某型空氣起動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)軸斷裂失效分析

蔣勇 陳斐/襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠

1 故障情況

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

2 宏觀檢查

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）。

3 微觀電鏡分析

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）

4 金相檢查及硬度檢查

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。

5 分析結(jié)果

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。

5.1 斷裂性質(zhì)

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。

5.2 斷裂原因

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。

6 結(jié)論

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。