Page 61 - 理化检验-物理分册2025年第四期
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史海燕，等：中速磨煤机磨辊轴螺栓断裂原因
图 4 3 号螺栓的 SEM 形貌
1.5 硬度测试 螺栓沿变截面处螺纹牙底及螺栓头部与螺杆过
按照GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度 渡处存在较大应力集中，且螺栓螺纹牙底处硬度偏
试验 第1部分：试验方法》，利用显微维氏硬度计对 高，组织不满足标准要求，其抗疲劳性能降低，螺栓
3 号螺栓进行维氏硬度测试，结果如表 2 所示。由 在服役期间受到磨辊运行过程产生的长期循环载荷
表2可知：3号螺栓1/2半径区域内的未淬透区域硬 作用，沿应力集中处产生微裂纹，运行中裂纹不断扩
度为300 HV，螺纹牙底附近硬度达到367 HV，高于 展，最终导致螺栓发生疲劳断裂。
标准要求。 其他磨煤机磨辊轴固定螺栓在同样的运行工况
表2 3号螺栓的维氏硬度测试结果 HV 和运行时间内未出现断裂故障。据此分析，引起螺
栓疲劳断裂的原因还有：预紧力大小设置不当，较大
测试位置 实测值 平均值 标准值
的预紧力易产生多源疲劳，较小的预紧力使得螺栓
1/2半径区域 299，298，303 300
255~335 松动，导致螺栓断裂；防止螺栓松动的措施不当，产
螺纹牙底附近 366，370，366 367
生疲劳，造成螺栓断裂；使用工况不能满足设计要
2 综合分析 求 。
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由上述理化检验结果可知：3号螺栓断口较为平 2.1 螺栓预紧力分析
整，断面与螺栓轴向垂直；断裂源位于螺纹牙底处及 螺栓预紧力是为了增强部件间连接的可靠性和
螺栓头部与螺杆过渡处，可见疲劳台阶，裂纹扩展区 紧密性，防止连接松动。采用螺栓连接时，为保证被
存在明显贝壳纹形貌，呈典型多源疲劳断裂特征 ； 连接部件之间的可靠性和紧密性，需要在被连接部
[3]
断裂螺栓的化学成分无异常；断裂螺栓组织中未见 件之间施加足够大的轴向夹紧力，轴向夹紧力与防
明显全脱碳层，螺栓螺纹牙底附近组织为细小的回 松性能成正比。当作用在紧固件上的横向应力超过
火索氏体，螺栓心部组织为铁素体+回火索氏体， 螺纹副的摩擦力时，螺纹连接会发生松动。但预紧
螺栓表面在热处理时存在未完全淬透现象。裂纹源 力过大会造成支撑面压溃，导致轴向力衰减，一旦预
位于螺栓牙底处，存在多个疲劳台阶，裂纹扩展区呈 紧力超过螺栓的屈服极限，螺栓会发生断裂。因此，
疲劳条带微观形貌，可观察到大致平行的二次裂纹， 合适的预紧力是螺纹连接的重要影响因素 。经了
[5]
二次裂纹间距较小，呈低应力高周疲劳形貌特征。 解，磨煤机实际检修时，通常采用普通扳手紧固螺
断裂螺栓淬透区域与未淬透区域的硬度差异较大， 栓，紧固力的大小并无统一的标准，因此可以确定螺
螺纹牙底淬透区域硬度为367 HV，高于标准要求。 栓预紧力超出扭矩或未达到预紧力的现象都可能存
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