支架断裂

2024-09-02

支架断裂（精选4篇）

支架断裂篇1

1 概述

综采一队回采的1492 (1) 工作面所用支架为ZY5000/11/24型液压支架, 在回采过程中106#支架底座断裂, 因此该架无法完成抵车工序, 且抗压能力大幅度降低, 底座严重变形导致尾梁、四联杆及平衡千斤顶失去作用, 对安全回采影响很大。在口内领导带领下, 通过井上模拟及现场勘查, 制定了更换支架底座方案, 该方案经实际运用, 取得良好效果, 整个更换过程耗时仅12小时, 完成了安全、快捷、经济目标。

2 方案制定及实施

2.1 方案制定

该面共154台支架, 损坏位置位于第106号支架, 距离轨顺还有48架, 因此排除整架更换方案, 原因如下:1) 将106#支架整架丢弃不经济。2) 将48台支架依次望下靠架工期太长, 且要面临长期顶板管理困难、安全威胁大难题。通过地面模拟及现场勘查, 决定采取更换支架底座方案。

2.2 方案实施

2.2.1 前期准备

1) 随工作面回采, 对105#~107#架范围的顶板进行锚网支护。钢带顺山支设, 中心正对105#架中心, 间距为800mm。金属网规格采用8#铁丝加工50mm菱形网眼1m×5m金属网, 钢带为4.4m M5钢带, 锚杆规格为∮20m m×2.2m金属锚杆。

要求:锚网支护要一直紧跟煤帮。在煤机割过106#架后, 伸出支架伸缩梁进行临时支护, 待煤机至机头或机尾时, 再行锚网施工, 不得耽误正常生产。

2) 工作面每回采一刀, 在106#架架顶沿顺山穿一根4.5m矿用11#工字钢, 中心位置位于106#架中心, 与105#、107#支架完全搭接, 以避免锚网在拉架时损坏, 并起加强支护作用, 工字钢要用8#铁丝栓牢在顶板金属网上, 以防吊斜。

3) 随工作面回采, 采取挑顶、刹底、调架等放方法逐步调整工作面采高及施工段架间隙, 确保104#~108#架采高在2.2m~2.3m之间, 105#架上边缘与107#架下边缘宽度不小于1.8m~2.0m。为后期底座拆除及安装准备足够的施工空间。

2.2.2 支架底座及组件拆除工作

1) 自锚网支护开始, 工作面回采5刀 (4.0m) 后, 105#、107#只抵车后不拉架, 再割一刀煤, 此时将105#、107#支架推移杆与链板机连接的水平销去除, 该段采用单体进行抵车, 抵车过后将106#架拉超前, 此时106#架与105#、107#架相错两个步距 (1.6m) , 106#架顶梁与尾梁连接销及四联杆与尾梁连接销完全暴露在邻架架档位置, 且锚网支护已吃进106#支架尾梁后侧 (支架顶梁全长4.3m) 。已具备安全拆除空间。2) 采用两根16m的7′钢丝绳分两处将106#架顶梁与105#架、107#架顶梁栓挂牢固, 其中一根栓在邻架前梁梁端位置, 另一根栓在邻架立柱外侧。要求:钢丝绳完好, 栓成双股, 每处绳卡不得少于4副, 绳卡螺丝要上满上紧。另外采用四根单体进行辅助支撑, 其中两根打在链板机电缆槽外侧, 另外两根打在支架顶梁与尾梁连接处外侧, 必须保证单体垂直支设, 且分布均匀。3) 待顶梁稳固可靠后, 采用游锤、16T千斤顶等专用工具将106#架解成三块:“顶梁”、立柱、“底座+四连杆+尾梁”。立柱运到邻架架档位置栓带牢固, “顶梁”随回采在邻架带动下缓慢前移, “底座+四连杆+尾梁”随工作面回采逐渐丢入老塘。

2.2.3 底座及组件打运和安装条件的准备

1) 当底座的前端完全进入老塘时, 再割三刀煤, 第一刀煤正常抵车移架;第二刀煤割过后100#架至机尾只抵车不拉架, 并将105#、107#支架推移杆与链板机连接的水平销去除, 采用单体进行抵车, 抵车过后将106#架拉超前;第三刀煤割过后, 100#架至机尾不抵车不拉架, 要保持此段链板机前、后及106#架后侧均有1个步距的空间。此时将锚网支护至煤帮, 煤壁采用单体配合笆片、搪柴、金属网、大撞锲等背严实。2) 拆除105#~107#链板机电缆槽。

2.2.4 支架底座及组件打运

1) 通过打运系统将支架底座及组件打运至无极绳尾轮位置脱车。2) 采用J H-18.5绞车配合10T滑轮将支架底座及组件拖运至工作面机尾。3) 采用5T葫芦将支架底座及组件吊进工作面链板机内。4) 采用道板配合7′钢丝绳将支架底座及组件栓牢在链板机链条上, 开动链板机将备件运至106#架附近待装。

2.2.5 支架底座及组件安装

1) 安装顺序:摆放支架底座———安装四联杆尾杆———安装尾梁———安装四联杆前杆———安装立柱及平衡千斤顶———恢复管路———对接顶梁———调试。2) 必备工具及材料:5T葫芦4个、40T锚链5条、5T蛤蟆头10个、200mm×200mm×300mm木垫墩5个、1.2m小单体2根、2.0m单体2根, 撬棍3根、大锤2把、10T千斤顶2个、游锤2把及配套专用高强Φ16m m螺丝连接头4个、机电工常用工具等。3) 施工方法:主要是各部件销孔对接, 采用葫芦、单体配合撬棍进行对接;专用销子必须提前镗细5mm。

2.2.6 后续工作

1) 安装链板机电缆槽。2) 采用锚链将105#、107#支架与链板机连接后拉架, 上齐水平销。3) 撤除帮部支护后正常割煤。

3 技术、经济分析

1) 支架底座断裂及处理是潘三矿建矿以来第一次出现, 该方案成功实施, 为以后深井高地压回采出现的支架底座断裂问题, 提供了技术支持及实践经验。2) 该方案抛弃了传统丢支架、加架思想, 避开了加架方案施工工期长、顶板管理困难弊端, 具有施工工期短, 且简单易行, 真正实现了安全、快速更换目标, 基本不影响生产。3) 从经济上看, 该方案能保留了旧支架大部分部件, 若条件允许几乎可以做到只丢弃损坏支架的底座, 节约成本近10万元。4) 该方案采用锚网配合工字钢进行顶板管理, 整个施工准备期间不耽误正常生产, 又能完全控制好顶板, 即稳当又安全。

4 结语

煤矿发展到今天, 新的机电设备将面临着巨大的考验, 支架底座断裂在集团公司范围内也是首次出现, 随着深水平不断开拓, 高地压、高温度等严酷环境将不断升级, 以前出现的支架顶梁压穿、变形等问题也给我们许多思考空间, 过去重做切眼, 将支架丢弃的行为必须取缔, 让技术、经济一体化来解决一切, 相信煤矿的明天更加辉煌。

参考文献

[1]张文月.放顶煤液压支架底座的技术改造[J].科技情报开发与经济, 2003.

[2]高荣, 曹永鸿.支架底座损坏的力学分析[J].煤炭科学技术, 1988.

汽车发动机支架断裂原因分析篇2

1 试验方法和结果

1.1 试验对象

试验对象为某汽车公司行车过程发生断裂的汽车发动机支架,该支架材料为ADC12压铸铝合金。

1.2 宏观断口观察

断裂支架的外观整体形貌见图1;采用光学显微镜对该铝合金支架进行断口宏观观察,发现其断口表面呈暗灰色,断口包含了纤维区、放射区和剪切唇区三个区域,断裂支架断口宏观形貌见图2;采用3D数码光学显微镜对断口表面进行观察,断口表面各区域均可见大量铸造孔洞,且分布随机,断口口表表面面孔孔洞洞见见图图33。。

1.3 成分测试

采用火花直读光谱仪对断裂支架的材料成分进行测试,并将测试结果与标准JIS H5302-2006[6]中ADC12的成分要求进行对比,结果见表1。由表1可以看出,与标准中的要求相比,该断裂失效的支架材料中Cu的含量偏低,Si和Fe的含量偏高。断裂支架材料的化学成分不符合JIS H5302-2006中ADC12的成分要求。

wt%

1.4 断口显微观察

在支架断口表面附近区域及远离断口区域切取金相试样,经0.5%氢氟酸水溶液腐蚀后观察金相组织,如图4所示。从图中可见白色的α固溶体呈枝晶状和块状分布,其基体为α+Si共晶体,共晶硅呈段条状分布,此外在共晶体中存在部分黑色点状物质,与标准ADC12的金相显微组织无明显差异。

所切取的金相样品经研磨抛光后表面可观察到明显的孔洞,有的裂纹起源于孔洞处,且裂纹贯穿孔洞。将金相样品经过腐蚀后发现,表面可见的孔洞在内部是连通的,可看作为一个孔洞,如图5和图6所示。由图6可知,该支架材料内部的孔洞的最大尺寸为431.3μm,且多数孔洞的尺寸大于200μm。

1.5 硬度测试

采用布氏硬度计对支架材料进行硬度测试,实验结果见表2。由测试结果可知该断裂支架的硬度值比标准的要求值略低。

1.6 失效样品断口SEM测试

采用SEM对支架断口进行表面微观形貌观察,在观察之前对断口表面采用超声清洗和吹扫,以排除断口表面有外来物的可能,由SEM观察可见断口所有区域的形貌均有韧窝特征,如图7所示,同时在断口表面能明显看到二次裂纹和铸造孔洞,靠近断口表面处存在裂纹(图8)。同时在断口韧窝处有第二相颗粒存在(图9)。

1.7 断口缺陷部位EDS分析

采用EDS能谱仪对断口表面第二相颗粒(图8b图中的白色光亮点颗粒和图9韧窝中圆形颗粒)的成分进行分析,EDS谱图及各元素含量分别如图10和图11所示。

从测试结果可知,白色光亮点颗粒的主要含有C、O、Al、Si元素,其质量分数分别为52.14%、6.25%、23.23%和5.66%,韧窝中圆形颗粒处的能谱分析表明该处基本不含C和O,Al和Si元素的质量分数分别为74.61%和18.63%。这些C和O可能为浇注过程中带入的渣滓及氧化膜而形成的。C元素易和Al结合形成Al4C3等脆性相,这些脆性相颗粒的存在割裂了基体材料的连续性,易成为裂纹源,降低了材料的力学性能。

图11 韧窝中圆形颗粒的EDS能谱图及各元素含量

2 试验结果分析

上述试验结果表明,断裂支架材料的化学成分不满足相关标准的要求,该失效的支架材料中Cu含量偏低,Si和Fe含量偏高。Cu含量偏低降了低合金材料的流动性、抗拉强度和硬度。Si和Fe是杂质元素,对合金材料的性能有显著的影响,含量过高时会使铸件产生裂纹。断口显微观察的结果表明,该支架材料内部含有较多的铸造孔洞,断口表面有些裂纹起源于孔洞处。通过SEM观察发现,断口形貌以韧性断裂为主,在整个断口表面存在较多的韧窝,断口表面附近位置存在裂纹,并且在断口表面区域存在铸造缩孔和第二相颗粒。

文献[7]研究了ADC12压铸件中孔洞与力学性能关系,结果表明在ADC12压铸生产过程中,必须将孔洞的最大尺寸控制在180μm以下,否则将会影响压铸件的力学性能。孔洞的体积分数越多,尺寸越大,压铸件的力学性能就越差。该断裂支架的材料内部的孔洞最大尺寸为431.3μm,且多数孔洞的尺寸均大于200μm,铸造孔洞的尺寸超出了应控制尺寸的上限。材料的硬度测试结果表明该支架材料的硬度值略低于JIS标准要求的范围。由于铸造过程中引入的孔洞大于标准所要求的尺寸范围,使得材料的力学性能下降,导致该支架在使用过程中发生断裂。

3 结论

断裂支架材料的化学成分不符合要求,同时失效支架的材料中存在尺寸较大的铸造孔洞。支架材料在铸造加工过程中残留的铸造孔洞较多且分布随机,这些铸造孔洞的存在降低了材料的性能,同时存在脆性的第二相颗粒割裂基体材料的连续性,使其性能降低,导致该支架在使用过程中发生断裂失效。

由于该支架断裂与材料本身成分及铸造缺陷相关,因此可以通过改善材料的铸造工艺过程来进行改善。比如,控制材料成分中的Si、Fe等元素含量,使其成分更接近共晶成分,提高流动性;加强熔炼过程的控制,在满足要求的前提下降低熔炼温度及减少熔炼时间,减少Fe含量的增加,有利于消除孔洞缺陷;在成分满足要求的前提下,可适当增加合金液中Ti元素的含量抑制树枝晶的长大,起到细化晶粒的作用;同时还可以在材料铸造过程中采用精炼除气的方法以降低合金液中的氧化物夹杂和含气量。

参考文献

[1]孙钰,卢晨,赵诚.汽车发动机支架的挤压铸造工艺开发[J].铸造工程,2008(6):32.

[2]黄丽荣,汤宏智,贾爽.轿车发动机支架断裂原因分析[J].汽车工艺和材料,2009(5):32.

[3]牟淑志,杜春江.发动机支架结构拓扑优化设计[J].拖拉机与农用运输车,2008,35(4):107.

[4]翟丽颖.发动机前安装支架断裂原因分析[J].天津汽车:生产应用,2006(3):24.

[5]罗刚,蒋志刚,高荣.发动机后悬置支架1001114-B50B0工艺分析[J].机床与液压,2010,38(10):20.

[6]日本工业标准化管理委员会.铝及铝合金压铸件JIS H5302-2006[J].日本标准出版社,2006.

支架断裂篇3

某柴油滤支架安装在柴油机功率输出端, 在进行台架振动考核试验中受到柴油机传递的冲击载荷, 工作仅20 h后发生断裂。柴油滤支架虽然不是发动机的核心部件, 但其可靠性直接影响整个发动机能否正常工作, 因此需要分析该支架的断裂原因, 并提出解决方案。

1 断裂原因分析

对断裂支架进行故障分析, 如图1为支架在整机中的安装示意、三维模型及断裂位置示意图。断裂位置为支架折弯处, 观察断口模式, 发现断面光滑, 可见明显疲劳扩张条纹, 判断为振动疲劳断裂。所谓振动疲劳破坏机理, 是所受循环应力 (如振动、冲击、噪声载荷等) 的频率分布与结构共振, 从而引起结构中最薄弱 (或有缺陷) 部位的晶体首先沿最大剪应力方向发生滑移或位错, 由此逐渐积累直至发展为较大的滑移带[1,2,3], 出现断裂。

目前有关支架的有限元分析方法, 大都只考虑静载状态下的强度校核, 而实际上, 支架在静载状态下发生破坏故障的情况极其少见, 其失效行为大多是由于整机振动产生的交变冲击载荷而引起的疲劳破坏[4,5,6]。但由于载荷较为复杂, 很难完全准确模拟, 因此对支架进行疲劳分析的研究还很少见。我们拟采用对比分析的原则, 以试验测得的数据为边界条件, 运用有限元前后处理软件FEMAP和NASTRAN求解器, 对原支架进行故障复现仿真分析。根据计算结果, 应用古德曼图对失效位置开展安全系数疲劳校核, 在此基础上提出多种支架改进方案, 并对新方案进行评估, 确定最优方案。

2 断裂故障复现及安全系数评估

2.1 柴油滤支架有限元模型建立

该支架使用铸铝101材料铸造而成, 主要结构是支架固定板和柴油滤支撑板, 板厚度为8 mm, 两部分之间连接加强筋, 加强筋厚度为5 mm。运用FEMAP建立有限元模型, 采用四面体十节点单元进行网格划分, 这种网格解析负荷大, 计算占用资源多, 会延长计算时间。但由于包含二阶节点, 使单元具有较好的性能, 可以显著提高计算精度[7、8]。设置网格大小为2.5 mm, 保证在厚度方向上至少有两层以上的单元, 减小计算误差。图2为支架有限元模型, 其中包括59 457个单元和93 195个节点。

2.2 加载及边界条件确定

支架在工作时承受柴油滤重力 (约60 N) , 参考整机振动试验测试的V型夹角后端加速度结果, 见表1, 该位置与柴油滤支架安装位置非常接近。本次仿真计算, 在柴油滤支撑面上水平方向、垂直方向和曲轴轴向三个方向施加冲击载荷, 选取三个方向加速度分别出现最大值的三个工况进行计算, 即2 200, 1 900, 1 700 r/min。同时, 对支架侧面与发动机连接位置全约束, 加载情况见图。

2.3求解及计算结果

仿真计算选用NX Nastran求解器, 图4、图5所示为转速2 200 r/min时, 柴油滤支架的最大、最小主应力变化云图, 其余两个工况变形走势情况与应力集中位置与该工况类同。

由此可以看出, 支架应力集中位置位于支架折弯处, 与实际断裂位置相符, 说明该部位为支架结构薄弱位置, 具体计算结果见表。2

2.4 安全系数评估

针对本次计算结果, 对断裂位置进行安全系数评估。在机械设计中, 零件的初步尺寸和基本形状确定后, 对结构的高应力危险点进行疲劳强度校核, 计算出的安全系数n应等于或大于许用安全系数[n][9]。我们使用古德曼图进行安全系数评估, 古德曼图是以强度破坏准则为基础, 依据材料特性以及静载下得到的平均应力及应力幅计算安全系数的一种方法[10], 广泛应用于疲劳强度设计中。古德曼图做法如下:

a.以O点为原点建立XY直角坐标系, 其中X轴为平均应力, Y轴为应力幅。

b.M (-σ, 0) , C (0, s在坐标系中建立点σ) , N (σ, 0) , F (0, σ) , D (σ, 0) ;ss-1b其中σ为材料屈服极限, σ为材料疲劳强度, σs-1b为材料强度极限。

c.做直线CM, CN, 过点F做X轴平行线, 与CM交于E, 连接FD与CN交于点G。

d.如图6所示, MEFGN区域即为安全区域。

e.分别取零件危险点的平均应力及应力幅为横纵坐标, 建立点H, 连接OH并延伸与MEFGN区域边界交于点K, 零件危险点的安全系数即为点K, H的纵坐标之比B/A。

已知铸铝101材料σb=250 Mpa, σs=200MPa, σ-1=50 MPa。根据上述方法作出该材料的古德曼图, 并校核三个工况下的安全系数, 分别为1.89, 1.85, 1.79。

根据《安全系数和许用应力》判断, 在静载情况下, 对脆性材料的安全系数取ns=2~3.5, 显然该支架的安全系数无法满足许用要求, 在应力集中位置必然会发生疲劳断裂。

3 结构优化设计

3.1 四种改进方案

针对断裂发生的位置, 提出几种改进方案, 主要在支架折弯位置加几种不同形式的加强筋, 从而加强该部位的结构强度。各方案改进后的结构见表3。

3.2 各方案疲劳强度分析及安全系数评估

使用与原方案相同的加载方式及边界条件, 对提出的四种改进方案进行疲劳强度分析, 通过分析发现, 应力集中位置与原方案基本相同, 但最大及最小主应力发生了变化, 使用铸铝101的古德曼图对各方案安全系数进行了评估, 计算结果及安全系数见表4。

由表4可以看出, F1, F2方案各工况下的安全系数均低于材料的安全系数范围 (2~3.5) , F4方案刚好位于材料安全系数范围以内, 显然这三种方案均不能满足使用要求。F3方案的计算结果虽然大于材料安全系数范围, 但仅仅是略高于最大限值, 当支架材料、加工工艺、安装时的拧紧力矩等外界因素稍有偏离正常值, 会导致支架出现故障的概率加大, 尤其采用铸造工艺, 分散性较大。如果安全系数取值偏低时, 在应力集中的位置出现断裂, 是很有可能的。同时方案3采用加横筋的方式, 工艺性非常差, 很难实现。

综合考虑各种因素, 提出更换材料的方案。

3.3 更换材料后方案

3.3.1 原方案更换材料后安全系数评估

现将支架改为20号钢焊接结构, 各支撑板的厚度不变, 将此方案定为F5方案, 加载方式不变, 再次进行疲劳强度仿真分析。计算结果显示, 应力集中位置与更换材料前相同, 最大及最小主应力略有降低, 使用20号钢的古德曼图对安全系数进行评估, 结果见表。5

从表5可以看出, 更换材料后, 应力集中位置的安全系数有了较大的提高。同时, 20号钢的材料性能远远优于铸铝101, 20号钢的强度极限为410 MPa, 屈服极限为245 MPa, 疲劳强度为164MPa。且20号钢为塑性材料, 在静载情况下, 塑性材料的安全系数取ns=1.2~2.5。显然, 更换材料后的支架可以满足使用要求。

虽然20号钢性能良好, 但是其密度大约为铸铝101的3倍, 也就是说F5方案的总质量大约为原方案的3倍, 而支架在整机上的安装仅仅是依靠两个M12的螺栓固定在机体后端, 如果质量过高, 可能会因为装配载荷过小而造成支架松动, 加剧振动破坏, 或引起接触面滑移、磨损等故障出现。因此考虑在使用20号钢的前提下, 对原支架结构进行调整, 并将此方案定为F 6。

3.3.2 F6方案安全系数评估

对原支架结构进行调整, 板厚度均改为5mm, 并在柴油滤支撑面上增加两个减重孔来减轻支架整体质量, 仍旧使用20号钢焊接工艺。图7为改进后的支架三维模型。

对此方案进行疲劳强度计算, 图8、图9为2 200 r/min工况下最大、最小主应力变化情况。计算结果显示, 应力集中位置的最大最小主应力较原方案和F5方案都有提高, 这是由于支架板厚度减小引起的。使用古德曼图进行安全系数评估, 结果见表。6

可见F6方案的安全系数大于材料许用范围, 说明此方案满足使用要求, 同时此方案的质量约为原方案的1.4倍, 显然是几种选择中最优的方案, 将此方案定为最终方案。

4 最终方案试验验证

为验证改进方案的可行性, 模拟整机状态对其进行了冲击振动试验。本次冲击振动试验是在东菱振动试验台上开展。燃油滤支架按实际装机方式固定在试验台上, 上平面安装6 kg的配重物, 其重心与实际柴油滤重心位置重合。试验台架情况见图1 0。

试验过程中, 加载的最大载荷为4.5 g;振动次2 000万次;试验共计时长11.5 h, 其中, 振动频率为400 Hz时, 试验进行2 h, 500 Hz时, 试验进行9.5 h。

试验过程中, 每0.5 h对支架进行外观检查, 整个过程中未发生断裂及安装松动情况。试验结束后拆检柴油滤支架, 支架整体外观无明显变形, 各焊接钢板未发现异常, 各焊缝处无裂纹产生。

在部件试验基础上, 焊接支架随整机进行了200多小时的保险期考核试验, 考核完成后, 支架未出现任何质量问题。

试验结果说明, 改进后的燃油滤支架具有较高的可靠性, 可以满足整机的使用要求。

5 结论

a.我们基于有限元法, 以对比分析的原则为指导, 对某柴油机柴油滤支架进行振动疲劳断裂分析, 根据分析结果对支架进行改进, 提出六种改进方案, 前四种基于结构, 后两种基于材料。计算表明, 该支架的初始设计安全系数不满足使用要求, 进行结构改进后, 仍难以满足使用需求, 在将材料更改为20号钢后, 两种方案在强度上均有了较大提高, 应力集中位置的安全系数均大于许用安全系数。考虑到支架质量问题, 最终选择了F6方案。

b.通过CAE分析软件可以快速判断机械结构的应力集中情况, 同时使用古德曼图进行安全系数评估, 在设计阶段对零件安全性进行预测, 指导结构优化, 此方法大大缩短了产品的研发周期。

参考文献

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[2]张仁斌, 黄义勇, 成全胜.基于ABAQUS的某微型车辆转向支架优化分析[J].机械设计与制造, 2012, (7) :191-193.

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[9]刘鸿文.材料力学. (第4版) [M].北京:高等教育出版社, 2005.

支架断裂篇4

关键词：连接头,断裂,液压支架,推移连接头

液压支架是煤矿综采设备系列中的支护设备,其作用是支护和控制顶板,防止它冒落,为工作面设备和人员提供安全的作业空间,具备支撑、切顶、移架、推移输送机等一系列功能。推移连接头作为连接液压支架和刮板输送机的连接部件,在工作面的推进过程中与推杆一起起到了推溜和拉架的作用,故其性能的好坏对于工作面的正常推进起到了至关重要的作用。

郑州煤矿机械集团股份有限公司生产制造的ZZ9200/25/50支撑掩护式液压支架于2008年11月开始下井试用,在使用约3个月时,部分推移连接头陆续发生断裂,给安全生产带来隐患。为保证工作面的安全生产及正常推进,需在对断裂连接头进行检测的基础上,查明连接头断裂的原因,以采取相应改进措施,从而避免断裂现象的发生。

1 断裂连接头检测

1.1 化学成分

按照GB/T 1467—1978《冶金产品化学分析方法标准的总则及一般规定》对该连接头进行材质分析,连接头材料为ASTM.A148,结果见表1(该化验结果由郑州煤矿机械集团股份有限公司铸造化学试验室提供)。从该连接头化学成分来看,碳含量偏高,其余正常。

1.2 硬度测试

硬度试验在HDL-1875型布洛维硬度计试验机上进行。把试样用预磨机对测试表面进行处理,使试样上下表面平行,且测试面无划痕,表面粗糙度Ra值不大于0.2 μm,然后进行硬度测试。从一边到另一边每隔3 mm测量1次,每处测量3个点,试验力的保持时间为15～20 s。将每处3个点的硬度值取平均值作为该处的硬度实验值,硬度值沿截面的分布如图1所示。

由图1可以看出,连接头截面硬度值分布梯度较陡,表面与心部相差较大,淬透层较浅。

1.3 宏观组织检验

(1)低倍放大镜检测。

连接头断口表面粗糙,无明显的断裂源,某些部位的分离面光滑。心部呈碎石状,周边为裂纹快速发展的撕裂棱。断口处无塑性变形痕迹。由断口形貌看来,工件的塑性、韧性差,在受载、尤其受动载荷时,容易发生断裂。

(2)低倍显微镜检验。

该检测按照《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》(GB/T 226—1991)进行。将在连接头上所取得的试样表面加工到粗糙度Ra值不大于1.6 μm,用汽油将表面油污清除干净,然后用硝酸水溶液进行浸蚀,去除表面氧化膜,并冲洗吹干。

在该酸蚀的试片上距周边2～4 mm处,有2个直径约2 mm的砂眼。心部点状疏松,有几处呈5～6 mm的链珠状。夹杂物多为脆性,且量较多,有的块较大,心部发现的最大块尺寸为0.8 mm×2.0 mm。

1.4 金相组织检测

该检测按照GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》进行。将准备好的试块用2%～4%的硝酸酒精溶液浸蚀,从检测表面边缘到中心进行观察。表面总脱碳约0.75 mm,向里约2 mm为回火索氏体+少量铁素体,再向里2～3 mm为铁素体+回火索氏体+珠光体,再向里15～20 mm为铁素体+珠光体,其余为魏氏体+珠光体+铁素体。

2 断裂分析

(1)从断口的形貌上来讲,属于脆性断裂。通过低倍放大镜检测未发现明显的裂纹扩展痕迹,宏观断口上呈粗瓷状,断裂机理应为沿晶脆性断裂。从宏观上来说,材料机体中分布较多的杂质;从微观上来说,S、P等杂质在晶界聚集较多,脆性较大,且分布较多,导致连接头在承受较大外力时没有产生塑性变形直接断裂。另外,磷含量偏高也容易引起沿晶界分离,含碳量高也降低了它的塑性和韧性。

(2)材料心部砂眼与链球状点状疏松的存在为连接头的断裂提供了充分的裂纹源,由于晶界聚集的脆性杂质较多,裂纹沿晶界快速扩展,使得材料内部晶粒无法产生滑移,也就产生了脆性断裂的断口形貌。

(3)从金相组织检测结果来看,表层为回火索氏体+铁素体,内部为铁素体+珠光体+少量的魏氏体,由此可以看出:①此铸件材料成分偏析较为严重,心部含碳量较高;②淬火效果不理想,从心部组织看,淬火时材料心部没有达到淬火温度。

引起断裂的原因主要是夹杂物量多而且块大,但是其他原因也不应当忽视。从推移连接头断裂处的支架工作面地质条件来看,倾斜角度较大,且底板较为松软,故连接头在推拉时不仅受到推溜力和拉架力,另外还受到较大的扭转力,这也是引起断裂的主要原因之一。

3 改进意见

(1)应当提高冶炼质量,减少成分偏析材料的内部缺陷,如砂眼、气孔等。

(2)冶炼时严格控制化学成分,使脆性增加的碳和杂质的含量更应该得到严格控制。

(3)由于连接头在工作时受到的力较为复杂,可以适当采用机械性能及淬透性更好的材料,以适应井下的地质条件。

(4)铸件淬火加热时,应适当延长保温时间,并减少每次的装炉活件量,以保证调质后各成分均匀。

(5)增加铸后活件的探伤工序。

4 结语

针对检测分析结果,对原工艺进行了改进:在为用户提供补制件时,将材料由ASTM.A148改为综合机械性能更好的ZG30Cr06A,并严格控制冶炼过程中各种杂质的含量,对每件活件均进行超声波探伤,以确保内部无缺陷,同时在热处理调质时将淬火保温时间提高1 h。

按照改进工艺措施生产出的连接头,于2009年3月在井下使用,至今尚未发现断裂现象。