王雅澤

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

2009 年06 月，大連某水泵廠所使用一個月的纏線輥在塑料擠出機(jī)的配套輔機(jī)—倒線機(jī)上旋轉(zhuǎn)工作時，纏線輥一側(cè)的塑料擋板（以下簡稱擋板）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。作者對斷裂的擋板的斷口宏觀、微觀形貌進(jìn)行了觀察，工作時受力的分析，最終確定了斷裂原因及其失效性質(zhì)，進(jìn)而對企業(yè)生產(chǎn)工藝提出改進(jìn)措施。

1 檢測分析方法

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)檢測表觀密度；XHS 型邵氏硬度計測試硬度。

2 檢測分析結(jié)果

2.1 現(xiàn)場勘驗

在現(xiàn)場進(jìn)行勘驗，纏線輥上一側(cè)的擋板破碎成4 塊散落在地面，4 道斷裂線都呈散射狀通過φ10 螺栓孔見圖1；纏線輥的其余部分仍然在倒線機(jī)上見圖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 塊的擋板開裂后，裂紋呈放射狀通過φ10 螺栓孔，從斷口形貌發(fā)現(xiàn)斷裂線附近表面局部區(qū)域均不同程度存在細(xì)小裂紋（銀紋）。初步判斷：纏線輥在工作時，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，在纏線輥循環(huán)工作時，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，裂紋表面呈疲勞開裂特征 見圖3?？拷鼡醢灞砻娴臄嗫谶呇貐^(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 見圖4，斷口的終斷區(qū)呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征 見圖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 擋板工作時的受力分析

斷裂后擋板系纏線輥一側(cè)的擋板，在纏線輥進(jìn)行纏線工作時對纏繞在纏線軸上的銅線起軸向定位作用。纏線輥纏線工作時的受力方式 如圖6 所示：纏線輥工作時，在其上纏繞的銅線經(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，銅線涂覆后直徑增大約0．5mm。纏線輥旋時，聚丙烯材料涂覆后的銅線在拉力作用下線徑將變小。當(dāng)銅線纏繞在纏線軸上后，因銅線產(chǎn)生回彈漲力，線徑將變大。由于纏線輥上的銅線為多層密排纏繞，每排銅線都要回彈，銅線之間相互產(chǎn)生擠壓力；且纏線輥在纏繞過程中每層銅線也要對下層銅線產(chǎn)生擠壓力。擠壓力分解的軸向力作用到纏線輥的擋板上，并傳遞到其后的金屬加強(qiáng)板上，使其產(chǎn)生變形。經(jīng)實際測量，擋板后起加強(qiáng)作用的金屬加強(qiáng)板已變形約5mm。纏線輥上纏滿銅線后，在塑料擠出機(jī)配帶的輔機(jī)- 倒線機(jī)上旋轉(zhuǎn)，向其他小纏線輥倒線。在倒線過程中隨著纏線輥上的銅線逐漸減少，纏線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?。?。纏線輥反復(fù)纏線和倒線的工作過程使擋板反復(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，在倒線過程中，由于擋板所承受的銅線側(cè)軸向力逐步變小，且在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)下，擋板疲勞斷裂飛出。

3.2 材料性能對擋板的影響

擋板由于力學(xué)強(qiáng)度過大是脆性材料，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薄弱位置的疲勞強(qiáng)度[6]。采取上述措施后，避免發(fā)生類似斷裂現(xiàn)象。