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電子吊秤斷裂事故案例分析
1、材料缺陷引起的10t吊秤下連接件連接螺釘斷裂
連接螺釘為M36，材料為40Cr鍛件，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，硬度HRC28—32。
斷裂螺釘?shù)慕鹣嘁妶D1。對(duì)照GB3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)可以看出，所用材料夾雜大小明顯超過標(biāo)準(zhǔn)。這類較大的夾雜對(duì)材料力學(xué)性能的影響主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，別是在高強(qiáng)鋼內(nèi)部，這類夾雜形成的應(yīng)力集中在較低的應(yīng)力水平下也能形成裂紋！而裂紋旦出現(xiàn)，就會(huì)迅速擴(kuò)大，zui終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。此外，該材料還有比較明顯的偏析，也降低了材料強(qiáng)度。
圖1 X100
在另起類似事故中，我們發(fā)現(xiàn)金相組織中有魏氏體存在。魏氏體的存在使鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性都大幅度降低，尤其是對(duì)沖擊韌性影響zui大，甚至降低50—70%。所以在比較重要的產(chǎn)品中是不允許魏氏體存在的。
2、偏大的吊鉤導(dǎo)致的10t吊秤下連接件連接螺桿斷裂
這是個(gè)與吊秤機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問題。吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖2。結(jié)構(gòu)的上部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶聲稱實(shí)際稱重量從未超過10t，但還是發(fā)生了斷裂事故。
經(jīng)過觀察事故吊秤，發(fā)現(xiàn)螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對(duì)稱，但是裂紋擴(kuò)展區(qū)并不對(duì)稱，斷裂區(qū)約為整個(gè)截面的三分之。斷口初步觀察表明，斷裂區(qū)面積較小，斷面致密，說明材料質(zhì)量和熱處理狀態(tài)基本正常。螺桿受到了彎矩作用，才是導(dǎo)致斷裂的主要原因。問題在于，彎矩何來？
進(jìn)步仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，吊環(huán)螺釘內(nèi)環(huán)面上方有兩處明顯的壓痕，疑是與吊鉤的接觸壓痕。壓痕距吊環(huán)的中心線比較遠(yuǎn)。
經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在臺(tái)15t的吊車上使用。也就是說，吊鉤尺寸較大而吊環(huán)相對(duì)較小。在兩者的接觸處，吊鉤的曲率半徑大于吊環(huán)的曲率半徑，所以就有了兩個(gè)接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動(dòng)找到鉛垂位置，容易形成圖二所示的情形。在這種情況下，螺紋在受到拉力的同時(shí)，又經(jīng)常受到個(gè)附加彎矩的的作用，也可以說，螺紋是因?yàn)槌惺艿氖谴笮〔淮_定，但是方向確定的偏心載荷而zui終導(dǎo)致斷裂。
3、C型吊鉤直接連接下拉頭導(dǎo)致傳感器螺紋斷裂
這是家金屬制品廠的技改項(xiàng)目，于鋼卷的搬運(yùn)。額定起重量為20t，實(shí)際起重量連C型吊鉤總共18t左右。使用不到年時(shí)間，傳感器螺紋處斷裂。
經(jīng)了解該廠起重操作規(guī)范，不存在操作失誤。而傳感器是用40CrNiMoA制造，熱處理規(guī)范，螺紋直徑M52X3，似乎也不應(yīng)該發(fā)生這樣的事故。只好請(qǐng)金屬材料檢測(cè)中心做斷口分析。
分析表明，傳感器材料的金相組織以及機(jī)械性能基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬疲勞破壞，左右兩個(gè)疲勞源，大體在對(duì)稱位置，疲勞擴(kuò)展區(qū)占了斷面三分之二以上。zui后斷裂區(qū)電子顯微鏡掃描顯示韌窩，屬韌性斷裂。
但是斷口分析不能說明彎矩是怎樣產(chǎn)生的所以還得從結(jié)構(gòu)上找原因。
原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖4。與我們通常的電子吊秤不同的是，C型吊鉤直接通過軸銷與下拉頭相連接，而不是把C型吊鉤掛在電子吊秤的吊鉤上。
我們知道，在起重作業(yè)過程中，重物通常要作上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)，有勻速運(yùn)動(dòng)，也要有加速、減速運(yùn)動(dòng)。電子吊秤除了承受重物的重量外，不可避免地受到各個(gè)方向的附加慣性力。這些附加力有多少會(huì)傳到傳感器上，取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖四的結(jié)構(gòu)中，下軸銷方向的附加慣性力不可避免地會(huì)傳到傳感器上，使傳感器的螺紋受到彎矩作用。
這分析后來又為另起類似結(jié)構(gòu)吊秤的斷裂事故證實(shí)，斷口形態(tài)也為相似。
本案中傳感器的螺紋載荷高達(dá)150t，然而僅在不到20t的重物作用下斷了。關(guān)鍵的問題是重物在水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力直接作用到螺紋上，該慣性力與載荷的方向垂直，對(duì)螺桿而言是個(gè)彎矩。在這個(gè)彎矩和重力載荷的反復(fù)作用下，zui終發(fā)生疲勞破壞。
有關(guān)教科書中在談到螺紋聯(lián)結(jié)的抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)提到，“在涉及抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)接頭的疲勞征，而不是它的靜強(qiáng)度。”
這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加以注意的。只要注意到了，也就是可以防范了。