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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,。對照GB3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼標準可以看出,，所用材料夾雜大小明顯超過標準。這類較大的夾雜對材料力學性能的影響主要是降低材料的塑性,、韌性和疲勞性能,，別是在高強鋼內(nèi)部，這類夾雜形成的應力集中在較低的應力水平下也能形成裂紋,！而裂紋旦出現(xiàn),，就會迅速擴大，zui終導致構(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度,、塑性,、韌性都大幅度降低，尤其是對沖擊韌性影響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,、偏大的吊鉤導致的10t吊秤下連接件連接螺桿斷裂
這是個與吊秤機械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問題。吊秤的機械結(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,。疲勞源左右對稱，但是裂紋擴展區(qū)并不對稱,，斷裂區(qū)約為整個截面的三分之,。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,，才是導致斷裂的主要原因,。問題在于，彎矩何來,？
進步仔細觀察發(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,。
經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在臺15t的吊車上使用,。也就是說,，吊鉤尺寸較大而吊環(huán)相對較小。在兩者的接觸處,，吊鉤的曲率半徑大于吊環(huán)的曲率半徑,，所以就有了兩個接觸點。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動找到鉛垂位置,，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,，又經(jīng)常受到個附加彎矩的的作用,，也可以說，螺紋是因為承受的是大小不確定,，但是方向確定的偏心載荷而zui終導致斷裂,。
3、C型吊鉤直接連接下拉頭導致傳感器螺紋斷裂
這是家金屬制品廠的技改項目,，于鋼卷的搬運,。額定起重量為20t，實際起重量連C型吊鉤總共18t左右,。使用不到年時間,，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,，似乎也不應該發(fā)生這樣的事故,。只好請金屬材料檢測中心做斷口分析。
分析表明,，傳感器材料的金相組織以及機械性能基本達到標準要求,，沒有發(fā)現(xiàn)可能導致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬疲勞破壞,，左右兩個疲勞源,，大體在對稱位置，疲勞擴展區(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)計結(jié)構(gòu)簡圖見圖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、前后運動,，有勻速運動,，也要有加速、減速運動,。電子吊秤除了承受重物的重量外,，不可避免地受到各個方向的附加慣性力。這些附加力有多少會傳到傳感器上,，取決于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,。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，斷口形態(tài)也為相似。
本案中傳感器的螺紋載荷高達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動時產(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,，對螺桿而言是個彎矩。在這個彎矩和重力載荷的反復作用下,，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)計時提到，“在涉及抗疲勞設(shè)計時,，應該強調(diào)的是結(jié)構(gòu)接頭的疲勞征,，而不是它的靜強度。”
這也是我們在設(shè)計時應該加以注意的,。只要注意到了,，也就是可以防范了。