液環真空泵轉軸斷裂的失效范文

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《機械設計與研究雜志》2014年第四期

1斷口微觀分析

對軸向裂紋和徑向斷口取樣進行掃描電鏡分析。在斷口上常見的微觀特征不外乎韌窩、滑移特征，解理及準解理特征，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造成的，而韌窩是過載造成的。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。這表明過載可能是導致軸向裂紋的主要原因。

2化學成分、力學性能分析及組織檢測

對材料化學成分、力學性能進行分析，判別失效是否是由于材料本身問題導致的。表1為該材料的化學成分實測值和相關材料的標準，拉伸性能試驗結果見表2。材料的化學成分以及拉伸實驗結果表明該材的屈服強度和抗拉強度都符合45號鋼標準，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，金相顯微圖中可見白色的鐵素體和黑色塊狀的珠光體，未經淬火熱處理，因此也可排除裂紋為淬火裂紋的可能。

3強度校核及設備檢測

3．1受力分析該真空泵的轉軸在受到扭轉載荷的同時也受到了泵內氣體的徑向作用力。該徑向力在真空泵的不同區域有不同的值，如圖所示。β1區域:在該區域內，可認為吸入壓力不變;β2區域:壓力隨β角的增加而增加;β3區域:可認為壓力不變，等于排氣壓力;β4區域:由于氣體透過徑向間隙，從排氣區泄露到吸氣區?？烧J為在該區域內氣壓由排氣壓力直線地下降到吸入壓力。葉輪重量引起的徑向力較小，可以忽略不計，故這四個區域對軸作用力的合力，即為氣體對泵軸的徑向力。按彎扭合成強度校核該軸的強度，取斷裂處為危險截面，按第三強度理論求出危險截面的當量應力。

3．2疲勞強度安全系數校核同樣取斷裂處為危險截面，按疲勞條件校核其安全程度。

4結論

(1)液環真空泵轉軸徑向斷裂的主要原因為疲勞損傷。在工作中，轉軸除受到轉矩外還受到了交變徑向力的作用。經校核發現該軸的疲勞安全系數偏小，長期運行有發生疲勞破壞的危險。(2)轉軸周向裂紋是由過載引起的。當出現徑向裂紋時，鍵槽處的結構完整性受到了破壞，使鍵槽底部的應力集中加劇，導致裂紋的產生。掃描電鏡圖中的明顯韌窩驗證了此分析結果。(3)建議對軸采用調質熱處理以提高其強度和韌性，從而提高其抗疲勞強度，或者直接選用疲勞強度更高的材料來制造傳動軸，如:1Cr18Ni9Ti。

作者：姚興軍何云陳琴珠韓星浩單位：華東理工大學機械與動力工程學院