李 博梁 驍黃文和任頌贊

（1. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062）

（2. 上海軌道交通檢測技術(shù)有限公司鑄鍛熱檢測中心 上海 200070）

在役自動扶梯驅(qū)動鏈損傷模式與失效風險研究

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)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062）

（2. 上海軌道交通檢測技術(shù)有限公司鑄鍛熱檢測中心 上海 200070）

本文根據(jù)對不同使用年限的20A-2型號自動扶梯雙排驅(qū)動鏈及其零部件進行損傷觀察、缺陷分析、機械拉伸性能和摩擦磨損性能測試，研究了在役自動扶梯驅(qū)動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。分析了在役自動扶梯驅(qū)動鏈可能存在的失效風險，揭示了在役自動扶梯驅(qū)動鏈及其零部件的主要損傷模式與溜梯事故風險二者的內(nèi)在聯(lián)系，提出如何對自動扶梯驅(qū)動鏈質(zhì)量進行有效控制的建議，給出防范因驅(qū)動鏈斷裂而造成溜梯事故的對策。

自動扶梯 驅(qū)動鏈 損傷模式 事故 風險

近年來，因驅(qū)動鏈斷裂導致自動扶梯倒溜傷人事故時有發(fā)生，其斷裂失效原因往往與驅(qū)動鏈潤滑和維護保養(yǎng)措施不當、驅(qū)動鏈材質(zhì)熱處理工藝不過關(guān)、驅(qū)動鏈的服役時間過長且得不到及時更換等方面有關(guān)，但究其本質(zhì)原因而言，在設(shè)計指標和合理工況范圍內(nèi)服役的自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂現(xiàn)象則與驅(qū)動鏈及其零部件的損傷模式有直接關(guān)聯(lián)。因此，特別是對于未加裝驅(qū)動鏈斷鏈安全保護裝置（附加制動器）的自動扶梯，在役驅(qū)動鏈的質(zhì)量能否得到有效追蹤和控制，直接關(guān)系到特種設(shè)備事故風險和扶梯乘客的人身安全?；诖?，本文針對城市軌道交通場所等人流密集區(qū)域內(nèi)服役的、具有不同使用時間的自動扶梯驅(qū)動鏈（20A-2型號雙排鏈條）進行抽查分析，擬從驅(qū)動鏈及其零部件服役過程中常出現(xiàn)的損傷模式、失效風險和性能評價等方面展開研究。本研究對自動扶梯驅(qū)動鏈的質(zhì)量監(jiān)督抽查、壽命預測、維護保養(yǎng)及明確更換周期等方面，都具有重要的工程意義和研究價值。

1 零部件的主要損傷模式

在國內(nèi)某一線城市核心主城區(qū)地鐵站的人流密集場所內(nèi)，選擇在役的同種品牌、同種型號自動扶梯作為驅(qū)動鏈抽查對象，分別對使用3年、5年、7年的20A-2驅(qū)動鏈抽樣試件（每種使用年期鏈條各抽取3件，共9件）進行表面油脂清洗、宏觀檢驗、金相觀察、化學成分檢測、磨損量測量、SEM掃描電鏡觀察。

成分檢測結(jié)果表明，抽樣鏈條的外鏈板及中間鏈板成分相當于45Mn，而銷軸成分相當于40Cr（成分檢測采標依據(jù)：GB/T 3077—1999、GB/T 699—1999）。結(jié)合宏觀檢驗、金相觀察結(jié)果分析認為，抽樣的在役自動扶梯驅(qū)動鏈及其零部件的主要損傷模式包括：表面脫碳和貧碳缺陷（見圖1）、表面磨損損傷（見圖2、圖3）、先期微裂紋損傷（見圖4、圖5）。其中，表面磨損損傷的主要類型為驅(qū)動鏈銷軸（見圖2）、鏈板（見圖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[見圖3（c）、圖3（d）]；同時，先期微裂紋損傷更易出現(xiàn)在鏈板軸孔、過渡鏈節(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[見圖4、圖5（b）]。

圖1 在役驅(qū)動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)動鏈銷軸表面磨損損傷金相圖片及磨損量測量結(jié)果

圖3 在役驅(qū)動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)動鏈銷軸表面微裂紋損傷金相圖

圖5 在役驅(qū)動鏈鏈板軸孔及過度區(qū)域表層先期微裂紋損傷金相圖片

2 零部件損傷模式的相互影響

1）貧碳脫碳缺陷對先期微裂紋損傷的影響。

通過損傷模式的微觀尺度觀測可以發(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。一般來說，鋼在熱處理工藝過程中的加熱階段內(nèi)，表面碳含量降低的現(xiàn)象為脫碳，如果脫碳現(xiàn)象不太嚴重即屬于貧碳。鋼材表層的貧碳或脫碳會降低表層區(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年使用時間的9條在役驅(qū)動鏈部件中，都反映出目前市場上在役自動扶梯驅(qū)動鏈鋼材熱處理質(zhì)量參差不齊的問題。驅(qū)動鏈條的外鏈板、內(nèi)鏈板的基體組織表面，存在異常脫碳、貧碳的問題突出，特別是當鏈板表面有不同程度貧脫碳現(xiàn)象、貧脫碳深度較大時，這種表面的貧碳脫碳現(xiàn)象則不僅會減低鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強度，還會增大疲勞強度的離散性。這是因為，貧碳脫碳表層組織綜合性能較差，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，從而增強表層脆性開裂風險。

2）磨損損傷對先期微裂紋損傷的影響。

在役自動扶梯鏈條鏈板、銷軸、軸套等零部件的表面或接觸界面的磨損，會造成材料表層的微觀損傷，會形成大量的微觀“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。自動扶梯驅(qū)動鏈在運轉(zhuǎn)過程中，不可避免地長期經(jīng)歷著疲勞載荷的影響，而在復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；當載荷條件（應(yīng)力大小、交互應(yīng)力作用時間等因素）滿足微裂紋的擴展條件時，疲勞開裂則會發(fā)生，而在過載工況條件下裂紋的擴展速率是極快的，往往難以在裂紋的擴展階段進行阻裂預防。

3）貧碳脫碳缺陷對磨損損傷的影響。

在役驅(qū)動鏈鏈板或銷軸鋼材表層的貧碳脫碳缺陷不僅會降低表面硬度，增加裂紋萌生風險，而且會降低材質(zhì)表面的耐磨性。為進行對比試驗，本文選取了7年使用期鏈條中的無明顯脫碳缺陷的鏈板試件、有明顯脫碳缺陷的鏈板試件，分別進行了摩擦磨損測試（試驗裝置如圖6所示），并用高精度天平稱重。測試結(jié)果見圖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，綜合評價認為有明顯脫碳缺陷的鏈板試件耐磨性較差。

圖6 摩擦磨損試驗裝置圖

表1 磨損量和磨損率測量結(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)力對鏈板開裂發(fā)生的影響。

在開裂失效分析過程中，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，銷軸與銷孔之間為鉚接配合，必然也會在軸孔內(nèi)表形成拉應(yīng)力，并在運行中與運行產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加；特別是當銷軸孔的粗糙度控制不當（毛刺過大），或裝配時的應(yīng)力波動過大時，則會形成異常過大的附加拉應(yīng)力，極易在內(nèi)孔表面或轉(zhuǎn)角處誘發(fā)疲勞開裂[見圖5（a）]。又如，在近年國內(nèi)某自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂溜梯事故中，就發(fā)現(xiàn)了該驅(qū)動鏈的斷裂位置位于過渡鏈節(jié)上，并且在過渡鏈節(jié)未發(fā)生完全斷裂的位置，檢測出具有典型疲勞開裂特征的微裂紋（如圖8所示）。這說明，無論是鏈板軸孔邊沿還是過渡鏈節(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)萌生和擴展的應(yīng)力集中區(qū)域。

圖8 某自動扶梯驅(qū)動鏈斷裂事故的過渡鏈板（材質(zhì)：40Mn）斷裂位置及未斷過渡區(qū)域微裂紋形貌

3 抽樣測試機械拉伸性能分析

對本文抽樣的使用3年、5年、7年的20A-2驅(qū)動鏈以及相同廠家、相同材質(zhì)和型號的新出廠鏈條抽樣試件，分別按照GB/T 1243—2006標準的相關(guān)規(guī)定進行機械拉伸性能測試，每組抽樣試件截取三段拉伸樣件分別進行測試，并計算抗破斷力的平均值。測試結(jié)果見表2。

表2 驅(qū)動鏈抽樣機械拉伸性能測試結(jié)果

使用5年期、7年期的20A-2驅(qū)動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準要求，即大于174kN；而使用3年期的20A-2驅(qū)動鏈抽樣試件約為142kN，不滿足標準要求?？梢?，在役驅(qū)動鏈的機械拉伸性能與其使用時間的長短并無必然聯(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，對抗拉力平均值較低的、使用3年期的20A-2驅(qū)動鏈試件測試失效件進行觀察發(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?？梢酝茢啵N軸與鏈板軸孔邊沿接觸區(qū)域產(chǎn)生的銷軸磨損損傷，不僅會直接減小銷軸承力位置的有效直徑，而且也會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，這些因素會降低鏈條的抗破斷力。

圖9 使用3年期的20A-2驅(qū)動鏈機械拉伸失效件斷裂部位形態(tài)

4 在役自動扶梯驅(qū)動鏈損傷模式對斷鏈失效風險的影響及事故預防

本文抽查的在用驅(qū)動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。這說明零件在鏈條長期運行和服役過程中，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)動鏈斷裂和溜梯事故風險：

1）驅(qū)動鏈制造過程中的熱處理工藝不規(guī)范導致材質(zhì)不過關(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載承載的條件下從該區(qū)域迅速擴展，從而為最終的驅(qū)動鏈斷鏈失效和溜梯事故埋下隱患；

2）驅(qū)動鏈條的潤滑措施不到位、缺油周期過長等不當維保行為，會加速鏈條在運行過程中的零部件磨損，特別是在公共軌道交通樞紐（地鐵）等場所的大運量自動扶梯，一般都在負載大、運行時間長的情況下運行，一旦驅(qū)動鏈零部件產(chǎn)生嚴重的、不可逆的磨損缺陷，不僅會直接降低驅(qū)動鏈的承載能力，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)動鏈斷鏈和溜梯事故的風險；

3）驅(qū)動鏈零部件的裝配形式（如，銷軸與鏈板軸孔的裝配）、過渡鏈節(jié)的存在等會使驅(qū)動鏈存在較多的應(yīng)力集中區(qū)域，另外，在維修保養(yǎng)過程中人為地對鏈條過度張緊的操作，也會導致傳動鏈與傳動鏈輪之間、傳動鏈銷軸與接觸鏈片之間存在著較大的應(yīng)力集中，特別是在運行過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)進一步的開裂，而這對驅(qū)動鏈最終抗破斷能力的下降、在較低負載狀態(tài)下發(fā)生瞬間斷裂等事故風險，都會產(chǎn)生嚴重的負面影響。

因此，為了避免驅(qū)動鏈斷裂事故的發(fā)生，一方面是要在驅(qū)動鏈零部件先期裂紋的萌生階段加以預防，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，在自動扶梯規(guī)范化運行的過程中，上述后者又是難以加以量化控制的。而就本文的研究結(jié)果來看，在役自動扶梯驅(qū)動鏈裂紋的萌生與鏈板表面脫碳及生產(chǎn)、服役過程中材質(zhì)表面受到的磨損損傷有關(guān)。所以，若要有效防范驅(qū)動鏈斷裂的溜梯事故風險，就必須著力降低驅(qū)動鏈在服役過程中的先期損傷。

基于上述思路，本文提出以下幾點對策和建議：

1）對于在我國人流密集的公共場所使用的自動扶梯，應(yīng)全面加裝附加制動器，自動扶梯附加制動器的有效性應(yīng)在日常檢查中重點關(guān)注。

2）對于在人流密集的公共場所使用的自動扶梯，建議對驅(qū)動鏈制定嚴格的質(zhì)量標準（包括材質(zhì)、性能），并要有嚴格的驗收制度，避免使用熱處理工藝不合格的鏈條產(chǎn)品。

3）對于未加裝附加制動器的長期滿負荷運行的自動扶梯，應(yīng)針對驅(qū)動鏈加強有效的日常檢查，驅(qū)動鏈局部區(qū)域出現(xiàn)的嚴重磨損和先期開裂如能在日常查驗中及時發(fā)現(xiàn)并進行有效更換，則能有效降低在無附加制動器或附加制動器失效情況下的斷鏈溜梯事故風險。

4）加強自動扶梯日常維護保養(yǎng)過程中對主驅(qū)動鏈條的潤滑保養(yǎng)，各使用單位和維保單位應(yīng)加強對維保人員潤滑技術(shù)操作的監(jiān)督，并嚴格檢查潤滑周期是否按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，同時，選用規(guī)范的潤滑油品也尤為重要。

5 結(jié)論

本文針對城市軌道交通人流密集區(qū)內(nèi)服役的自動扶梯20A-2驅(qū)動鏈進行抽查分析，對使用3年、5年、7年的驅(qū)動鏈抽樣進行了損傷觀察、缺陷分析、機械拉伸性能和摩擦磨損性能測試，從驅(qū)動鏈及其零部件服役過程中常出現(xiàn)的損傷模式、失效風險和性能評價等方面，揭示了在役自動扶梯驅(qū)動鏈的損傷模式及其成因，厘清了在役自動扶梯驅(qū)動鏈及其零部件的主要損傷模式與發(fā)生溜梯事故風險的內(nèi)在聯(lián)系，并提出了對自動扶梯驅(qū)動鏈質(zhì)量進行有效控制、防范因驅(qū)動鏈斷裂而造成溜梯事故的對策和建議。

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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）