叉車電機(jī)軸斷裂失效分析
2015-11-02 瀏覽量：4444
1 引言
某型電機(jī)是叉車行走電機(jī)，出廠前做行走測試時(shí)電機(jī)軸斷裂。為找出斷裂原因，給改善產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)，需做失效分析。圖1為送檢的斷軸； 圖2是與斷軸同批次生產(chǎn)，未使用的新軸，做失效分析對比用。為后面敘述方便，在圖1中標(biāo)出斷口位置，斷口左邊的部分標(biāo)為“前段”，斷口右邊的部分用“后段”表示；在圖2中，將斷裂處的R用“根圓”標(biāo)示，電機(jī)軸有3處軸承配合表面，分別用S1～S3標(biāo)示。
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| 圖1. 送檢的斷軸 | 圖2. 與斷軸同批生產(chǎn)的新軸 |
2 檢查分析
2.1 外觀檢查
圖3是斷軸的前段，也是電機(jī)軸的輸出部分，檢查表面沒有高溫氧化色，也沒有彎曲變形或頸縮現(xiàn)象。圖中四邊形內(nèi)， S1表面有擦碰痕跡，在右側(cè)S2表面沒有擦碰痕跡。S3與S2表面狀態(tài)相同，又遠(yuǎn)離斷點(diǎn)，不再貼圖。
如圖4所示，后段與定子線束對應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)藍(lán)色高溫氧化色。失效后廠家檢查電機(jī)定子線束沒有燒蝕或短路現(xiàn)象，再考慮到電機(jī)有超溫保護(hù)跳閘功能，因此分析斷軸上的表面氧化色是裝配時(shí)形成的，與此次電機(jī)軸斷裂無關(guān)。
圖5、圖6分別為前段、后段斷口。兩部分?jǐn)嗫谖呛隙雀撸瑪嗫谄烬R，斷面與軸向大致垂直。
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| 圖3. 前段外觀檢查 | 圖4. 后段外觀檢查 |
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| 圖5. 前段斷口宏觀檢查 | 圖6. 后段斷口宏觀檢查 |
2.2 顯微檢查
圖7、圖8是斷口形貌圖。斷口圓周邊緣有若干下凹點(diǎn)，產(chǎn)生裂紋（白色箭頭標(biāo)示處），由表向內(nèi)擴(kuò)展，是裂紋源區(qū)，用A表示； B區(qū)觀察到若干同心圓的周向擴(kuò)展條紋，是扭轉(zhuǎn)疲勞的裂紋特征；C區(qū)沒有周向裂紋擴(kuò)展痕跡，是一次性扭斷區(qū)。A、B、C區(qū)都以圓心中心對稱，裂紋擴(kuò)展如黑色箭頭所示，沿半徑指向中心。
圖9是根圓區(qū)域放大圖，其中四方形內(nèi)的R1就是根圓。根圓相鄰的平面用A標(biāo)示，平面A左右分別是斜面B和C
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| 圖7. 前段斷口檢查 | 圖8. 后段斷口檢查 |
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| 圖9. 根圓區(qū)域圖示 | |
如圖10所示，在根圓與A平面接點(diǎn)附近斷裂。A平面加工紋路粗糙。圖11中A平面的粗糙度明顯差于C平面。
如圖12所示，新品A平面粗糙度差于C平面，也差于圖13中S2軸承接觸表面。
如圖14所示，做徑向切片，測量斷軸根圓半徑R=0.46mm。生產(chǎn)廠家對失效電機(jī)軸同批次產(chǎn)品抽檢，根圓半徑R=0.37mm，均低于技術(shù)要求的R=1mm。根圓在白色箭頭指示的接點(diǎn)位置，不能與兩邊直線邊相切。R偏小，接點(diǎn)不相切，圓弧與直角邊過渡突兀，應(yīng)力集中相應(yīng)增大。根圓附近的A平面加工粗糙，進(jìn)一步增大接點(diǎn)附近的應(yīng)力集中。
如圖15所示，對斷軸S1及相鄰表面顯微檢查發(fā)現(xiàn)，1.1毫米槽左側(cè)非軸承接觸表面也出現(xiàn)軸承壓痕和磨痕，據(jù)此判斷S1處的軸承與軸表面存在穿動(dòng)現(xiàn)象。測量斷軸S1處直徑為Φ19.97～20.00mm，小于Φ20.2的技術(shù)要求下限值。對比測量新軸S1處直徑為Φ20.31，符合技術(shù)要求。因此斷軸在S1部位直徑小于技術(shù)要求，是軸承擠壓和磨損造成的。
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| 圖10. 根圓斷裂處 | 圖11. 根圓斷裂處平面粗糙比較 |
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| 圖12. 新品A、C平面粗糙度比較圖 | 圖13. S2表面粗糙度 |
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| 圖14. 根圓半徑測量 | 圖15. 斷軸S1附近檢查 |
2.2 硬度試驗(yàn)
檢驗(yàn)斷軸硬度，結(jié)果如表1，表面硬度與心部硬度相差不大，該電機(jī)軸未做表面熱處理。根據(jù)GB/T 1172，斷軸心部硬度對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為797～808N/mm2。比GB/T 3077中提供的40Cr材料調(diào)質(zhì)后980N/mm2的抗拉強(qiáng)度值低22.5%。
分析認(rèn)為如果適當(dāng)提高心部硬度、表面硬度，可以提高軸的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
表1：硬度檢查結(jié)果（HV1）
| 檢測部位 | 1 | 2 | 3 | 平均值 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 后段斷口附近 | 心部 | 243.8 | 245.4 | 239.4 | 243 |
| 根圓表面 | 245.6 | 249.2 | 240.5 | 245 | |
| 前段斷口附近 | 表面 | 257.8 | 251.8 | 251.4 | 254 |
| 心部 | 242.6 | 237.3 | 239.8 | 240 | |
2.3 金相檢查
如圖16所示，沿直徑方向縱向解剖，低倍檢查剖面發(fā)現(xiàn)，表層組織與心部組織差別不懸殊，斷軸未做表面熱處理。
如圖17所示，斷軸有帶狀組織，根據(jù)GB/T 13299評定帶狀組織為3級。帶狀組織降低電機(jī)軸橫向機(jī)械性能和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度。
圖18是心部金相組織，為回火S+部分T+條狀及網(wǎng)狀F，根據(jù)GB/T 13320評級為5.5級。組織級別評定越高，斷軸材料強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度越低，脆性越大。受帶狀組織的影響，斷軸金相組織具有不均勻性。
圖19是表層金相組織，為回火S+少量F，根據(jù)GB/T 13320評級為2.5級。
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| 圖16. 低倍檢查（50X） | 圖17. 帶狀組織檢查（100X） |
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| 圖18. 心部組織（500X） | 圖19. 表層組織（500X） |
2.4 SEM分析
如圖20所示，裂紋起源于邊緣的凹坑，凹坑附近沒有夾雜等材料缺陷。由于凹坑處的缺口效應(yīng)，應(yīng)力高度集中，大于材料強(qiáng)度時(shí)，引發(fā)裂紋，釋放尖端應(yīng)力。隨后在扭轉(zhuǎn)力作用下，裂紋沿圓周方向擴(kuò)展。在圖中右下角觀察到兩條白色紋，是扭轉(zhuǎn)力作用下產(chǎn)生臺(tái)階，A區(qū)開始向B區(qū)過渡。
圖21是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，觀察到疲勞條紋，以及與貝殼方向一致的二次裂紋。裂紋穿過晶界，在晶內(nèi)擴(kuò)展，具有穿晶斷裂特征。扭轉(zhuǎn)疲勞條紋和正斷型斷口上的條紋不同，每個(gè)條紋實(shí)際上是小的臺(tái)階或二次裂紋，有的出現(xiàn)分叉，長條紋之間還有短條紋。從應(yīng)力狀態(tài)分析，在橫向剪切時(shí)，裂紋沿圓周擴(kuò)展的方向與剪切位移的方向平行，屬II型應(yīng)力。上述的條紋實(shí)際上是裂紋尖端在剪切應(yīng)力反向的過程中產(chǎn)生的剪切臺(tái)階、二次裂紋或擦傷痕跡。
SEM分析結(jié)果表明，斷口微觀上具有扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的特征。
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| 圖20. 裂紋源 | 圖21. 裂紋擴(kuò)展區(qū) |
2.5 化學(xué)成分分析
采用硫碳分析儀+IPC檢查材料化學(xué)成分，分析結(jié)果見表2，與GB/T 3077對照，除P元素0.0256略超出高級優(yōu)質(zhì)鋼40CrA中P≤0.025最低要求，但在優(yōu)質(zhì)鋼40Cr中P≤0.035范圍內(nèi)，其他所有元素含量都在40CrA正常范圍內(nèi)。
表2：化學(xué)元素分析結(jié)果(Wt%)
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 高級優(yōu)質(zhì)鋼技術(shù)要求 | 0.37～0.44 | 0.17～0.37 | 0.50～0.80 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.80～1.10 | ≤0.10 | ≤0. 25 |
| 實(shí)測結(jié)果 | 0.4157 | 0.2714 | 0.6930 | 0.0256 | 0.0108 | 0.9308 | N.D. | 0.0509 |
3 理論分析
如圖22所示，電機(jī)軸是豎直放置，正常工作過程中，主要受扭轉(zhuǎn)力的作用。如果工作過程中，輸出端的軸承有穿動(dòng)現(xiàn)象，那么軸在軸承配合表面容易磨損或變形。軸材料硬度越低，磨損和變形加劇。軸承配合間隙隨之增大，軸承套與軸S1表面配合松動(dòng)，振動(dòng)加速度變大，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定間隔的較大沖擊力F。如果以電機(jī)軸軸心為圓心，圓心到齒輪嚙合位置為半徑畫圓，那么齒輪嚙合產(chǎn)生的沖擊力主要沿圓周方向，與半徑相切。參考裝配圖，S2軸承承載部分通過螺栓聯(lián)接，與大減速齒輪實(shí)際成為一個(gè)整體。假設(shè)S2表面到齒輪嚙合處距離為L，那么沖擊力對軸S2的扭矩M=F*L，F(xiàn)越大，M也越大。
斷裂部位在軸與軸肩過渡處，此位置直徑發(fā)生突變。實(shí)際根圓半徑太小，圓角與直邊接點(diǎn)不相切，應(yīng)力集中程度大，容易開裂。材料強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度越低，開裂趨勢越大。
圖22. 電機(jī)軸輸出端裝配示意圖
4 結(jié)論
電機(jī)軸輸出端軸承穿動(dòng)，導(dǎo)致軸表面扭轉(zhuǎn)力隨齒輪嚙合節(jié)拍增大，在薄弱的軸與軸肩過渡圓角接點(diǎn)處引發(fā)電機(jī)軸低周扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。軸表面抗壓、抗磨損能力越低，軸與軸肩過渡圓角越小，圓角附近加工越粗糙，以及軸材料抗疲勞強(qiáng)度越低，軸疲勞壽命也越低。
*****結(jié)束*****
作者簡介：
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