷。一般來(lái)說(shuō),鋼在熱處理工藝過(guò)程中的加熱階段內(nèi),表面碳含量降低的現(xiàn)象為脫碳,如果脫碳現(xiàn)象不太嚴(yán)重即屬于貧碳。鋼材表層的貧碳或脫碳會(huì)降低表層區(qū)域內(nèi)材質(zhì)的硬度和抗疲勞性能。本文所抽查的3年、5年、7年使用時(shí)間的9條在役驅(qū)動(dòng)鏈部件中,都反映出目前市場(chǎng)上在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈鋼材熱處理質(zhì)量參差不齊的問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)鏈條的外鏈板、內(nèi)鏈板的基體組織表面,存在異常脫碳、貧碳的問(wèn)題突出,特別是當(dāng)鏈板表面有不同程度貧脫碳現(xiàn)象、貧脫碳深度較大時(shí),這種表面的貧碳脫碳現(xiàn)象則不僅會(huì)減低鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,還會(huì)增大疲勞強(qiáng)度的離散性。這是因?yàn)椋毺济撎急韺咏M織綜合性能較差,每一處貧脫碳的缺陷表層均是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的優(yōu)選位置,且貧碳脫碳表層在表面應(yīng)力作用下易發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變,從而增強(qiáng)表層脆性開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。
2)磨損損傷對(duì)先期微裂紋損傷的影響。
在役自動(dòng)扶梯鏈條鏈板、銷軸、軸套等零部件的表面或接觸界面的磨損,會(huì)造成材料表層的微觀損傷,會(huì)形成大量的微觀“溝槽”、微觀“蝕坑”,而這些微觀損傷則是疲勞裂紋源萌生的優(yōu)選位置。自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,不可避免地長(zhǎng)期經(jīng)歷著疲勞載荷的影響,而在復(fù)雜多向載荷的交互作用下,疲勞裂紋則擇優(yōu)選取微觀損傷位置萌生;當(dāng)載荷條件(應(yīng)力大小、交互應(yīng)力作用時(shí)間等因素)滿足微裂紋的擴(kuò)展條件時(shí),疲勞開(kāi)裂則會(huì)發(fā)生,而在過(guò)載工況條件下裂紋的擴(kuò)展速率是極快的,往往難以在裂紋的擴(kuò)展階段進(jìn)行阻裂預(yù)防。
3)貧碳脫碳缺陷對(duì)磨損損傷的影響。
在役驅(qū)動(dòng)鏈鏈板或銷軸鋼材表層的貧碳脫碳缺陷不僅會(huì)降低表面硬度,增加裂紋萌生風(fēng)險(xiǎn),而且會(huì)降低材質(zhì)表面的耐磨性。為進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),本文選取了7年使用期鏈條中的無(wú)明顯脫碳缺陷的鏈板試件、有明顯脫碳缺陷的鏈板試件,分別進(jìn)行了摩擦磨損測(cè)試(試驗(yàn)裝置如圖6所示),并用高精度天平稱重。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7、表1所示。結(jié)果表明:有明顯脫碳缺陷的鏈板試件摩擦系數(shù)較高,磨損率也較高,綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為有明顯脫碳缺陷的鏈板試件耐磨性較差。

圖6 摩擦磨損試驗(yàn)裝置圖

表1 磨損量和磨損率測(cè)量結(jié)果

圖7 摩擦系數(shù)曲線結(jié)果
4)殘余應(yīng)力與裝配應(yīng)力對(duì)鏈板開(kāi)裂發(fā)生的影響。
在開(kāi)裂失效分析過(guò)程中,往往還應(yīng)考慮工件的殘余應(yīng)力及裝配應(yīng)力的影響。例如,鏈板在運(yùn)行中,軸孔邊沿往往是拉應(yīng)力最大區(qū)域;另外,在鏈條裝配時(shí),銷軸與銷孔之間為鉚接配合,必然也會(huì)在軸孔內(nèi)表形成拉應(yīng)力,并在運(yùn)行中與運(yùn)行產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加;特別是當(dāng)銷軸孔的粗糙度控制不當(dāng)(毛刺過(guò)大),或裝配時(shí)的應(yīng)力波動(dòng)過(guò)大時(shí),則會(huì)形成異常過(guò)大的附加拉應(yīng)力,極易在內(nèi)孔表面或轉(zhuǎn)角處誘發(fā)疲勞開(kāi)裂[見(jiàn)圖5(a)]。又如,在近年國(guó)內(nèi)某自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈斷裂溜梯事故中,就發(fā)現(xiàn)了該驅(qū)動(dòng)鏈的斷裂位置位于過(guò)渡鏈節(jié)上,并且在過(guò)渡鏈節(jié)未發(fā)生完全斷裂的位置,檢測(cè)出具有典型疲勞開(kāi)裂特征的微裂紋(如圖8所示)。這說(shuō)明,無(wú)論是鏈板軸孔邊沿還是過(guò)渡鏈節(jié)外沿位置,均是在同等材質(zhì)條件和使用工況條件下微裂紋擇優(yōu)萌生和擴(kuò)展的應(yīng)力集中區(qū)域。

圖8 某自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈斷裂事故的過(guò)渡鏈板(材質(zhì):40Mn)斷裂位置及未斷過(guò)渡區(qū)域微裂紋形貌
對(duì)本文抽樣的使用3年、5年、7年的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈以及相同廠家、相同材質(zhì)和型號(hào)的新出廠鏈條抽樣試件,分別按照GB/T 1243—2006標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行機(jī)械拉伸性能測(cè)試,每組抽樣試件截取三段拉伸樣件分別進(jìn)行測(cè)試,并計(jì)算抗破斷力的平均值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 驅(qū)動(dòng)鏈抽樣機(jī)械拉伸性能測(cè)試結(jié)果
使用5年期、7年期的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈試件以及相同廠家、相同材質(zhì)的新出廠20A-2鏈條抽樣試件的抗破斷力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,即大于174kN;而使用3年期的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈抽樣試件約為142kN,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。可見(jiàn),在役驅(qū)動(dòng)鏈的機(jī)械拉伸性能與其使用時(shí)間的長(zhǎng)短并無(wú)必然聯(lián)系。
但也要注意到,使用3年、5年、7年的在役20A-2驅(qū)動(dòng)鏈抽樣試件的抗破斷力均小于新出廠20A-2鏈條抽樣試件,究其原因應(yīng)與本次抽查的在役驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件存在的材質(zhì)表面脫碳和貧碳缺陷、表面磨損損傷、先期微裂紋損傷等有關(guān)聯(lián)。特別地,對(duì)抗拉力平均值較低的、使用3年期的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈試件測(cè)試失效件進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),其主要拉伸破斷部位為銷軸,銷軸斷面多位于銷軸的磨損區(qū)域內(nèi)部或磨損區(qū)域附近,如圖9所示。可以推斷,銷軸與鏈板軸孔邊沿接觸區(qū)域產(chǎn)生的銷軸磨損損傷,不僅會(huì)直接減小銷軸承力位置的有效直徑,而且也會(huì)在銷軸與鏈板軸孔接觸區(qū)域內(nèi)造成新生的應(yīng)急集中,這些因素會(huì)降低鏈條的抗破斷力。

圖9 使用3年期的20A-2驅(qū)動(dòng)鏈機(jī)械拉伸失效件斷裂部位形態(tài)
本文抽查的在用驅(qū)動(dòng)鏈銷軸和鏈片表面的磨損現(xiàn)象明顯,不僅伴隨著脫碳和貧碳的材質(zhì)缺陷,甚至出現(xiàn)了材質(zhì)表面的二次淬火層(發(fā)生馬氏體相變),而且,還發(fā)現(xiàn)了存在著先期微裂紋損傷。這說(shuō)明零件在鏈條長(zhǎng)期運(yùn)行和服役過(guò)程中,由于以下若干原因,均可能產(chǎn)生表面脫碳和貧碳缺陷、表面磨損、先期微裂紋等損傷,并直接增加了驅(qū)動(dòng)鏈斷裂和溜梯事故風(fēng)險(xiǎn):
1)驅(qū)動(dòng)鏈制造過(guò)程中的熱處理工藝不規(guī)范導(dǎo)致材質(zhì)不過(guò)關(guān)、存在著貧碳或脫碳缺陷,這些熱處理缺陷直接降低了驅(qū)動(dòng)鏈零部件表面的硬度、抗疲勞能力以及耐磨損性能,不僅易產(chǎn)生磨損從而降低抗破斷能力,而且易成為先期微裂紋的萌生優(yōu)選區(qū)域,并使得裂紋在疲勞承載或過(guò)載承載的條件下從該區(qū)域迅速擴(kuò)展,從而為最終的驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈?zhǔn)Ш土锾菔鹿事裣码[患;
2)驅(qū)動(dòng)鏈條的潤(rùn)滑措施不到位、缺油周期過(guò)長(zhǎng)等不當(dāng)維保行為,會(huì)加速鏈條在運(yùn)行過(guò)程中的零部件磨損,特別是在公共軌道交通樞紐(地鐵)等場(chǎng)所的大運(yùn)量自動(dòng)扶梯,一般都在負(fù)載大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的情況下運(yùn)行,一旦驅(qū)動(dòng)鏈零部件產(chǎn)生嚴(yán)重的、不可逆的磨損缺陷,不僅會(huì)直接降低驅(qū)動(dòng)鏈的承載能力,而且,磨損產(chǎn)生的大量微觀“溝槽”、“蝕坑”形貌會(huì)成為先期微裂紋萌生的優(yōu)選位置,從而增加了最終驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈和溜梯事故的風(fēng)險(xiǎn);
3)驅(qū)動(dòng)鏈零部件的裝配形式(如,銷軸與鏈板軸孔的裝配)、過(guò)渡鏈節(jié)的存在等會(huì)使驅(qū)動(dòng)鏈存在較多的應(yīng)力集中區(qū)域,另外,在維修保養(yǎng)過(guò)程中人為地對(duì)鏈條過(guò)度張緊的操作,也會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈與傳動(dòng)鏈輪之間、傳動(dòng)鏈銷軸與接觸鏈片之間存在著較大的應(yīng)力集中,特別是在運(yùn)行過(guò)程中零部件配合位置的相互擠壓、摩擦、碰撞等多種微觀形式的長(zhǎng)期和交互作用下,應(yīng)力集中位置的零部件表層材質(zhì)不僅會(huì)產(chǎn)生硬化(出現(xiàn)粗大馬氏體組織),而且也易產(chǎn)生磨損以及微裂紋等損傷,并誘發(fā)進(jìn)一步的開(kāi)裂,而這對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈最終抗破斷能力的下降、在較低負(fù)載狀態(tài)下發(fā)生瞬間斷裂等事故風(fēng)險(xiǎn),都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。
因此,為了避免驅(qū)動(dòng)鏈斷裂事故的發(fā)生,一方面是要在驅(qū)動(dòng)鏈零部件先期裂紋的萌生階段加以預(yù)防,也即是降低材質(zhì)表面微觀損傷作為裂紋萌生擇優(yōu)位置的概率,而另一方面則是弱化疲勞斷裂所需的應(yīng)力應(yīng)變條件。但一般情況下,在自動(dòng)扶梯規(guī)范化運(yùn)行的過(guò)程中,上述后者又是難以加以量化控制的。而就本文的研究結(jié)果來(lái)看,在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈裂紋的萌生與鏈板表面脫碳及生產(chǎn)、服役過(guò)程中材質(zhì)表面受到的磨損損傷有關(guān)。所以,若要有效防范驅(qū)動(dòng)鏈斷裂的溜梯事故風(fēng)險(xiǎn),就必須著力降低驅(qū)動(dòng)鏈在服役過(guò)程中的先期損傷。
基于上述思路,本文提出以下幾點(diǎn)對(duì)策和建議:
1)對(duì)于在我國(guó)人流密集的公共場(chǎng)所使用的自動(dòng)扶梯,應(yīng)全面加裝附加制動(dòng)器,自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器的有效性應(yīng)在日常檢查中重點(diǎn)關(guān)注。
2)對(duì)于在人流密集的公共場(chǎng)所使用的自動(dòng)扶梯,建議對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈制定嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(包括材質(zhì)、性能),并要有嚴(yán)格的驗(yàn)收制度,避免使用熱處理工藝不合格的鏈條產(chǎn)品。
3)對(duì)于未加裝附加制動(dòng)器的長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行的自動(dòng)扶梯,應(yīng)針對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈加強(qiáng)有效的日常檢查,驅(qū)動(dòng)鏈局部區(qū)域出現(xiàn)的嚴(yán)重磨損和先期開(kāi)裂如能在日常查驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效更換,則能有效降低在無(wú)附加制動(dòng)器或附加制動(dòng)器失效情況下的斷鏈溜梯事故風(fēng)險(xiǎn)。
4)加強(qiáng)自動(dòng)扶梯日常維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中對(duì)主驅(qū)動(dòng)鏈條的潤(rùn)滑保養(yǎng),各使用單位和維保單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)維保人員潤(rùn)滑技術(shù)操作的監(jiān)督,并嚴(yán)格檢查潤(rùn)滑周期是否按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行,同時(shí),選用規(guī)范的潤(rùn)滑油品也尤為重要。
本文針對(duì)城市軌道交通人流密集區(qū)內(nèi)服役的自動(dòng)扶梯20A-2驅(qū)動(dòng)鏈進(jìn)行抽查分析,對(duì)使用3年、5年、7年的驅(qū)動(dòng)鏈抽樣進(jìn)行了損傷觀察、缺陷分析、機(jī)械拉伸性能和摩擦磨損性能測(cè)試,從驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件服役過(guò)程中常出現(xiàn)的損傷模式、失效風(fēng)險(xiǎn)和性能評(píng)價(jià)等方面,揭示了在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈的損傷模式及其成因,厘清了在役自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈及其零部件的主要損傷模式與發(fā)生溜梯事故風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)在聯(lián)系,并提出了對(duì)自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)鏈質(zhì)量進(jìn)行有效控制、防范因驅(qū)動(dòng)鏈斷裂而造成溜梯事故的對(duì)策和建議。
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Research on Material Damage Modes and Failure Risk of In-service Escalator Drive Chain
Li Bo1Liang Xiao1Huang Wenhe1Ren Songzan2
(1. Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research (SSEI) Shanghai 200062)
(2. Shanghai Railway Certification Co., Ltd. (SRCC) Shanghai 200070)
Based on the damage observation, defect analysis, tensile mechanical properties and friction wear performance testing of the 20A-2 typed double-row drive chain and its parts of escalators with different service lives, this paper reveals different damage models and their causes, such as the surface decarburization and low carbon defects, surface wear and fatigue micro-crack in the escalator drive chain in service. The typical failure mode analysis of the failure risk which may exist in the in-service escalator drive chain and its components was carefully conducted. It reveals the inherent relationship between the main damage mode of drive chain components of escalator and the staircase accident risk. Then it puts forward suggestions that how to highlight the in-service escalator drive chain quality control for preventing drive chain broken causing the accidents.
Escalator Drive chain Damage Mode Accident Risk
X941
B
1673-257X(2017)04-0030-06
10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.006
李博(1986~),男,博士,工程師,從事特種設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性研究及特種設(shè)備事故調(diào)查技術(shù)工作。
2016-10-25)