某取力器傳動(dòng)軸斷裂分析及其改進(jìn)方案

王華權(quán)

（1.貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州遵義563003；2.十院謝洪斌技能大師工作室，貴州遵義 563003）

0 引言

某取力器傳動(dòng)軸向后一級(jí)系統(tǒng)傳遞功率為29 kW,轉(zhuǎn)速1440 r/min,在運(yùn)行3000 h后,突然整個(gè)取力器發(fā)生異常叫嘯，其后響起巨大的“爆炸”沖擊聲，斷裂件在高速傳動(dòng)的動(dòng)能作用下瞬間斷散，其沖擊動(dòng)能擊破箱體并造成重大安全事故。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)斷件燒蝕嚴(yán)重，斷裂的部位如圖1所示。

從圖1、圖2中可清晰地看到斷裂部位,現(xiàn)就此次斷裂事故分析其斷裂的原因，并提出改進(jìn)措施[1-2]。

圖1 傳動(dòng)軸前端斷裂圖

圖2 傳動(dòng)軸前端斷裂并嵌入齒輪軸

圖3 斷裂的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意圖

1 斷裂軸斷口處分析

針對(duì)斷裂軸采用定量金相分析，通過(guò)二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和確定合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)金相來(lái)進(jìn)一步分析如下:首先，取一對(duì)樣件，對(duì)斷裂件命名為A組。對(duì)正常加工和熱處理的工件命名為B組；并分別進(jìn)行金相拍照和組織分析，如圖4、圖5所示。

圖4 A組端面金相照片(500×)

圖5 B組端面金相照片(500×)

對(duì)比兩組照片看出。A組金相組織均勻，表面組織為粗細(xì)均勻的細(xì)針狀馬氏體，其顯微組織還分布有部份回火索氏體。而B(niǎo)組略顯粗大，有黑色針狀馬氏體、灰白色殘余奧氏體及齒頂部位呈聚集分布的白色塊狀（呈斷續(xù)網(wǎng)狀）碳氮化合物[3]。

從以上金相分析，斷裂的傳動(dòng)軸內(nèi)部晶體排列均勻，其內(nèi)部硬度一定較高[4]。而正常工件組織粗大，硬度較低。從設(shè)計(jì)與熱處理角度來(lái)說(shuō)，要求外表面硬度高而內(nèi)部硬度低，外硬內(nèi)韌。再進(jìn)行硬度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果是A組斷裂軸硬度為56 HRC，而B(niǎo)組20CrMnTi用鋼硬度為40 HRC。說(shuō)明A組材料已經(jīng)硬化。圖1和圖2為提取金相前照片，觀察發(fā)現(xiàn)有明顯的發(fā)藍(lán)痕跡。

2 斷裂原因分析

通過(guò)前面的材料和實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知：1）所用的材料沒(méi)有夾渣，沒(méi)有代用等質(zhì)量材料的問(wèn)題；2）斷裂件金相組織與硬度發(fā)生變化，而新試件金相組織與硬度符合設(shè)計(jì)要求。因此問(wèn)題歸結(jié)為零件工作后出現(xiàn)斷裂的嚴(yán)重質(zhì)量事故。由此從以下三個(gè)方面進(jìn)行斷裂件的分析。

2.1 從齒輪軸所受的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)性能分析

在扭轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，斷面是沿橫截面被剪切破壞的，說(shuō)明橫截面是承受剪切應(yīng)力而破壞的。低碳鋼的韌性比較強(qiáng)，其脆性較低。韌性的材料屈服強(qiáng)度曲線高于脆性材料。而前面的金相與硬度測(cè)量表明，斷裂件是在運(yùn)行之后發(fā)生材料的韌度變化。在圖1、圖2的照片中，斷裂位置是位于滾針軸承端根部。仔細(xì)觀查其斷裂處：斷口裂紋源區(qū),其斷裂切口表面較平坦。因此可以認(rèn)為，材料因發(fā)熱后發(fā)生塑性變化，而外載荷仍然不變的情況下，斷件所受到的剪應(yīng)變超過(guò)承受的扭轉(zhuǎn)極限，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂的事故[5]。

2.2 從齒輪所受的剪切性分析

斷裂切口表面較平坦,表明該軸還受到剪切力的作用。整軸可能受到一個(gè)沿根部裁切的外力；在高溫疲勞的情況下，使該件發(fā)生斷裂。從微觀斷口看,觀察到3個(gè)區(qū)域：即裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),這屬正斷型單向扭彎疲勞斷裂。斷口貝紋線比較扁平,裂紋沿線側(cè)的裂紋擴(kuò)展速度較大,由此可見(jiàn),斷件主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力[6]。再觀察疲勞區(qū)，發(fā)現(xiàn)在裂紋源和瞬斷區(qū)之間形成像貝殼表面的同心圓弧線，裂紋前沿線弧狀臺(tái)階痕跡，像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線；說(shuō)明斷件由于交變應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生斷裂[7]。

斷口表現(xiàn)為正斷型單向扭彎疲勞斷裂,說(shuō)明該處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。正斷是由正應(yīng)力引起的,斷裂面與最大主應(yīng)力方向垂直。從圖3看出，該軸設(shè)計(jì)有兩個(gè)軸承支承點(diǎn)，斷裂處通過(guò)NKI 17/20滾針軸承嵌入前端的齒輪軸，后端是安裝6206軸承與箱體固定。前端屬于浮動(dòng)支承，后端屬于固定支承。后端花鍵齒與萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器相接，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中斷件會(huì)因萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器的偏心和擺動(dòng)而產(chǎn)生軸向剪切力。即該傳動(dòng)軸沿根部斷裂的最大因素之一是受剪切力作用后發(fā)生疲勞斷裂。

2.3 從齒輪軸所受的蠕變極限角度分析

圖1、圖2中發(fā)現(xiàn)斷裂處兩部分均燒蝕發(fā)藍(lán)，與斷裂線較近的部分也有燒蝕現(xiàn)象。而斷裂過(guò)程先是噪聲增大，斷裂后擊破殼體濃煙冒出，這說(shuō)明該軸斷裂前曾嚴(yán)重摩擦發(fā)熱。金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生材料塑性化，在常溫下所承受的拉、壓、剪等指標(biāo)，在高溫時(shí)就會(huì)降低，最典型的是發(fā)生材料性能的蠕變。

在高溫一定應(yīng)力條件下，合金鋼蠕變過(guò)程是元素?cái)U(kuò)散運(yùn)動(dòng)、錯(cuò)位攀移或滑動(dòng)的過(guò)程。溫度的作用是提供熱激活能，使原子擴(kuò)散加速；應(yīng)力的作用是使原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)位錯(cuò)的形成、增殖、攀移或滑移[8-9]。

同一種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力和溫度的改變而變化。金屬蠕變抗力指標(biāo)是蠕變極限。即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力，或在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)使試樣產(chǎn)生規(guī)定伸長(zhǎng)率的應(yīng)力。用蠕變速率測(cè)定的蠕變極限和以伸長(zhǎng)率測(cè)定的蠕變極限分別表示（蠕變曲線表示）。一般經(jīng)驗(yàn)公式，溫度不變時(shí)第二階段蠕變速率與應(yīng)力的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系[10]。但由于試樣表面氧化或受侵蝕以及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化等，這種線性關(guān)系在長(zhǎng)時(shí)間可能不復(fù)存在[11]。

對(duì)于斷件，在一段時(shí)間的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生一定量形變，理論上蠕變速率為（在600℃，10萬(wàn)h的形變量為1%）。但是影響蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的因素還很多，其中最主要的是溫度，材料內(nèi)部晶體的穩(wěn)定性、形變測(cè)量精度和試樣加工工藝等。對(duì)于本次斷裂的傳動(dòng)軸只運(yùn)行了5000 h。屬于摩擦發(fā)熱下發(fā)生蠕變，同時(shí)在剪切作用下斷裂。

3 原因分析結(jié)論

該傳動(dòng)軸合金成分合格，原軸設(shè)計(jì)工藝要求合理；其斷裂的原因是由于接觸部位的摩擦發(fā)熱發(fā)生燒蝕，使鋼材料發(fā)生脆變，再伴隨著外部載荷跳動(dòng)和剪切沖擊，從而使該軸材料發(fā)生蠕變扭轉(zhuǎn)、疲勞強(qiáng)度降低的情況下發(fā)生斷裂。

4 改進(jìn)措施

4.1 從熱處理工藝方面,提高熱處理質(zhì)量

熱處理的方法和目的是提高表面硬度增加心部韌度。提高表面硬度的熱處理工藝是表層滲碳。在庫(kù)存的軸類中檢測(cè)出現(xiàn)心部硬度過(guò)高的現(xiàn)象。這是由于鋼中合金及碳的含量過(guò)高，或者淬火溫度過(guò)高。這種缺陷常出現(xiàn)在合金元素含量較高的合金滲碳鋼的工件中，而設(shè)計(jì)選用的材料20CrMnTi正是這種較難控制而容易熱處理出錯(cuò)的材料。對(duì)于這些心部硬度過(guò)高的工件，可以采用堿浴分級(jí)淬火的方法來(lái)補(bǔ)救。方法是淬火溫度為（830±10）℃，選用65KOH+35NaOH的堿浴分級(jí)淬火溫度為（320±20）℃，堿浴中停留時(shí)間為5～8 min，然后再轉(zhuǎn)入油中冷卻[12]。

4.2 從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度來(lái)提高傳動(dòng)軸的質(zhì)量

機(jī)械設(shè)計(jì)就是對(duì)機(jī)械、機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化、改進(jìn)與改造；是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，往往也是解決問(wèn)題的源點(diǎn)。

1）從軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化性角度出發(fā)提出修改措施。軸類在動(dòng)力學(xué)中看成線性單元，并具有相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中要求軸類不能是非均勻質(zhì)的軸。即使特殊設(shè)計(jì)需要滿足凸輪功能時(shí)，也會(huì)考慮添加或者減輕配重。在圖3中，看出在材料均質(zhì)條件下不會(huì)產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)矩。同樣軸類在理論力學(xué)中通常簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧蛘邨U單元。撓度變化量是梁、桿單元設(shè)計(jì)必須考慮的最重要的參數(shù)。在圖3中，設(shè)計(jì)考慮撓度和強(qiáng)度，所以軸徑和軸長(zhǎng)均取較高的安全系數(shù)。支承方面采用2個(gè)軸承：軸承NKI 17/20和6206軸承；而NKI 17/20軸承嵌入前端的齒輪軸，6206軸承與箱體固定安裝。也就是說(shuō)前者是浮動(dòng)支承，后者是固定支承。當(dāng)外界有跳動(dòng)反饋輸入時(shí)，就會(huì)對(duì)浮動(dòng)支承產(chǎn)生沖擊剪力。這就是該軸從滾針軸承根部斷裂的根本原因。從這一原因出發(fā)，提出解決方案就是在箱體內(nèi)焊接一個(gè)固定支承架來(lái)增加一個(gè)6206軸承，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支承，減少跳動(dòng)沖擊。

2）從軸承選用的角度出發(fā)提出修改措施。觀察圖1、圖2，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸一段斷裂，并“溶化”于前端齒輪軸上，這是斷件受熱后發(fā)生燒蝕的痕跡。分析是設(shè)計(jì)選用的滾針軸承NKI 17/20理論極限轉(zhuǎn)速是1800 rad/min左右，而傳動(dòng)軸通常工作轉(zhuǎn)速是1500 rad/min左右，再加上沖擊受載，使該軸發(fā)出刺耳的叫嘯聲，迅速摩擦發(fā)熱。當(dāng)發(fā)熱溫度超高，使?jié)L針軸承燒壞，進(jìn)而使傳動(dòng)軸發(fā)熱脆變，最后在不均勻剪應(yīng)力沖擊下使軸承根部斷裂。選用的解決方案之一就是更換一種壽命和承受轉(zhuǎn)速更高的軍品級(jí)軸承。

3）從潤(rùn)滑的角度出發(fā)提出修改措施。潤(rùn)滑油的作用是減少摩擦、潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。在原設(shè)計(jì)方案做臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)，連續(xù)運(yùn)行12 h后該潤(rùn)滑油的溫度高達(dá)85℃。仔細(xì)分析原傳動(dòng)軸的潤(rùn)滑方式，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸與前端齒輪軸潤(rùn)滑是靠飛濺潤(rùn)滑。飛濺潤(rùn)滑對(duì)外部接觸的物件有良好的潤(rùn)滑作用。但是滾針軸承是嵌入式裝配，飛濺潤(rùn)滑根本就不可能潤(rùn)滑到滾針軸承。當(dāng)增加潤(rùn)滑油使油池浸沒(méi)到滾針軸承，即選用浸沒(méi)潤(rùn)滑方案時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱和噪聲立即下降不少。但是長(zhǎng)時(shí)間工作或者野外路況時(shí)難控制潤(rùn)滑油的油量。于是筆者提一種全新的潤(rùn)滑方式——注入式循環(huán)潤(rùn)滑。即在滾針軸承安裝的位置前端的齒輪軸齒面上打3個(gè)通孔到滾針軸承安裝面，三維剖面圖如圖6所示。當(dāng)前齒輪嚙合時(shí)，齒輪帶上的潤(rùn)滑油在齒輪嚙合時(shí)通過(guò)1個(gè)孔被擠壓進(jìn)入滾針軸承腔體內(nèi)，另外2個(gè)孔則起排氣作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)就會(huì)形成潤(rùn)滑油從1個(gè)孔擠入2個(gè)孔排出的一個(gè)良性油路循環(huán)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)也能使NKI 17/20軸承得到更好的潤(rùn)滑和降溫，同時(shí)提高了其使用壽命。

4）從通常工藝出發(fā)提出修改措施。從機(jī)械加工方面出發(fā)，提高機(jī)械加工精度，減少齒距累積誤差、螺旋線波度誤差等；同時(shí)降低表面粗糙度,減小初始裂紋出現(xiàn)的可能性。對(duì)裝配在該軸上的齒輪要增加剃齒工藝，提高磨齒精度。在熱處理工藝方面,提高熱處理質(zhì)量，保證表面硬度和心部韌度[13]。

圖6 潤(rùn)滑油路設(shè)計(jì)剖面圖

5 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行上面方案的改進(jìn)后，我們進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即噪聲、振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)比[14]。圖7是改進(jìn)前在1500 r/min下的加速度頻譜曲線；圖8是改進(jìn)前在1500 r/min下的聲功率頻譜曲線。

圖8 1500 r/min下的聲功率頻譜曲線

圖9 1500 r/min下的加速度頻譜曲線

圖10 1500 r/min下的聲功率頻譜曲線

進(jìn)行前面所提的方案改進(jìn)之后再進(jìn)行測(cè)量。圖9是改進(jìn)后在1500 r/min下的加速度頻譜曲線；圖10是改進(jìn)后在1500 r/min下的聲功率頻譜曲線。

從上面的實(shí)驗(yàn)圖表看出，整組改進(jìn)方案噪聲工藝改可以降低噪聲4～8 dB。振動(dòng)加速度降低6～8 m/s2。而對(duì)箱體內(nèi)潤(rùn)滑油進(jìn)行對(duì)比測(cè)量也發(fā)現(xiàn)油溫從85℃降至72℃。因此該傳動(dòng)軸斷裂分析到位，改進(jìn)措施合理[15]。

6 結(jié)論

通過(guò)斷裂軸的原因分析，找出了摩擦發(fā)熱導(dǎo)致燒蝕從而造成高溫蠕變，蠕變速度加快進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂的原因。并提出提高熱處理質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高機(jī)械加工工藝精度等措施；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到了優(yōu)化改進(jìn)的方案。

[1] 趙溫朝,陳天勇,王華權(quán).一種雙軸式車用取力器:CN200920206496.2[P].2009-09-29.

[2] 王華權(quán),陳齊平,何聯(lián)格,等.一種取力器換擋機(jī)構(gòu)中鋼球運(yùn)動(dòng)的仿真與分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2011(2):25-27.

[3] 王開(kāi)遠(yuǎn).GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》介紹[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2004(5):5-8.

[4] 金相圖譜編寫組.金相圖譜[M].北京:水利電力出版社,1986.

[5] 舒紅宇,陳博,劉禹智,等.一種雙軸式農(nóng)用車取力器特性分析與試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2013(1):35-37.

[6] 高敏華.齒輪軸斷齒失效分析[J].金屬熱處理,1994(9):35-37.

[7] 恩格,克林格.金屬損傷圖譜[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:78-91.

[8] 張靜華,唐亞俊.一種單晶高溫合金蠕變過(guò)程中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[J].金屬學(xué)報(bào),1992(1):114-119.

[9] 韓梅,駱宇時(shí).DD3單晶高溫合金的高溫蠕變斷裂行為[J].失效分析與預(yù)防,2008(3):28-31.

[10] 姚啟均.金屬機(jī)械性能試驗(yàn)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983:163.

[11] 李妍緣,趙興明,郭宏亮.高速齒輪軸失效原因分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2009,33(5):79-80.

[12] 崔忠圻,劉北興.金屬學(xué)與熱處理[M].3版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007:186-198.

[13] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第13篇[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:18-48.

[14]馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:240-290.

[15]王華權(quán).現(xiàn)代農(nóng)用汽車取力器設(shè)計(jì)與分析[D].重慶:重慶大學(xué),2011:66-76.