E形螺栓螺纹断裂失效分析

摘要：某型号刮板输送机刮板链联接采用E形螺栓通过自锁螺母连接刮板与链条，在使用过程中用户反馈有个别E形螺栓螺纹根部偏向上方向发生断裂现象。通过对断裂的E形螺栓进行检测分析，认为导致断裂原因是E形螺栓在安装自锁螺母时预紧力高、热处理硬度不均匀等原因造成自锁螺母脱落刮卡，当E形螺栓承受较大外力时发生脆性断裂。

关键词：E形螺栓、脆性断裂

1引言

E形螺栓是一种特殊形状的螺栓，用于矿用刮板输送机连接刮板与链条的一个重要零件，其安装是将螺栓穿过刮板孔，配合自锁螺母紧固，实现刮板与链条的可靠连接和固定（组成刮板链），刮板链绕过链轮作无级闭合循环运行，完成煤炭的运输。

E形螺栓安装形式见图1，从图中可以看出E形螺栓结构相比传统压板、螺栓结构相比，压板与螺栓锻造成一体，加工时3个螺栓在同一直线，减少了压板钻孔工序，是传统压板、螺栓组合结构的替代品。E形螺栓能较好的用于煤矿刮板输送机的刮板与链条连接。用户质量信息反馈此台刮板链在使用一段时间后，E型螺栓两头螺柱断裂，部分螺柱从螺纹处断裂，并出现整体弯曲变形现象；部分E型螺栓出现螺纹“撸扣” 的损坏问题。

2.检验

2.1宏观检验

E形螺栓断裂实体形貌见图2。由图可见，螺栓断裂部位处于E形螺栓根部斜向上位置，断裂面与主应力方向不垂直，断口不平齐。

2.2  化学成分检验

对断裂的E形螺栓取样，进行化学成分检测，化学成分检测设备采用高频红外碳硫分析仪、等离子发射光谱仪二种设备。化学成分结果见表1。材质符合GB/T3077《合金结构钢》中钢号42CrMo的成规定。

2.3 表面硬度检测

根据E形螺栓的结构和技术要求硬度，选择锤击式布氏硬度计对E形螺栓进行表面硬度检测，硬度检测结果符合技术要求，检测数据见表2。

2.4螺栓断裂面低倍检测

对E形螺栓断裂面清洗，酸洗后进行低倍分析，断裂面见图3，通过对断口查看，断口形式属于脆性断口，无明显的纤维区，断口平齐光亮，周边存在极少剪切唇，断口为一次性较大应力下快速断裂。

2.5金相检测

从断裂螺栓断口上截取试样，试样经磨制、抛光、用4%硝酸酒精溶液浸蚀后在金相显微镜下观察，发现外表面显微组织为回火索氏体，达到42CrMo材质调质后金相组织控制要求。如图4所示。

通过理化、硬度等检测结果可知：E形螺栓化学成分符合42CrMo材质要求，平均硬度HB268.3，满足图纸技术要求。从断裂源可以清楚的看到螺栓断裂位于螺栓螺杆根部斜向上位置，失效的螺栓断口未发现明显的材料缺陷。从螺栓螺扣有撸扣现象，可对判定E形螺栓断裂为脆性断裂，E形螺栓表面硬度平均值偏下限，硬度欠缺、螺母预紧时未使用扭矩扳手是造成质量不合格的主要因素。

3.分析与改进

3.1 E形螺栓表面硬度低

E形螺栓的安装方式与压板、螺栓结构联接方式不同，E形螺栓表面硬度技术要求HB260-300。传统的压板、螺栓组合，一般螺栓的热处理技术要求HRC35-40。在使用过程中很少反馈有螺栓断裂和撸扣现象发生。此次E形螺栓批量出现的撸扣现象和表面硬度低有较大影响，在使用过程中受疲劳因素影响造成螺母松动，直接造成E形螺栓联接失效。根据MT/T-187.1-1988 《刮板输送机紧固件螺栓技术条件》螺栓技术要求和GB3098.1-2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，E形螺栓最低一般使用性能等级8.8级，E 形螺栓表面硬度HB260-300未达到性能等级8.8级规定的HB250-331，洛氏硬度HRC23-34要求。针对E形螺栓现场出现的撸扣现象，设计技术要求变更性能等级10.9较合理，10.9级布氏硬度范围：HB316-375，洛氏硬度HRC32-39。

改进方法：调整E形螺栓图纸技术要求，将E形螺栓表面硬度技术要求HB260-300更改为HRC32-37，增加3处螺杆根部R3圆角。更改后确保了螺栓硬度符合10.9级要求，更换后未再反馈现场有撸扣现象发生。

3.2螺母预紧未使用扭矩扳手

螺母预紧过松或过紧都会给螺栓造成一定的损害。在安装过程中矿方人员未使用扭矩扳手进行预紧力打紧，造成安装过紧，输送机在使用过程中造成螺母失效，造成E形螺栓松脱。

改进方法：安装售后服务人员指导矿方安装人员使用计量检定校准合格的电动扭矩扳手进行合理安装，确保预紧力达到螺栓安装力矩要求。

4.结语

通过以上分析与讨论，该E形螺栓硬度低和螺母预紧未使用扭矩扳手是E形螺栓螺纹联接失效的主要原因，在采用合理的改进方法后，提高了刮板链的连接可靠性，确保了煤矿井下超长刮板输送机设备的正常运转。

参考文献：

1.MT/T-187.1-1988 《刮板输送机紧固件螺栓技术条件》

2.GB3098.1-2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》

3.《金属材料失效分析》杨晓洁 杨军 袁国良编著 化学工业出版社

作者简介：温懋峰（1972-），男、机电工程师，主要从事煤矿产品检验技术工作。