蔣勇 陳斐/襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠
某型空氣起動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用中發(fā)生一起保險(xiǎn)軸斷裂故障,斷裂處位于保險(xiǎn)軸承剪處(見圖1),測(cè)量保險(xiǎn)軸承剪處直徑為13.402mm;分解空氣起動(dòng)機(jī),檢查其余機(jī)件無(wú)缺陷。該保險(xiǎn)軸隨空氣起動(dòng)機(jī)修后使用234h1min,總壽命1152h58min。
圖1 保險(xiǎn)軸
宏觀檢查斷裂部位,端口光滑平坦,偏離軸中心附近可見長(zhǎng)寬約為2.0mm×1.5mm 的橢圓形“斑印”,呈瓷狀特征(見圖2)。體視顯微鏡觀察,未發(fā)現(xiàn)斷口附近存在其他裂紋等缺陷,斷面區(qū)域有色澤差異,斷口沿圓周方向呈圓周弧線擴(kuò)展形貌(見圖3)。保險(xiǎn)軸花鍵齒面存在不同程度的擠壓損傷痕跡,其中一齒面有三處擠壓損傷(見圖4)。
超聲波清洗斷裂保險(xiǎn)軸,掃描電子顯微鏡檢查斷口表面潔凈,未見腐蝕跡象,伴有損傷痕跡,擠壓面光滑,無(wú)明顯粘附物,如圖5、圖6 所示。
圖2 保險(xiǎn)軸斷裂后形貌
能譜分析結(jié)果表明,擠壓處與保險(xiǎn)軸成分基本一致,未發(fā)現(xiàn)外來(lái)擠壓物。
微觀檢查保險(xiǎn)軸“斑印”區(qū)域存在輕微的疏松缺陷(見圖7),呈現(xiàn)韌窩特征(見圖8)。斷面光滑平坦,其他區(qū)域亦可見拉長(zhǎng)型的剪切韌窩,與保險(xiǎn)軸扭矩方向相對(duì)一致。其他表面未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。
圖3 保險(xiǎn)軸斷面形貌
圖4 保險(xiǎn)軸花鍵齒表面缺陷形貌
圖5 表面缺陷擠壓電鏡形貌
圖6 表面某處缺陷電鏡形貌
圖7 斑印電鏡形貌
圖8 保險(xiǎn)軸斑印微觀放大形貌
圖9 斷面金相組織(500X)
對(duì)斷口進(jìn)行金相檢查,斷面組織均為較均勻的索氏體組織,如圖9 所示。檢查保險(xiǎn)軸心部平均硬度為HRC33.8,符合圖紙要求。
保險(xiǎn)軸是空氣起動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件,安裝在空氣起動(dòng)機(jī)的輸出端,主要用于傳遞輸出扭矩,在傳遞扭矩超過(guò)承剪扭矩規(guī)定值時(shí)斷裂,以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣起動(dòng)機(jī)。保險(xiǎn)軸材料為25Cr3MoA,硬度HRC32 ~38,保險(xiǎn)軸承剪處直徑13.40 ~13.425mm。
保險(xiǎn)軸在工作中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷。宏觀檢查表明,保險(xiǎn)軸斷面沿圓周方向呈圓周弧線擴(kuò)展形貌,具有扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂的宏觀特征。微觀上,斷口為韌窩特征,除最后斷裂區(qū)韌窩為等軸型外,其他部位韌窩均被拉長(zhǎng),說(shuō)明這些部位均是在剪切應(yīng)力作用下斷裂的,也具有扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂的微觀特征。因此,可以確定保險(xiǎn)軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂。
保險(xiǎn)軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂,說(shuō)明該保險(xiǎn)軸在使用中受到了超過(guò)其承載能力的扭轉(zhuǎn)載荷作用。保險(xiǎn)軸硬度檢查合格,斷口分析中也未發(fā)現(xiàn)明顯的材質(zhì)問(wèn)題,且該保險(xiǎn)軸已經(jīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)壽命周期,因此,可以排除材料強(qiáng)度不合格導(dǎo)致傳動(dòng)桿斷裂的可能。但保險(xiǎn)軸硬度和承剪處直徑處于規(guī)定范圍的下限,即保險(xiǎn)軸剪切扭矩處于規(guī)定的下限范圍,在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停放后的使用中,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變大,起動(dòng)瞬間空氣起動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)軸承受到更大的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于保險(xiǎn)軸剪切扭矩,導(dǎo)致保險(xiǎn)軸斷裂。
保險(xiǎn)軸是因高速動(dòng)轉(zhuǎn)截荷過(guò)大導(dǎo)致的斷裂。
建議在制造時(shí),嚴(yán)格控制保險(xiǎn)軸的承剪扭矩和硬度等力學(xué)性能。