液環(huán)真空泵轉(zhuǎn)軸斷裂的失效范文

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《機械設(shè)計與研究雜志》2014年第四期

1斷口微觀分析

對軸向裂紋和徑向斷口取樣進行掃描電鏡分析。在斷口上常見的微觀特征不外乎韌窩、滑移特征，解理及準解理特征，沿晶斷裂特征，疲勞斷裂特征(疲勞條帶、二次裂紋、韌窩條帶等)等斷裂特征花樣。圖6為鍵槽處起源的徑向斷口的掃描電鏡圖。斷口表面可以觀察到疲勞輝紋，并且有少量韌窩。疲勞裂紋是由于振動造成的，而韌窩是過載造成的。圖7為軸向的小裂紋斷口掃描電鏡形貌。斷口表面有明顯的韌窩和少量疲勞輝紋。這表明過載可能是導(dǎo)致軸向裂紋的主要原因。

2化學(xué)成分、力學(xué)性能分析及組織檢測

對材料化學(xué)成分、力學(xué)性能進行分析，判別失效是否是由于材料本身問題導(dǎo)致的。表1為該材料的化學(xué)成分實測值和相關(guān)材料的標準，拉伸性能試驗結(jié)果見表2。材料的化學(xué)成分以及拉伸實驗結(jié)果表明該材的屈服強度和抗拉強度都符合45號鋼標準，表明該軸斷裂不是材料本身的原因。取軸向裂紋并做金相。圖7為軸向裂紋的金相組織。從軸向裂紋的金相顯微形貌中可以看到，裂紋為穿晶斷裂，裂紋筆直，在尖端處有少量分叉。材料組織為典型的亞共析鋼金相組織，金相顯微圖中可見白色的鐵素體和黑色塊狀的珠光體，未經(jīng)淬火熱處理，因此也可排除裂紋為淬火裂紋的可能。

3強度校核及設(shè)備檢測

3．1受力分析該真空泵的轉(zhuǎn)軸在受到扭轉(zhuǎn)載荷的同時也受到了泵內(nèi)氣體的徑向作用力。該徑向力在真空泵的不同區(qū)域有不同的值，如圖所示。β1區(qū)域:在該區(qū)域內(nèi)，可認為吸入壓力不變;β2區(qū)域:壓力隨β角的增加而增加;β3區(qū)域:可認為壓力不變，等于排氣壓力;β4區(qū)域:由于氣體透過徑向間隙，從排氣區(qū)泄露到吸氣區(qū)。可認為在該區(qū)域內(nèi)氣壓由排氣壓力直線地下降到吸入壓力。葉輪重量引起的徑向力較小，可以忽略不計，故這四個區(qū)域?qū)S作用力的合力，即為氣體對泵軸的徑向力。按彎扭合成強度校核該軸的強度，取斷裂處為危險截面，按第三強度理論求出危險截面的當(dāng)量應(yīng)力。

3．2疲勞強度安全系數(shù)校核同樣取斷裂處為危險截面，按疲勞條件校核其安全程度。

4結(jié)論

(1)液環(huán)真空泵轉(zhuǎn)軸徑向斷裂的主要原因為疲勞損傷。在工作中，轉(zhuǎn)軸除受到轉(zhuǎn)矩外還受到了交變徑向力的作用。經(jīng)校核發(fā)現(xiàn)該軸的疲勞安全系數(shù)偏小，長期運行有發(fā)生疲勞破壞的危險。(2)轉(zhuǎn)軸周向裂紋是由過載引起的。當(dāng)出現(xiàn)徑向裂紋時，鍵槽處的結(jié)構(gòu)完整性受到了破壞，使鍵槽底部的應(yīng)力集中加劇，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。掃描電鏡圖中的明顯韌窩驗證了此分析結(jié)果。(3)建議對軸采用調(diào)質(zhì)熱處理以提高其強度和韌性，從而提高其抗疲勞強度，或者直接選用疲勞強度更高的材料來制造傳動軸，如:1Cr18Ni9Ti。

作者：姚興軍何云陳琴珠韓星浩單位：華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院