自動扶梯驅動鏈斷裂失效原因分析與對策

施鴻均

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062）

自動扶梯的驅動鏈是重要的傳動部件之一，由驅動主機帶動運轉，通過連接的主驅動輪帶動自動扶梯的梯級做周而復始的運動，達到連續運送乘客的目的。通常自動扶梯配備的驅動鏈有多種規格[1]，既有單排鏈滾子鏈、雙排滾子鏈，也有三排滾子鏈，一旦該鏈條斷裂失效，則自動扶梯的驅動主機和主驅動輪之間的連接將被斷開，則自動扶梯的梯級將會在乘坐自動扶梯的乘客的重力作用下發生逆轉，或稱“倒溜”，進而可能引發乘客群死群傷事故[2]。為此，有必要研究自動扶梯驅動鏈斷裂失效的直接原因，以預防類似事件發生。

1 驅動鏈斷裂概況

某市地鐵站一臺自動扶梯在運行過程中，因驅動鏈斷裂失效導致自動扶梯倒溜而引發傷害事故。該自動扶梯驅動系統結構如圖1所示，主要由梯級、梯級鏈、主驅動輪、驅動鏈、驅動鏈斷鏈保護裝置、驅動主機、附件制動器等組成[3]。正常運行時，由驅動主機通過驅動鏈帶動主驅動輪，使梯級在上下驅動、轉向站內往復循環[4]。若驅動鏈斷裂失效，相應斷鏈保護裝置和功能未能使自動扶梯停止運行，則自動扶梯將會倒溜[5]。將斷裂的驅動鏈拆卸下來，見圖2，該自動扶梯的驅動鏈為雙排滾子鏈，鏈號為20A-2，節距為31.75 mm，最寬約為83.2 mm（銷軸長），發生斷裂的位置在驅動鏈鏈板上，如圖2中紅色箭頭所指方向。

圖1 事故扶梯驅動站結構

圖2 斷裂的驅動鏈

2 驅動鏈斷裂原因分析

為了進一步分析研究該自動扶梯驅動鏈斷裂失效原因，本文對驅動鏈斷口進行了宏觀檢測、掃描電鏡微觀分析、金相分析、硬度測試與化學成分分析。具體如下：

2.1 斷口宏觀檢測

將斷裂的復合過渡節鏈板拆卸、拼合后，形貌見圖3，可見4片過渡鏈板的形狀相同，厚約3.9 mm，腰部直通狀，寬約30 mm，均有2個相同的彎折角；4片過渡鏈板的斷裂均沿弧形彎折角的轉角分布，見圖3中箭頭所指。為便于檢測分析，按照圖3中斷口順序依次編寫號碼，分別為斷口#1～斷口#4。

圖3 斷口拼接形貌

4片過渡鏈板的斷口宏觀形貌見圖4，4個斷口均呈銀灰色，均有粗細不同區域，各斷口上的斷裂推進花紋均呈現開裂由折彎轉角表面起始向內擴展，見箭頭所指。其中，#4斷口右側邊緣可見均布的向內推進條紋及小臺階，未見前面3個斷口上的粗糙區域，則表明在相對最小應力下斷裂，由此推斷該斷口先期斷裂。為此，本文僅選取鏈板斷口#4進行相關的失效分析。

圖4 斷口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析

#4復合過渡節鏈板斷口見圖5，斷口置掃描電鏡下進行微觀分析，該斷口轉角起始區域，低倍下形貌見圖6，圖下側為轉角加工表面；圖上側為斷面，其邊緣有多個臺階，與裂紋多源啟動相關。

圖5 斷口#4

圖6 #4鏈板斷口起始區域低倍下形貌（SEI）

高倍下形貌見圖7，可見邊緣加工表面一側有多條裂紋，表明開裂與轉角加工面狀況相關；斷面上呈現準解理花樣，并可見向上（內）推進的形態。在斷口的終斷區，可見韌窩花樣，這與瞬間過載斷裂相關，見圖8。

圖7 #4鏈板斷口起始邊緣區高倍下形貌（SEI）

圖8 #4鏈板斷口終斷區形貌（SEI）

斷口的掃描電鏡分析可見，該驅動鏈的過渡鏈板斷裂均為疲勞斷裂，且為與應力集中相關的多源啟動的疲勞斷裂。同時，由部分過渡鏈板折彎轉角區域發現開裂現象可推斷，過渡鏈板折彎轉角在運行中有明顯的應力集中效應。

2.3 金相分析

取#4復合過渡節鏈板斷口為試樣，該試樣相應截面低倍下形貌見圖9，圖上右側為斷面，其左側為起始區，斷面呈盆形，起伏不大，表明在相對較大應力下斷裂，其右側斜向平齊，與終斷撕裂相關。

圖9 #4 鏈板斷口中部法向截面低倍下形貌

該斷口起始區組織分布形貌見圖10，圖左側為斷口下方的外表面，有明顯的脫碳現象，組織為鐵素體+少量索氏體；圖上側為斷面，未見氧化及異常脫碳現象。斷口下方的外表層可見斜向裂紋，長約0.05 mm，金相法測得貧脫碳層深約94 μm，其中全脫碳層達60 μm，見圖11。局部表面表層組織形貌見圖12，可見貧脫碳層較深，深度約達136 μm。

圖10 #4鏈板斷口起始區組織分布形貌

圖11 #4鏈板斷口起始區下方表層組織分布形貌

圖12 #4鏈板局部表面表層組織形貌

在另一側彎折區，其組織分布形貌見圖13，圖右側為轉角表面，可見有1條裂紋分布，深約0.25 mm，表層有脫碳現象。裂紋近表層區域組織形貌見圖14，可見裂紋由2條細小裂紋匯集成1條，向內部穿晶擴展。

圖13 #4 鏈板另一側彎折（轉角）區裂紋分布形貌

圖14 #4 鏈板另一側彎折區裂紋及表層形貌

外周表面表層組織分布形貌見圖15，圖上側為外表面，表層組織為鐵素體，次表層組織為鐵素體+少量索氏體；金相法測得貧脫碳層深度約達120 μm。心部基體組織為保持馬氏體位向的索氏體+少量趨網分布的鐵素體，見圖16。

圖15 #4 鏈板外周表層組織分布形貌

圖16 #4 鏈板基體組織形貌

為了便于比較，對未斷鏈板也進行了金相分析，在其腰部法向截面上近表組織分布形貌見圖17，圖上側的外表層組織為索氏體+鐵素體，部分鐵素體趨網分布；金相法測得貧脫碳層深度約達100 μm。心部組織為保持馬氏體位向的索氏體+少量貝氏體+極少量鐵素體，見圖18。

圖17 未斷鏈板表層脫碳形貌

圖18 未斷鏈板基體組織形貌

金相分析結果表明，該驅動鏈的過渡鏈板斷裂區域未見會導致開裂的異常夾雜物；該驅動鏈的鏈板均有不同程度的表面脫碳現象，而表面脫碳層明顯深于鏈板彎曲部分的沖剪加工面，即脫碳發生在熱處理過程中，表明在機加工之前鏈板原材料已存在脫碳現象。部分鏈板單面脫碳深度約達板厚的3.5%，而表面脫碳會降低鏈板的表面疲勞強度[6]。

2.4 硬度測定

在未斷鏈板、#4斷鏈板試樣的截面上心部、近表面分別測定了相應的維氏硬度，結果見表1。

表1 相關試樣截面上維氏硬度值HV1

在4件斷裂試樣及1 件未斷裂試樣的外表面測定洛氏硬度，結果見表2。

表2 樣品外表面上洛氏硬度值 HRC

上述硬度測試結果表明，未斷鏈板、#4斷鏈板試樣的心部硬度相對比較均衡，且心部硬度要明顯高于近表面的硬度，未斷鏈板近表面的硬度要高于#4斷鏈板的硬度。鑒于金相分析中部分鏈板單面脫碳深度約達板厚的3.5%，顯然表面脫碳會降低鏈板的表面硬度，進而影響鏈板材料表面的疲勞強度。

2.5 化學成分分析

在#4斷裂件及1件未斷裂試樣上取樣，進行化學成分分析，結果見表3。

表3 部分鏈板樣品化學成分分析結果wt%

由化學分析結果可知，對照GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》[7]，來樣驅動鏈中抽檢的鏈板材質相當于40Mn。

3 結論與對策

經上述分析，本文得出以下結論：

1）金相分析及掃描電鏡分析可看到，事故自動扶梯驅動鏈的過渡鏈板斷裂區域未見會導致開裂的異常夾雜物，驅動鏈鏈板材質相當于40Mn。

2）鏈板斷口的宏觀及微觀分析表明，驅動鏈的過渡鏈板斷裂均為疲勞斷裂，且為與應力集中相關的多源啟動的疲勞斷裂，過渡鏈板折彎轉角在運行中有明顯的應力集中效應。

3）鏈板金相分析及硬度測定結果可見，該驅動鏈中鏈板均有不同程度的表面脫碳現象，脫碳主要發生在熱處理過程中，表面脫碳明顯降低了鏈板表面硬度，進而導致表面疲勞強度下降。

綜上所述，該驅動鏈采用的復合過渡鏈板在機加工和使用過程中折彎轉角處的應力集中效應引起了鏈板的疲勞斷裂，鏈板原材料表面因熱處理不當致使表層脫碳較為嚴重，明顯降低了鏈板的疲勞強度，加速了疲勞斷裂的發生，這是導致該自動扶梯驅動鏈斷裂失效的直接原因。

依據上述自動扶梯驅動鏈斷裂失效原因，結合國家相關標準和自動扶梯使用實際情況，提出如下對策：

1）依據GB/T 1243—2006《傳動用短節距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》中3.6條“對于重載系列的鏈條或承受高應力載荷的鏈條不應使用過渡節。過渡節將降低鏈條的使用性能?！盵8]該自動扶梯使用場所為地鐵公共交通場所，應配置公共交通型自動扶梯，應當采用重載系列的鏈條或能夠承受較大載荷的驅動鏈。然而，該自動扶梯的驅動鏈采用單節復合過渡鏈接結構，顯然在過渡節的選用上，既與實際工況及載荷不相適應，也不符合國家相關標準要求。建議公共交通型自動扶梯以及大載荷使用場所自動扶梯的驅動鏈不宜采用單節復合過渡鏈接結構。

2）對于組成自動扶梯驅動鏈的相關零件材料，應當選擇合適的熱處理工藝，以避免零件材料表面脫碳而導致疲勞強度下降的現象。

3）改進驅動鏈鏈板機械加工工藝和裝配工藝，以避免因應力集中效應而產生潛在的裂紋源；同時，應結合自動扶梯驅動鏈的設計使用壽命和真實的使用工況選取合適的鏈條潤滑周期[1]，加強定期檢查與維護[9]，從而降低驅動鏈疲勞斷裂風險。