一则电梯鼓式制动器螺栓顶杆断裂失效案例分析

作者：仇清山（广西壮族自治区特种设备检验研究院柳州分院） ｜ 《中国电梯》2025年第4期

电梯在运行中需要频繁地启动与制动，制动器螺栓顶杆会频繁地受到冲击力，这就要求螺栓顶杆具有一定的韧性，不容易发生断裂。某台电梯在使用过程中，鼓式制动器突然无法动作，导致电梯停运。经过维保人员检查发现，鼓式制动器螺栓顶杆发生断裂。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

在本文中，笔者对该鼓式制动器螺栓顶杆进行宏观观察、理化检验和微观分析，得出螺栓顶杆断裂失效的原因，并提出防范螺栓顶杆断裂失效的措施，以期避免类似情况的发生[1]。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

1 螺栓顶杆的宏观观察

在现场对失效的螺栓顶杆进行拆卸，发现螺栓顶杆断裂的位置位于制动臂与螺栓连接的伸出部位(见图1)。观察螺栓顶杆断口，发现断口截面平整光滑，未发现韧性断裂痕迹。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

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2 螺栓顶杆的理化检验

2.1 化学成分分析

材料成分异常是导致材料失效的重要因素。使用直读光谱仪对失效的螺栓顶杆进行化学元素检测，以评估螺栓顶杆材料的化学成分是否存在异常[2]。螺栓顶杆各化学元素的质量分数如表1所示。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

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通过查询电梯相关的技术文件可知，该型号电梯鼓式制动器的螺栓顶杆的材料为40Cr合金钢。根据GB/T 3077—2015《合金结构钢》对40Cr合金钢各元素质量分数规定的许用范围可知，该螺栓顶杆的Si、Mn、Cr元素的质量分数均在许用范围内，但C元素的质量分数高于许用范围。通常情况下，C元素的含量高可以提高材料的强度，但是含量过高易导致材料的硬度、脆性增大[3]，韧性降低，易引发材料脆性断裂。因此在材料的成型过程中，需要严格控制C元素的含量，平衡材料的强度和韧性之间的关系，确保材料在具有足够强度的同时，也具有良好的韧性，不易发生脆性断裂[4]。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

2.2 硬度检测

硬度检测是材料进行理化检验的重要手段之一[5]，可依据GB/T 3077—2015对螺栓顶杆进行硬度检测。现有的硬度检测仪检测方法是单点检测，单点检测结果并不能全面地反映螺栓顶杆的实际硬度，因此需要对多点进行检测后再取各点的平均值。然后与GB/T 3077—2015中规定的硬度许用范围进行比对，分析螺栓顶杆硬度是否存在异常。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

在螺栓顶杆上截取一段进行硬度检测。以螺栓顶杆的芯部为原点，在轴正负方向和轴正负方向各选取2个检测点，加上原点上的检测点，共选取9个检测点(见图2)。各检测点硬度检测结果如表2所示。由表2可知，检测点3的硬度值达到了256 HBW，而GB/T 3077—2015中规定的硬度许用范围不大于207 HBW，因此检测点3的硬度过高。进一步观察发现，越靠近芯部位置的检测点，硬度越高。9个检测点的平均硬度为238.1 HBW，该值也高于GB/T 3077—2015中规定的硬度许用范围。硬度检测结果表明：该螺栓顶杆的整体硬度较高。通常情况下，较高的硬度可以保障材料的强度，但硬度过高则易导致材料发生脆性断裂[6]。因此，在实际应用中，对于材料的硬度往往需要人为进行调控，以保障材料安全服役[7]。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/10964.html

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2.3　金相分析

在螺栓顶杆上截取一段进行金相分析。经过粗磨-精磨-抛光-腐蚀4道工序后，使用德国蔡司金相显微镜对腐蚀的截面进行观察，发现螺栓顶杆的金相组织为回火马氏体(见图3)，而40Cr合金钢的正常金相组织为回火索氏体，这表明该螺栓顶杆材料的金相组织存在异常。因此初步推测螺栓顶杆的热加工及热处理工艺存在异常[8]。

3 螺栓顶杆的微观分析

3.1 断裂模式分析

使用德国蔡司EV018型扫描电镜对螺栓顶杆的断口进行断裂模式分析，螺栓顶杆断裂后不可避免地接触外部物质，从而形成污染物，这些污染物会影响对材料断裂模式的评判。因此，先以高纯度酒精作为清洗剂浸泡断口，将断口上可能附着的油渍进行溶解。然后使用超声波对断口进行清洗，在超声波高频率的振动下，污染物会从断口处脱离。再使用扫描电镜进行观察，发现螺栓顶杆断口的表面存在大量的冰糖状晶粒，同时还存在大量的微裂纹(见图4)。而冰糖状晶粒为典型的脆性断裂特征[9]。微裂纹的存在说明当螺栓顶杆发生开裂时，维保人员并未及时发现，致使开裂的螺栓顶杆继续服役。之后在应力的作用下，螺栓顶杆断口处产生二次断裂，最终导致螺栓顶杆的完全断裂。

3.2 能量色散X射线谱(EDS)分析

为了评估该螺栓顶杆失效过程中是否存在外界腐蚀介质参与，使用扫描电镜对螺栓顶杆断口进行EDS分析，发现断口存在Fe、Cr、Si、Mn、C、O元素，而无其他元素(见图5)。其中：Fe、Cr、Si、Mn、C元素是螺栓顶杆材料本身固有的元素，而O元素则是螺栓顶杆断裂后，断口暴露在空气中，与空气中的O元素充分接触形成的氧化物中的元素。由此可以判定，在螺栓顶杆失效过程中并无外界腐蚀介质参与。

4 螺栓顶杆断裂失效原因总结

对螺栓顶杆进行化学成分分析发现：螺栓顶杆材料中Si、Mn、Cr元素的含量满足GB/T 3077—2015对于40Cr合金钢的化学成分的要求，但其C元素含量偏高，过高的C元素含量易导致材料脆性断裂。对螺栓顶杆进行硬度检测发现：螺栓顶杆9个硬度检测点的硬度均超过GB/T 3077—2015中规定的硬度许用范围，说明螺栓顶杆材料具有脆性断裂倾向。对螺栓顶杆进行金相分析发现：螺栓顶杆的金相组织存在异常。对螺栓顶杆进行断裂模式分析表明：螺栓顶杆断口表面存在大量冰糖状晶粒，并伴有大量微裂纹，进一步说明了螺栓顶杆材料硬度偏大从而引发脆性断裂。

在通常情况下，材料的硬度异常主要与热加工及热处理工艺有关，不当的热加工及热处理工艺会导致金相组织异常，从而增大材料的硬度。因此判定：该电梯鼓式制动器螺栓顶杆的硬度异常与其材料的热加工及热处理工艺不当有关。材料中C元素含量过高，导致材料硬度、脆性增大，加之在服役过程中，螺栓顶杆频繁地受到冲击力，最终发生断裂失效。

5 防范螺栓顶杆断裂失效的措施

为防范螺栓顶杆断裂失效，笔者特提出以下几点措施。

1)建议电梯鼓式制动器制造单位在螺栓顶杆材料的热加工及热处理过程中，应严格控制各元素的含量，尤其是C元素的含量，避免出现材料硬度超标。

2)建议电梯制造单位在采购电梯鼓式制动器时，应抽检螺栓顶杆的材料参数(包括化学成分、硬度、金相组织等)，若发现异常及时拒收。

3)建议维保人员加强对螺栓顶杆的日常巡查，发现异常应立即停用，及时更换新的螺栓顶杆，以确保电梯鼓式制动器的正常使用。

[参考文献]

[1] 郑旻.电梯鼓式制动器失效分析及安全风险预防措施[J].中国电梯，2023，34(2)：50-53．

[2] 孙福洋，王金奇，杨旭，等.某小区X型号电梯制动器制动臂开闸螺栓顶杆螺栓失效分析[J].中国特种设备安全，2018，34(9)：56-60.

[3] 何健，郭在焱.电梯制动器螺栓顶杆螺栓失效分析[J].中国特种设备安全，2018，34(7)：67-71.

[4] 魏玉伟，金誉辉，彭安校，等.延迟焦化装置安全阀弹簧的失效原因[J].腐蚀与防护，2023，44(8)：102-105．

[5] 孙小兵，姚阳明，彭安校，等.循环氧脱硫塔贫溶剂泵轴断裂失效分析[J].物理测试，2023，41(2)：43-47.

[6] 李娜，郑子行，索晓娜.主滑油冷却器螺栓失效问题原因分析[J].船舶工程，2024，46(增刊1)：208-213，219.

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[8] 李雨聪，徐铭悦，张燕明，等.某火力发电厂承压部件失效分析[J].能源研究与管理，2024，16(4)：165-171.

[9] 刘飞，张雪超，孙常明，等.20Cr1Mo1VTiB钢螺栓断裂失效分析[J].金属热处理，2024，49(12)：306-311.