扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效初論

朱孝錄

（1. 北京科技大學(xué)，北京 100083；2. 沃德傳動(dòng)（天津）股份有限公司，天津 300409）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)研究的道路上，往往有這種情況：發(fā)現(xiàn)某種事物從未見(jiàn)過(guò)的意外現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)初步分析，也知道這種現(xiàn)象可能與某種影響因素有關(guān)，但是卻不知道產(chǎn)生這種意外現(xiàn)象的真正原因（機(jī)理）。也就是常說(shuō)的“知其然，不知其所以然”。只有進(jìn)行深入細(xì)致地研究，才能揭開(kāi)實(shí)物發(fā)展的真正原因。

本研究中的減速機(jī)扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效就是此現(xiàn)象的一個(gè)典型案例。減速機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。減速機(jī)高速軸輸入功率為2986 kW，轉(zhuǎn)速為1413 r/min，傳動(dòng)比為35.154。使用了2、10 a 的2 臺(tái)減速機(jī)分別由于高速軸剝裂和斷裂而導(dǎo)致失效。高速軸形狀和第1 次開(kāi)裂、第2 次斷裂的部位示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 減速機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of a reducer

圖2 高速軸的形狀及失效位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the shape and failure position of the high-speed shaft

經(jīng)對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行失效分析可知，由于軸同孔、鍵同鍵槽之間存在微動(dòng)，產(chǎn)生微動(dòng)磨損，破壞軸的光滑表面，在多次沖擊載荷作用下，引發(fā)軸的開(kāi)裂和斷裂。減速機(jī)高速軸的失效與微動(dòng)磨損、多次沖擊和疲勞有關(guān)，因此，該類(lèi)型的斷裂是否可稱(chēng)之為“扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效”？根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索結(jié)果可知，目前對(duì)于這種失效形式的失效案例和失效機(jī)理還知之甚少，這是本文討論的主要內(nèi)容。

軸第1 次失效的開(kāi)裂形貌見(jiàn)圖3。從圖中可以看到：開(kāi)裂的疲勞源在鍵槽的拐角處（圖3a），但該裂紋并不深入軸心，而是沿圓周擴(kuò)展；在鍵槽的對(duì)稱(chēng)位置還可以隱約看到尚未形成裂紋的材料損傷痕跡（圖3b）；除了該主裂紋外，在軸的表面還可見(jiàn)其他的小裂紋（圖3c）。這些細(xì)微裂紋是由于軸表面微動(dòng)產(chǎn)生的，具有微動(dòng)疲勞的特征。

圖3 軸第1 次失效開(kāi)裂的形貌Fig.3 Morphology of the first failure crack of the shaft

起源于鍵槽底部拐角的裂紋，在微動(dòng)磨損和疲勞損傷作用下造成軸的剝裂（Peeling）失效。軸表面有一薄層材料剝落，形貌如圖4 所示。其失效機(jī)理目前還不明確。

圖4 微動(dòng)磨損造成軸的剝裂失效Fig.4 Peeling failure of the shaft due to fretting wear

第2 次軸失效的斷裂形貌見(jiàn)圖5，可見(jiàn)該斷口具有非常復(fù)雜的形貌。由圖5a 可以觀察到疲勞貝紋線（海灘花紋），但因斷口破碎，看不到疲勞源區(qū)的位置。斷口破碎也可能是扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效斷口的特征之一。

圖5 軸第2 次失效的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the second failure of the shaft

軸的2 次失效都與齒輪內(nèi)孔同軸的配合（H7/r6）表面的微動(dòng)磨損有關(guān)。圖6 是兩次軸失效的配合表面微動(dòng)磨損的形貌?？梢?jiàn)兩者的微動(dòng)磨損形貌特征極為相似，只有磨損程度的不同而已。

圖6 軸兩次失效的微動(dòng)磨損形貌Fig.6 Morphology of the failed shafts by fretting wear

值得注意的是：

1）第1 次高速軸是表面開(kāi)裂，軸并沒(méi)有斷裂，這種表面剝離型的開(kāi)裂極為少見(jiàn)。

2）第2 次高速軸是表面開(kāi)裂引發(fā)軸斷裂，軸的斷口（碎裂型）比一般的疲勞斷口復(fù)雜得多。

3）軸的2 次失效原因是相互關(guān)聯(lián)的，可能都與微動(dòng)損傷和多次沖擊疲勞有關(guān)。

4）軸2 次失效的使用時(shí)間都比較長(zhǎng)（分別為2a 和10a），斷口都有疲勞特征的貝紋線，因此都屬于疲勞失效。

5）從圖2 軸承、齒輪安裝部位可見(jiàn)，軸的開(kāi)裂和斷裂處都不是扭矩和彎矩（名義應(yīng)力σ、τ）最大的部位。

經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的失效分析和資料檢索，可以認(rèn)為HS 減速機(jī)斷軸是一種目前很少見(jiàn)、機(jī)理尚不明確的“扭轉(zhuǎn)微動(dòng)損傷+多沖疲勞失效”（此處“扭轉(zhuǎn)”的含義見(jiàn)表1）。軸的斷裂是一種特殊的疲勞斷裂-扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞斷裂。它是在嚴(yán)重的微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞損傷的條件下，經(jīng)過(guò)多次沖擊載荷的作用而出現(xiàn)的一種特殊的失效模式。

表1 微動(dòng)類(lèi)別和微動(dòng)模式Table 1 Categories and modes of fretting

扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞中的沖擊有2 方面的含義：1）受載零件的外加載荷是沖擊載荷，如隔膜泵載荷等；2）傳動(dòng)系統(tǒng)自身的振動(dòng)，特別是有間隙的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（涉及間隙非線性動(dòng)力學(xué)）造成的微動(dòng)沖擊。

從目前收集到的資料和接觸到的失效案例來(lái)看，類(lèi)似的軸失效多發(fā)生在數(shù)千kW 的大型機(jī)械設(shè)備上。本文提到的2 個(gè)案例和文獻(xiàn)[1]中的8 個(gè)案例就是對(duì)大型軸微動(dòng)損傷的論述和報(bào)道。因此很值得作進(jìn)一步的研究，其目的是探索扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞產(chǎn)生的原因和失效的機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，這對(duì)于受沖擊振動(dòng)的大型機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 減速機(jī)的工作條件

前述案例中的2 臺(tái)減速機(jī)高速軸的斷裂都與沖擊有關(guān)。此處的沖擊包含外載荷的沖擊和減速機(jī)自振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊，因此，有必要說(shuō)明減速機(jī)的工作條件，以便于了解外載荷的沖擊振動(dòng)情況。

2 次高速軸失效的減速機(jī)都用來(lái)驅(qū)動(dòng)隔膜泵，故軸的失效必然與隔膜泵的特性有關(guān)。不同的泵產(chǎn)生不同程度的沖擊：1）輕微沖擊，離心泵、旋轉(zhuǎn)式軸流泵；2）中等沖擊，鍋爐離心供水泵、羅茨泵、活塞泵（三缸以上）；3）嚴(yán)重沖擊，離心泵（帶水箱）、泥漿泵、活塞泵（2 缸）。

減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的是隔膜泵。隔膜泵是一種容積泵。它依靠一個(gè)隔膜片的來(lái)回鼓動(dòng)而改變工作室容積來(lái)吸入和排出液體。隔膜泵主要由傳動(dòng)部分和隔膜缸頭兩大部分組成。傳動(dòng)部分是帶動(dòng)隔膜片回來(lái)鼓動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的傳動(dòng)形式有機(jī)械傳動(dòng)（電動(dòng)機(jī)-減速機(jī)-曲柄連桿）、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)等。其工作特性與往復(fù)活塞泵十分相似，因此，可以認(rèn)為隔膜泵的載荷具有往復(fù)沖擊的特性。

2 微動(dòng)和微動(dòng)損傷

為了說(shuō)明扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效要討論和研究的內(nèi)容，首先要說(shuō)明以下幾點(diǎn)：

1）微動(dòng)損傷。

微動(dòng)（Fretting）是一種運(yùn)動(dòng)幅度很小的摩擦方式，目前可控制的微動(dòng)振幅為0.05～300 μm，振幅大于300 μm 一般來(lái)說(shuō)已經(jīng)不屬于微動(dòng)了。圓球-平板接觸的微動(dòng)（高副微動(dòng)）有4 種基本的運(yùn)動(dòng)模式：切向微動(dòng)（Tangential Fretting）、徑向微動(dòng)（Radial Fretting）、滾動(dòng)微動(dòng)（Rotational Fretting）和扭動(dòng)微動(dòng)（Torsional Fretting）[2]。此外，還有一種輪轂-直軸接觸的微動(dòng)（低副微動(dòng)）有3 種基本的運(yùn)動(dòng)模式：扭轉(zhuǎn)微動(dòng)（Torsional Fretting）、軸向微動(dòng)（Axial Fretting）、彎曲微動(dòng)（Bending Fretting）。如表1 所示。其中，扭轉(zhuǎn)微動(dòng)是本文討論和研究的對(duì)象。

微動(dòng)造成材料的損傷（Fretting Damage）通常表現(xiàn)為3 種形式：

a）微動(dòng)磨損（Fretting Wear）。可引起相配零件間的松動(dòng)和零件的疲勞。

b）微動(dòng)疲勞（Fretting Fatigue）。配合件的微動(dòng)可以萌生疲勞裂紋并加速裂紋的擴(kuò)展，使零件的壽命大大縮短。微動(dòng)疲勞極限可低于普通疲勞極限的1/2～1/3，甚至只有普通疲勞極限的5%～10%[3-5]。

c）微動(dòng)腐蝕（Fretting Corrosion）。相配件在腐蝕性介質(zhì)（如海水、酸雨、腐蝕性氛圍等）中的微動(dòng)損傷。

以上3 種損傷可以在微動(dòng)損傷中同時(shí)存在。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這3 種損傷（失效）的研究起步較早（約100 a 前），論文、參考文獻(xiàn)很多，如文獻(xiàn)[3,6-22]。但是本文不討論上述一般意義上的微動(dòng)損傷。

2）沖擊疲勞（Impact Fatigue）。

在工程中，有很多機(jī)械的零件或構(gòu)件是在多次沖擊載荷下工作的，如鍛錘桿、鍛模、沖擊模等。由重復(fù)沖擊載荷引發(fā)零件的疲勞稱(chēng)為沖擊疲勞（Impact Fatigue）或多沖疲勞（Multi-impact Fatigue）。當(dāng)受沖擊次數(shù)小于500～1000 即被破壞時(shí)，零件的斷裂形式與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于105才被破壞時(shí)，屬于沖擊疲勞失效。沖擊疲勞失效也有3 個(gè)階段：疲勞裂紋形成階段、裂紋擴(kuò)展階段和零件斷裂階段。其斷口也具有典型的疲勞特征：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。材料的高周沖擊疲勞性能可以用S-N曲線表示，與一般的S-N曲線相似，也可根據(jù)S-N曲線確定出沖擊疲勞極限值。沖擊疲勞極限值與普通的疲勞極限值有一定的差別，這種差別可以用沖擊疲勞系數(shù)來(lái)表達(dá)。沖擊疲勞系數(shù)為沖擊疲勞極限與普通的疲勞極限之比。例如，高溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.97～1.01，中溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.90～0.91，低溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.80～0.91。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊疲勞的研究已有很久的歷史，相關(guān)論文和參考資料很多，如文獻(xiàn)[23-24]。但是本文不討論上述一般意義上的沖擊疲勞。

應(yīng)該指出，上述討論的沖擊都是大行程沖擊，而不是下面討論的微動(dòng)沖擊。

3）沖擊微動(dòng)磨損（Impact Fretting Wear）。

在重復(fù)沖擊載荷作用下引發(fā)零件的微動(dòng)磨損稱(chēng)之為沖擊微動(dòng)磨損。沖擊微動(dòng)磨損存在于某些生產(chǎn)設(shè)備中，能檢索到不少?lài)?guó)內(nèi)外有關(guān)的參考文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[4-5,25-32]。

4）扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞（Torsional Fretting Multi-Impact Fatigue）。

扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞這一新術(shù)語(yǔ)來(lái)源于上述減速機(jī)多次斷軸失效分析案例。

3 扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效實(shí)例的定性和失效模式

經(jīng)過(guò)初步失效分析得知，HS 減速機(jī)斷軸的失效模式為：在隔膜泵驅(qū)動(dòng)的多次沖擊載荷（包含傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）下，軸與輪轂、鍵與鍵槽發(fā)生了微動(dòng)損傷（磨損），破壞了原有的過(guò)盈配合，配合件之間的過(guò)盈量越來(lái)越小，甚至出現(xiàn)間隙（實(shí)際測(cè)量證明了這一點(diǎn)），這就為多次松動(dòng)沖擊提供了條件。值得注意的是，這種沖擊都是微動(dòng)行程沖擊（微動(dòng)沖擊），軸、鍵和鍵槽在多次沖擊載荷作用下就會(huì)出現(xiàn)疲勞失效3 個(gè)階段：疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和零件失穩(wěn)而斷裂（或開(kāi)裂）。但是，其失效斷口的形貌和失效機(jī)理與一般的疲勞有很大不同。在多次微動(dòng)沖擊下，還會(huì)造成零件的部分材料碎裂，其斷口具有非常復(fù)雜的形貌，這是微動(dòng)多沖疲勞失效的顯著特點(diǎn)。減速機(jī)上鍵的碎裂、軸的剝裂和斷裂是很典型的微動(dòng)多沖疲勞失效。試驗(yàn)研究表明，多沖疲勞的疲勞極限要比一般的疲勞極限低，加上微動(dòng)疲勞極限甚至可低于普通疲勞極限的1/3，這就更容易引起零件的疲勞斷裂。因此，減速機(jī)斷軸可以定性為“微動(dòng)損傷+多沖疲勞”斷裂（或剝裂）失效，可命名為微動(dòng)多沖疲勞失效。由于該案例的微動(dòng)（輪轂與直軸的微動(dòng)）屬于扭轉(zhuǎn)微動(dòng)（Torsional Fretting，見(jiàn)表1），因此，失效的全稱(chēng)應(yīng)該是扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞（Torsional Fretting Multi-Impact Fatigue）失效。值得注意的是，目前對(duì)高副的扭動(dòng)微動(dòng)磨損（Torsional Fretting Wear）已有不少研究的報(bào)道，例如文獻(xiàn)[32-43]。本文討論的是低副的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞。目前還沒(méi)有檢索到有與本文相同研究的報(bào)道。但是國(guó)外有一些與本文相關(guān)的報(bào)道和文獻(xiàn)，可作為進(jìn)一步研究的參考。

4 國(guó)外的相關(guān)報(bào)道

文獻(xiàn)[1]報(bào)道一個(gè)實(shí)例：美國(guó)某廠8 臺(tái)大功率壓縮機(jī)的軸和齒式聯(lián)軸器用4340 鋼制造，熱處理為調(diào)質(zhì)，硬度HRC 35～39。壓縮機(jī)的短時(shí)間工作功率為3730 MW（5000 馬力），長(zhǎng)時(shí)間工作功率為2980 MW（4000 馬力）。軸上配置雙鍵和過(guò)盈連接來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。8 臺(tái)壓縮機(jī)分別在2980 MW（4000馬力）下僅僅工作了數(shù)月，就有7 臺(tái)壓縮機(jī)的軸發(fā)生開(kāi)裂（圖7），另1 臺(tái)壓縮機(jī)的軸發(fā)生斷裂（這與HS 減速機(jī)高速軸的失效十分相似）。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，軸的開(kāi)裂和斷裂是由于軸同聯(lián)軸器配合面的滑動(dòng)（Slippage，F(xiàn)retting）以及聯(lián)軸器軸線和壓縮機(jī)軸線錯(cuò)位（Misalignment）造成的。文獻(xiàn)[1]還對(duì)起源于鍵槽底部圓角的裂紋做了描述（圖8）。

圖7 因微動(dòng)磨損引起軸的開(kāi)裂Fig.7 Cracking of the shaft due to fretting wear

圖8 起源于鍵槽底部圓角的裂紋Fig.8 Crack originating from the round corner at the keyway bottom

文獻(xiàn)[1]是目前檢索到論述這種因微動(dòng)磨損引起軸開(kāi)裂和斷裂最明確的報(bào)道，但該文獻(xiàn)中沒(méi)有對(duì)這種失效模式的機(jī)理做進(jìn)一步的理論探討。

目前檢索到的另一篇文獻(xiàn)[44]，論述了軸與輪轂過(guò)盈配合副的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究的結(jié)果。作者采用試驗(yàn)的方法，研究了不同過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)尺寸、載荷和接觸壓力等對(duì)微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞強(qiáng)度的影響。為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9a。試驗(yàn)中有2 種試件，分別為具有溝槽的輪轂試件（圖9b）和不帶溝槽的輪轂試件，前者是研究的重點(diǎn)。

試驗(yàn)研究得到以下主要結(jié)論：

1）配合面的微動(dòng)磨損隨著過(guò)盈配合的接觸壓力的增加而減少，這是因?yàn)榻佑|面滑動(dòng)幅度減少的緣故。

2）在微動(dòng)磨損的作用下，軸會(huì)逐步產(chǎn)生微動(dòng)疲勞斷裂，但是當(dāng)接觸壓力很高時(shí)，軸的失效與一般的疲勞斷裂無(wú)異。

3）對(duì)于一定尺寸的軸，隨著圓角半徑r（圖9b）的增加，其微動(dòng)疲勞極限也會(huì)增加。

圖9 扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖及試件Fig.9 Diagram of the torsional fretting fatigue strength testing machine and test piece

4）論文沒(méi)有涉及微動(dòng)多沖問(wèn)題，沒(méi)有論述微動(dòng)疲勞斷口的特征，沒(méi)有研究扭轉(zhuǎn)微動(dòng)疲勞的機(jī)理。

文獻(xiàn)[45]是文獻(xiàn)[44]論述軸與輪轂過(guò)盈配合副的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究的續(xù)篇，論文中顯示扭轉(zhuǎn)微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)軸的失效形貌。圖10 是軸在過(guò)渡圓角r處的斷裂形貌，屬于一般的疲勞斷裂；圖11 是軸在過(guò)盈配合處斷裂的形貌（接觸應(yīng)力p=53.1 N/mm2，微動(dòng)循環(huán)次數(shù)N=8.5×106），屬于微動(dòng)疲勞斷裂。

圖10 一般的疲勞斷裂Fig.10 General fatigue fracture

圖11 軸在過(guò)盈配合處微動(dòng)疲勞斷裂Fig.11 Fretting fatigue fracture at a shrink-fitted shaft

5 涉及到的重要問(wèn)題

根據(jù)以上的論述，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效的研究要涉及到以下的重要問(wèn)題：

1）扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞發(fā)生的條件和原因。

2）扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效斷口出現(xiàn)剝裂型開(kāi)裂（圖4、圖7）的原因和機(jī)理，目前還缺乏研究，也未能找到有限元或其他的仿真方法。

3）扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞斷裂失效斷口規(guī)律性的形貌特點(diǎn)，斷口形貌極為復(fù)雜的原因。

4）扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞的疲勞極限量值，影響量值高低的物理參數(shù)。

5）預(yù)防扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效的方法和具體措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效的研究可以說(shuō)是一個(gè)新課題，目前與該課題相同的研究文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)尚未見(jiàn)到。因此很值得作進(jìn)一步的研究和探討，探索扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞產(chǎn)生的原因和失效的機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。這對(duì)于受振動(dòng)沖擊的大型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行有重要的意義。本文根據(jù)失效分析工作中發(fā)現(xiàn)的軸的異常失效現(xiàn)象，即一種極為少見(jiàn)的軸的失效形式-扭轉(zhuǎn)微動(dòng)多沖疲勞失效，提出進(jìn)一步的研究方向，以期引起失效分析工作者的關(guān)注并做進(jìn)一步地深入研究。