某取力器傳動(dòng)軸斷裂分析及其改進(jìn)方案

王華權(quán)

（1.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州遵義563003；2.十院謝洪斌技能大師工作室，貴州遵義 563003）

0 引言

某取力器傳動(dòng)軸向后一級系統(tǒng)傳遞功率為29 kW,轉(zhuǎn)速1440 r/min,在運(yùn)行3000 h后,突然整個(gè)取力器發(fā)生異常叫嘯，其后響起巨大的“爆炸”沖擊聲，斷裂件在高速傳動(dòng)的動(dòng)能作用下瞬間斷散，其沖擊動(dòng)能擊破箱體并造成重大安全事故?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)斷件燒蝕嚴(yán)重，斷裂的部位如圖1所示。

從圖1、圖2中可清晰地看到斷裂部位,現(xiàn)就此次斷裂事故分析其斷裂的原因，并提出改進(jìn)措施[1-2]。

圖1 傳動(dòng)軸前端斷裂圖

圖2 傳動(dòng)軸前端斷裂并嵌入齒輪軸

圖3 斷裂的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意圖

1 斷裂軸斷口處分析

針對斷裂軸采用定量金相分析，通過二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和確定合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)金相來進(jìn)一步分析如下:首先，取一對樣件，對斷裂件命名為A組。對正常加工和熱處理的工件命名為B組；并分別進(jìn)行金相拍照和組織分析，如圖4、圖5所示。

圖4 A組端面金相照片(500×)

圖5 B組端面金相照片(500×)

對比兩組照片看出。A組金相組織均勻，表面組織為粗細(xì)均勻的細(xì)針狀馬氏體，其顯微組織還分布有部份回火索氏體。而B組略顯粗大，有黑色針狀馬氏體、灰白色殘余奧氏體及齒頂部位呈聚集分布的白色塊狀（呈斷續(xù)網(wǎng)狀）碳氮化合物[3]。

從以上金相分析，斷裂的傳動(dòng)軸內(nèi)部晶體排列均勻，其內(nèi)部硬度一定較高[4]。而正常工件組織粗大，硬度較低。從設(shè)計(jì)與熱處理角度來說，要求外表面硬度高而內(nèi)部硬度低，外硬內(nèi)韌。再進(jìn)行硬度測量實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果是A組斷裂軸硬度為56 HRC，而B組20CrMnTi用鋼硬度為40 HRC。說明A組材料已經(jīng)硬化。圖1和圖2為提取金相前照片，觀察發(fā)現(xiàn)有明顯的發(fā)藍(lán)痕跡。

2 斷裂原因分析

通過前面的材料和實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知：1）所用的材料沒有夾渣，沒有代用等質(zhì)量材料的問題；2）斷裂件金相組織與硬度發(fā)生變化，而新試件金相組織與硬度符合設(shè)計(jì)要求。因此問題歸結(jié)為零件工作后出現(xiàn)斷裂的嚴(yán)重質(zhì)量事故。由此從以下三個(gè)方面進(jìn)行斷裂件的分析。

2.1 從齒輪軸所受的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)性能分析

在扭轉(zhuǎn)工作過程中，斷面是沿橫截面被剪切破壞的，說明橫截面是承受剪切應(yīng)力而破壞的。低碳鋼的韌性比較強(qiáng)，其脆性較低。韌性的材料屈服強(qiáng)度曲線高于脆性材料。而前面的金相與硬度測量表明，斷裂件是在運(yùn)行之后發(fā)生材料的韌度變化。在圖1、圖2的照片中，斷裂位置是位于滾針軸承端根部。仔細(xì)觀查其斷裂處：斷口裂紋源區(qū),其斷裂切口表面較平坦。因此可以認(rèn)為，材料因發(fā)熱后發(fā)生塑性變化，而外載荷仍然不變的情況下，斷件所受到的剪應(yīng)變超過承受的扭轉(zhuǎn)極限，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂的事故[5]。

2.2 從齒輪所受的剪切性分析

斷裂切口表面較平坦,表明該軸還受到剪切力的作用。整軸可能受到一個(gè)沿根部裁切的外力；在高溫疲勞的情況下，使該件發(fā)生斷裂。從微觀斷口看,觀察到3個(gè)區(qū)域：即裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),這屬正斷型單向扭彎疲勞斷裂。斷口貝紋線比較扁平,裂紋沿線側(cè)的裂紋擴(kuò)展速度較大,由此可見,斷件主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力[6]。再觀察疲勞區(qū)，發(fā)現(xiàn)在裂紋源和瞬斷區(qū)之間形成像貝殼表面的同心圓弧線，裂紋前沿線弧狀臺(tái)階痕跡，像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線；說明斷件由于交變應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生斷裂[7]。

斷口表現(xiàn)為正斷型單向扭彎疲勞斷裂,說明該處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。正斷是由正應(yīng)力引起的,斷裂面與最大主應(yīng)力方向垂直。從圖3看出，該軸設(shè)計(jì)有兩個(gè)軸承支承點(diǎn)，斷裂處通過NKI 17/20滾針軸承嵌入前端的齒輪軸，后端是安裝6206軸承與箱體固定。前端屬于浮動(dòng)支承，后端屬于固定支承。后端花鍵齒與萬向節(jié)聯(lián)軸器相接，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中斷件會(huì)因萬向節(jié)聯(lián)軸器的偏心和擺動(dòng)而產(chǎn)生軸向剪切力。即該傳動(dòng)軸沿根部斷裂的最大因素之一是受剪切力作用后發(fā)生疲勞斷裂。

2.3 從齒輪軸所受的蠕變極限角度分析

圖1、圖2中發(fā)現(xiàn)斷裂處兩部分均燒蝕發(fā)藍(lán)，與斷裂線較近的部分也有燒蝕現(xiàn)象。而斷裂過程先是噪聲增大，斷裂后擊破殼體濃煙冒出，這說明該軸斷裂前曾嚴(yán)重摩擦發(fā)熱。金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生材料塑性化，在常溫下所承受的拉、壓、剪等指標(biāo)，在高溫時(shí)就會(huì)降低，最典型的是發(fā)生材料性能的蠕變。

在高溫一定應(yīng)力條件下，合金鋼蠕變過程是元素?cái)U(kuò)散運(yùn)動(dòng)、錯(cuò)位攀移或滑動(dòng)的過程。溫度的作用是提供熱激活能，使原子擴(kuò)散加速；應(yīng)力的作用是使原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)位錯(cuò)的形成、增殖、攀移或滑移[8-9]。

同一種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力和溫度的改變而變化。金屬蠕變抗力指標(biāo)是蠕變極限。即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力，或在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)使試樣產(chǎn)生規(guī)定伸長率的應(yīng)力。用蠕變速率測定的蠕變極限和以伸長率測定的蠕變極限分別表示（蠕變曲線表示）。一般經(jīng)驗(yàn)公式，溫度不變時(shí)第二階段蠕變速率與應(yīng)力的對數(shù)呈線性關(guān)系[10]。但由于試樣表面氧化或受侵蝕以及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化等，這種線性關(guān)系在長時(shí)間可能不復(fù)存在[11]。

對于斷件，在一段時(shí)間的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生一定量形變，理論上蠕變速率為（在600℃，10萬h的形變量為1%）。但是影響蠕變試驗(yàn)結(jié)果的因素還很多，其中最主要的是溫度，材料內(nèi)部晶體的穩(wěn)定性、形變測量精度和試樣加工工藝等。對于本次斷裂的傳動(dòng)軸只運(yùn)行了5000 h。屬于摩擦發(fā)熱下發(fā)生蠕變，同時(shí)在剪切作用下斷裂。

3 原因分析結(jié)論

該傳動(dòng)軸合金成分合格，原軸設(shè)計(jì)工藝要求合理；其斷裂的原因是由于接觸部位的摩擦發(fā)熱發(fā)生燒蝕，使鋼材料發(fā)生脆變，再伴隨著外部載荷跳動(dòng)和剪切沖擊，從而使該軸材料發(fā)生蠕變扭轉(zhuǎn)、疲勞強(qiáng)度降低的情況下發(fā)生斷裂。

4 改進(jìn)措施

4.1 從熱處理工藝方面,提高熱處理質(zhì)量

熱處理的方法和目的是提高表面硬度增加心部韌度。提高表面硬度的熱處理工藝是表層滲碳。在庫存的軸類中檢測出現(xiàn)心部硬度過高的現(xiàn)象。這是由于鋼中合金及碳的含量過高，或者淬火溫度過高。這種缺陷常出現(xiàn)在合金元素含量較高的合金滲碳鋼的工件中，而設(shè)計(jì)選用的材料20CrMnTi正是這種較難控制而容易熱處理出錯(cuò)的材料。對于這些心部硬度過高的工件，可以采用堿浴分級淬火的方法來補(bǔ)救。方法是淬火溫度為（830±10）℃，選用65KOH+35NaOH的堿浴分級淬火溫度為（320±20）℃，堿浴中停留時(shí)間為5～8 min，然后再轉(zhuǎn)入油中冷卻[12]。

4.2 從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度來提高傳動(dòng)軸的質(zhì)量

機(jī)械設(shè)計(jì)就是對機(jī)械、機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化、改進(jìn)與改造；是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，往往也是解決問題的源點(diǎn)。

1）從軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化性角度出發(fā)提出修改措施。軸類在動(dòng)力學(xué)中看成線性單元，并具有相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性。因此設(shè)計(jì)過程中要求軸類不能是非均勻質(zhì)的軸。即使特殊設(shè)計(jì)需要滿足凸輪功能時(shí)，也會(huì)考慮添加或者減輕配重。在圖3中，看出在材料均質(zhì)條件下不會(huì)產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)矩。同樣軸類在理論力學(xué)中通常簡化為梁單元或者桿單元。撓度變化量是梁、桿單元設(shè)計(jì)必須考慮的最重要的參數(shù)。在圖3中，設(shè)計(jì)考慮撓度和強(qiáng)度，所以軸徑和軸長均取較高的安全系數(shù)。支承方面采用2個(gè)軸承：軸承NKI 17/20和6206軸承；而NKI 17/20軸承嵌入前端的齒輪軸，6206軸承與箱體固定安裝。也就是說前者是浮動(dòng)支承，后者是固定支承。當(dāng)外界有跳動(dòng)反饋輸入時(shí)，就會(huì)對浮動(dòng)支承產(chǎn)生沖擊剪力。這就是該軸從滾針軸承根部斷裂的根本原因。從這一原因出發(fā)，提出解決方案就是在箱體內(nèi)焊接一個(gè)固定支承架來增加一個(gè)6206軸承，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支承，減少跳動(dòng)沖擊。

2）從軸承選用的角度出發(fā)提出修改措施。觀察圖1、圖2，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸一段斷裂，并“溶化”于前端齒輪軸上，這是斷件受熱后發(fā)生燒蝕的痕跡。分析是設(shè)計(jì)選用的滾針軸承NKI 17/20理論極限轉(zhuǎn)速是1800 rad/min左右，而傳動(dòng)軸通常工作轉(zhuǎn)速是1500 rad/min左右，再加上沖擊受載，使該軸發(fā)出刺耳的叫嘯聲，迅速摩擦發(fā)熱。當(dāng)發(fā)熱溫度超高，使?jié)L針軸承燒壞，進(jìn)而使傳動(dòng)軸發(fā)熱脆變，最后在不均勻剪應(yīng)力沖擊下使軸承根部斷裂。選用的解決方案之一就是更換一種壽命和承受轉(zhuǎn)速更高的軍品級軸承。

3）從潤滑的角度出發(fā)提出修改措施。潤滑油的作用是減少摩擦、潤滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。在原設(shè)計(jì)方案做臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)，連續(xù)運(yùn)行12 h后該潤滑油的溫度高達(dá)85℃。仔細(xì)分析原傳動(dòng)軸的潤滑方式，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸與前端齒輪軸潤滑是靠飛濺潤滑。飛濺潤滑對外部接觸的物件有良好的潤滑作用。但是滾針軸承是嵌入式裝配，飛濺潤滑根本就不可能潤滑到滾針軸承。當(dāng)增加潤滑油使油池浸沒到滾針軸承，即選用浸沒潤滑方案時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱和噪聲立即下降不少。但是長時(shí)間工作或者野外路況時(shí)難控制潤滑油的油量。于是筆者提一種全新的潤滑方式——注入式循環(huán)潤滑。即在滾針軸承安裝的位置前端的齒輪軸齒面上打3個(gè)通孔到滾針軸承安裝面，三維剖面圖如圖6所示。當(dāng)前齒輪嚙合時(shí)，齒輪帶上的潤滑油在齒輪嚙合時(shí)通過1個(gè)孔被擠壓進(jìn)入滾針軸承腔體內(nèi)，另外2個(gè)孔則起排氣作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)就會(huì)形成潤滑油從1個(gè)孔擠入2個(gè)孔排出的一個(gè)良性油路循環(huán)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)也能使NKI 17/20軸承得到更好的潤滑和降溫，同時(shí)提高了其使用壽命。

4）從通常工藝出發(fā)提出修改措施。從機(jī)械加工方面出發(fā)，提高機(jī)械加工精度，減少齒距累積誤差、螺旋線波度誤差等；同時(shí)降低表面粗糙度,減小初始裂紋出現(xiàn)的可能性。對裝配在該軸上的齒輪要增加剃齒工藝，提高磨齒精度。在熱處理工藝方面,提高熱處理質(zhì)量，保證表面硬度和心部韌度[13]。

圖6 潤滑油路設(shè)計(jì)剖面圖

5 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行上面方案的改進(jìn)后，我們進(jìn)行了優(yōu)化對比實(shí)驗(yàn)，即噪聲、振動(dòng)和發(fā)熱對比[14]。圖7是改進(jìn)前在1500 r/min下的加速度頻譜曲線；圖8是改進(jìn)前在1500 r/min下的聲功率頻譜曲線。

圖8 1500 r/min下的聲功率頻譜曲線

圖9 1500 r/min下的加速度頻譜曲線

圖10 1500 r/min下的聲功率頻譜曲線

進(jìn)行前面所提的方案改進(jìn)之后再進(jìn)行測量。圖9是改進(jìn)后在1500 r/min下的加速度頻譜曲線；圖10是改進(jìn)后在1500 r/min下的聲功率頻譜曲線。

從上面的實(shí)驗(yàn)圖表看出，整組改進(jìn)方案噪聲工藝改可以降低噪聲4～8 dB。振動(dòng)加速度降低6～8 m/s2。而對箱體內(nèi)潤滑油進(jìn)行對比測量也發(fā)現(xiàn)油溫從85℃降至72℃。因此該傳動(dòng)軸斷裂分析到位，改進(jìn)措施合理[15]。

6 結(jié)論

通過斷裂軸的原因分析，找出了摩擦發(fā)熱導(dǎo)致燒蝕從而造成高溫蠕變，蠕變速度加快進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂的原因。并提出提高熱處理質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高機(jī)械加工工藝精度等措施；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到了優(yōu)化改進(jìn)的方案。

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