液环真空泵转轴断裂的失效范文

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《机械设计与研究杂志》2014年第四期

1断口微观分析

对轴向裂纹和径向断口取样进行扫描电镜分析。在断口上常见的微观特征不外乎韧窝、滑移特征，解理及准解理特征，沿晶断裂特征，疲劳断裂特征(疲劳条带、二次裂纹、韧窝条带等)等断裂特征花样。图6为键槽处起源的径向断口的扫描电镜图。断口表面可以观察到疲劳辉纹，并且有少量韧窝。疲劳裂纹是由于振动造成的，而韧窝是过载造成的。图7为轴向的小裂纹断口扫描电镜形貌。断口表面有明显的韧窝和少量疲劳辉纹。这表明过载可能是导致轴向裂纹的主要原因。

2化学成分、力学性能分析及组织检测

对材料化学成分、力学性能进行分析，判别失效是否是由于材料本身问题导致的。表1为该材料的化学成分实测值和相关材料的标准，拉伸性能试验结果见表2。材料的化学成分以及拉伸实验结果表明该材的屈服强度和抗拉强度都符合45号钢标准，表明该轴断裂不是材料本身的原因。取轴向裂纹并做金相。图7为轴向裂纹的金相组织。从轴向裂纹的金相显微形貌中可以看到，裂纹为穿晶断裂，裂纹笔直，在尖端处有少量分叉。材料组织为典型的亚共析钢金相组织，金相显微图中可见白色的铁素体和黑色块状的珠光体，未经淬火热处理，因此也可排除裂纹为淬火裂纹的可能。

3强度校核及设备检测

3．1受力分析该真空泵的转轴在受到扭转载荷的同时也受到了泵内气体的径向作用力。该径向力在真空泵的不同区域有不同的值，如图所示。β1区域:在该区域内，可认为吸入压力不变;β2区域:压力随β角的增加而增加;β3区域:可认为压力不变，等于排气压力;β4区域:由于气体透过径向间隙，从排气区泄露到吸气区。可认为在该区域内气压由排气压力直线地下降到吸入压力。叶轮重量引起的径向力较小，可以忽略不计，故这四个区域对轴作用力的合力，即为气体对泵轴的径向力。按弯扭合成强度校核该轴的强度，取断裂处为危险截面，按第三强度理论求出危险截面的当量应力。

3．2疲劳强度安全系数校核同样取断裂处为危险截面，按疲劳条件校核其安全程度。

4结论

(1)液环真空泵转轴径向断裂的主要原因为疲劳损伤。在工作中，转轴除受到转矩外还受到了交变径向力的作用。经校核发现该轴的疲劳安全系数偏小，长期运行有发生疲劳破坏的危险。(2)转轴周向裂纹是由过载引起的。当出现径向裂纹时，键槽处的结构完整性受到了破坏，使键槽底部的应力集中加剧，导致裂纹的产生。扫描电镜图中的明显韧窝验证了此分析结果。(3)建议对轴采用调质热处理以提高其强度和韧性，从而提高其抗疲劳强度，或者直接选用疲劳强度更高的材料来制造传动轴，如:1Cr18Ni9Ti。

作者：姚兴军何云陈琴珠韩星浩单位：华东理工大学机械与动力工程学院