某型空氣起動機保險軸斷裂失效分析

蔣勇 陳斐/襄陽航泰動力機器廠

1 故障情況

某型空氣起動機外場使用中發生一起保險軸斷裂故障，斷裂處位于保險軸承剪處（見圖1），測量保險軸承剪處直徑為13.402mm；分解空氣起動機，檢查其余機件無缺陷。該保險軸隨空氣起動機修后使用234h1min，總壽命1152h58min。

圖1 保險軸

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，未發現斷口附近存在其他裂紋等缺陷，斷面區域有色澤差異，斷口沿圓周方向呈圓周弧線擴展形貌（見圖3）。保險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，無明顯粘附物，如圖5、圖6 所示。

圖2 保險軸斷裂后形貌

能譜分析結果表明，擠壓處與保險軸成分基本一致，未發現外來擠壓物。

微觀檢查保險軸“斑印”區域存在輕微的疏松缺陷（見圖7），呈現韌窩特征（見圖8）。斷面光滑平坦，其他區域亦可見拉長型的剪切韌窩，與保險軸扭矩方向相對一致。其他表面未發現異常現象。

圖3 保險軸斷面形貌

圖4 保險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

對斷口進行金相檢查，斷面組織均為較均勻的索氏體組織，如圖9 所示。檢查保險軸心部平均硬度為HRC33.8，符合圖紙要求。

5 分析結果

保險軸是空氣起動機的關鍵零件，安裝在空氣起動機的輸出端，主要用于傳遞輸出扭矩，在傳遞扭矩超過承剪扭矩規定值時斷裂，以保護發動機和空氣起動機。保險軸材料為25Cr3MoA，硬度HRC32 ～38，保險軸承剪處直徑13.40 ～13.425mm。

5.1 斷裂性質

保險軸在工作中主要承受扭轉載荷。宏觀檢查表明，保險軸斷面沿圓周方向呈圓周弧線擴展形貌，具有扭轉過載斷裂的宏觀特征。微觀上，斷口為韌窩特征，除最后斷裂區韌窩為等軸型外，其他部位韌窩均被拉長，說明這些部位均是在剪切應力作用下斷裂的，也具有扭轉過載斷裂的微觀特征。因此，可以確定保險軸的斷裂性質為扭轉過載斷裂。

5.2 斷裂原因

保險軸的斷裂性質為扭轉過載斷裂，說明該保險軸在使用中受到了超過其承載能力的扭轉載荷作用。保險軸硬度檢查合格，斷口分析中也未發現明顯的材質問題，且該保險軸已經經過一個壽命周期，因此，可以排除材料強度不合格導致傳動桿斷裂的可能。但保險軸硬度和承剪處直徑處于規定范圍的下限，即保險軸剪切扭矩處于規定的下限范圍，在發動機長時間停放后的使用中，發動機轉動力矩變大，起動瞬間空氣起動機保險軸承受到更大的扭轉轉矩，扭轉轉矩大于保險軸剪切扭矩，導致保險軸斷裂。

6 結論

保險軸是因高速動轉截荷過大導致的斷裂。

建議在制造時，嚴格控制保險軸的承剪扭矩和硬度等力學性能。