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《機(jī)械設(shè)計(jì)與研究雜志》2014年第四期
1斷口微觀分析
對(duì)軸向裂紋和徑向斷口取樣進(jìn)行掃描電鏡分析。在斷口上常見(jiàn)的微觀特征不外乎韌窩、滑移特征，解理及準(zhǔn)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(dòng)造成的，而韌窩是過(guò)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(guò)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(cè)
對(duì)材料化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行分析，判別失效是否是由于材料本身問(wèn)題導(dǎo)致的。表1為該材料的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值和相關(guān)材料的標(biāo)準(zhǔn)，拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。材料的化學(xué)成分以及拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都符合45號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)，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(jiàn)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(qiáng)度校核及設(shè)備檢測(cè)
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(shí)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(rèn)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(rèn)為壓力不變，等于排氣壓力;β4區(qū)域:由于氣體透過(guò)徑向間隙，從排氣區(qū)泄露到吸氣區(qū)。可認(rèn)為在該區(qū)域內(nèi)氣壓由排氣壓力直線(xiàn)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(jì)，故這四個(gè)區(qū)域?qū)S作用力的合力，即為氣體對(duì)泵軸的徑向力。按彎扭合成強(qiáng)度校核該軸的強(qiáng)度，取斷裂處為危險(xiǎn)截面，按第三強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力。
3．2疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核同樣取斷裂處為危險(xiǎn)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?yàn)槠趽p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(zhǎng)期運(yùn)行有發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)。(2)轉(zhuǎn)軸周向裂紋是由過(guò)載引起的。當(dāng)出現(xiàn)徑向裂紋時(shí)，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(yàn)證了此分析結(jié)果。(3)建議對(duì)軸采用調(diào)質(zhì)熱處理以提高其強(qiáng)度和韌性，從而提高其抗疲勞強(qiáng)度，或者直接選用疲勞強(qiáng)度更高的材料來(lái)制造傳動(dòng)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(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院