王兆前 楊 杰 朱玲玉

（濰柴動力揚州柴油機有限責任公司）

1 概況

在試驗過程中轉子機油泵軸出現(xiàn)兩次失效，第一次運行300小時，第二次運行50小時。軸材料為45鋼，調質熱處理，硬度為217～255HB。對斷口宏觀形貌進行觀察分析、軸的鍵槽和鍵進行校核計算，查找此軸斷裂失效原因及相應的改進措施，為后續(xù)試驗提供理論參考。

2 宏觀檢驗

對機油泵一斷口宏觀形貌觀察，機油泵軸失效部位均在軸鍵槽處，現(xiàn)象為軸鍵槽處斷裂，觀察兩斷口，斷口有不同程度的磨損，其中B側斷口分為兩塊，其中一塊已經完全裂開。取下B斷口左側小塊 （見圖3），斷口可見明顯疲勞貝紋線及放射線，貝紋線圓心即疲勞源。疲勞溝槽明顯，說明此處應力集中嚴重。

初步分析機油泵軸為疲勞斷裂，疲勞源位于鍵槽一側，裂紋沿周向擴展。軸的斷口說明軸在鍵槽左側受到剪切力，導致疲勞裂紋萌生并沿周向擴展。

（圖3）

（圖4）

（圖5）

分析螺紋旋向 （圖4）時發(fā)現(xiàn)螺母擰緊方向與機油泵被驅動時的旋轉方向相反，分析為螺母壓緊齒輪端面，通過摩擦力傳遞一定的扭矩。運轉過程中因齒輪運轉方向與螺母擰緊旋向相反使螺母松動，而后鍵傳遞扭矩，軸所受剪切應力超出軸的疲勞強度，最終疲勞斷裂。圖5為第二次斷裂軸的前半段，鍵槽處已發(fā)生滾切現(xiàn)象，現(xiàn)象與分析一致。

3 失效成因分析計算

3．1 轉子泵供油量

式中Q —— 泵的供油量（L／min）；

η0——泵的供油效率，η＝80～85%；

C—— 內外轉子間的最大齒間面積（cm3）；

B—— 轉子厚度（cm）；

N—— 內轉子轉速（rpm）。

在最大面積C未知時，可用下式近似計算，誤差不大于3% ～4%

ρ1、ρ2分別為內轉子的長半徑和短半徑，單

位cm；

轉子泵的驅動功率占柴油機有效功率的0．8－1．8%，可用下式計算

Np＝1／η×VpΔp×1／27000 （PS）

式中η＝η0ηm——ηm為泵的機械效率，高速時取0．85～0．9，低速時取0．7～0．75；

Vp—— 泵的供油量（L／h）；

Δp—— 進出油口油壓差（kgf／cm2）。

簡化后

取ρ1＝4．4cm、ρ2＝2．75cm、B＝2．4cm、Δp×900kPa ＝8．82 kgf／cm2、ηm＝0．9

計算得：T ＝13．6 Nm

3．2 對鍵進行強度校核

取 T ＝13．6 Nm、d＝12mm、k＝1．7mm、L ＝7．7mm

計算得：σp＝173．1 Mpa

鍵許用擠壓應力〔σp〕為（125～150）MPa，σp＞〔σp〕，不能滿足要求。

3．3 對鍵槽進行強度校核

因軸鍵槽處出現(xiàn)滾切現(xiàn)象，將鍵視為剛體對鍵槽進行計算分析

對圖6分析：當這個微小的角位移產生后，因傳動力P的作用以及變載工作的過程中，這時的齒輪輪轂鍵槽和鍵對傳動軸上鍵槽的一側進行擠壓、碰撞。

從發(fā)動機前端看軸與輪轂的相對位移（圖6）

為分析直觀取機油泵軸的鍵槽截面作參考示意圖如7

（圖7）

式中R—— 軸半徑，R＝6mm

H——鍵槽底面至軸心距，H ＝3．5mm軸鍵槽的擠壓應力

剪切應力

式中d—— 軸直徑，d＝12mm

L—— 鍵槽工作長度，L＝7．7mm

從圖中可以看出軸與輪轂之間有相對位移后，作用在軸鍵槽一側的應力就會有面接觸變?yōu)樽饔迷阪I槽頂部的邊線上，這是鍵槽側面變?yōu)橐欢耸芰σ欢斯潭ǖ暮喼Я?，其作用在鍵槽面上的應力

W——材料截面模量。

因σ＞σj，此時軸鍵槽在應力σ的作用下產生一個初變形

式中E——金屬材料彈性模量，E＝206Gpa；

I——材料軸慣性矩

關于材料應變率可參照下列數(shù)字劃分

當ε·＜10－5s－1時，其屬于靜態(tài)范圍；

當10－5s－1＜ε·＜10－3s－1，其為準靜態(tài)范圍；

當ε·＞10－3s－1時，這時一般進入了材料的應變敏感區(qū)域，不能忽略材料的應變效應，這時所研究的問題可以稱之為動態(tài)問題。

因發(fā)動機在變工況下運轉，動態(tài)載荷復雜且無明顯規(guī)律性，不問不做進一步討論。

4 結論及建議

初期螺母壓緊齒輪端面，通過摩擦力傳遞扭矩。運轉過程中因螺紋旋向反向，螺母逐漸松動，傳遞扭矩不足，導致鍵傳遞扭矩，鍵所受剪切應力軸鍵槽所受的彎曲應力均超出疲勞強度，最終疲勞斷裂。

1、避免采用鍵傳遞扭矩方式，采用可靠的方式：圓錐面連接、過盈連接等。

2、改變螺母旋向，使軸的旋向與螺母擰緊方向相同，避免螺母松動。

〔1〕楊黎明 ．機械零件設計手冊 〔K〕．北京：國防工業(yè)出版社，1996．

〔2〕王文斌 ．機械設計手冊 ．第2卷／機械設計手冊編委會編著．—3版．—北京：機械工業(yè)出版社，2004．8

〔3〕潘建華 ．沖擊載荷作用下壓力容器用金屬材料動態(tài)斷裂行為的研究，博士學位論文，中國科技大學，2013．3

〔4〕史紹熙 ．柴油機設計手冊／柴油機設計手冊編輯委員會．機械工業(yè)出版社，1984．