王燕禮，朱有利，劉忠偉，唐 亮

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系，北京100072；2.南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

HXD1機車牽引電機轉(zhuǎn)軸組件斷裂失效分析

王燕禮1，朱有利1，劉忠偉2，唐 亮2

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系，北京100072；2.南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

HXD1型電力機車的牽引電機轉(zhuǎn)軸和小齒輪軸采用圓錐過盈配合傳動結(jié)構(gòu)（下稱轉(zhuǎn)軸組件），使用中該組件出現(xiàn)了早期斷裂失效.本文通過理化檢測、斷口和配合面宏/微觀形貌觀察等失效分析技術(shù)對失效組件進行了分析.結(jié)果表明，材料成分、組織和顯微硬度正常，小齒輪軸和電機轉(zhuǎn)軸的失效形式分別為高周疲勞斷裂和微動疲勞斷裂.造成組件失效的原因和過程是，小齒輪軸近齒端油槽-油孔交界線處有較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，油槽底部周向加工刀痕造成附加應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷作用下油孔邊兩個應(yīng)力集中點萌生了疲勞裂紋并擴展；隨小齒輪軸裂紋的不斷擴展轉(zhuǎn)軸組件結(jié)構(gòu)剛度減小，繼而誘發(fā)了與小齒輪軸匹配的電機軸配合面的微動疲勞，電機軸疲勞裂紋萌生于微動區(qū)的邊緣處；電機轉(zhuǎn)軸先于小齒輪軸完全斷裂.基于本文的分析結(jié)果提出了提高組件抗疲勞斷裂的技術(shù)措施.

機車；轉(zhuǎn)軸組件；應(yīng)力集中；微動疲勞；高周疲勞；圓錐過盈配合

圓錐過盈聯(lián)接傳遞載荷是通過配合面間的相互作用所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，具有結(jié)構(gòu)簡單、定心精度好、承載能力高、聯(lián)接零件無鍵槽、承受變載荷和沖擊的性能好、圓錐面過盈連接時壓合距離短、拆裝方便等優(yōu)點［1-2］，在機械傳動中應(yīng)用廣泛.

HXD1型機車是我國在引進西門子技術(shù)基礎(chǔ)上生產(chǎn)的大功率重載貨運電力機車，采用了小齒輪軸與電機轉(zhuǎn)過盈聯(lián)接傳動結(jié)構(gòu)（下稱“組件”），組件結(jié)構(gòu)如圖1所示.小齒輪軸在組件中呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，支撐點為滾動軸承，主要承受彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的嚙合沖擊載荷.使用中部分組件行駛約40萬公里時（設(shè)計壽命為100萬公里），出現(xiàn)了起裂或早期斷裂失效，失效發(fā)生在組件懸臂結(jié)構(gòu)的軸承支撐斷面，見圖1中紅色實線.圖2是徑向油孔附近的裂紋照片，裂紋沿油槽底部周向擴展.圖3是斷裂組件，且失效組件的斷裂位置和裂紋形態(tài)具有較強的重復(fù)性.

朱文勝［3］等分析認為，是小齒輪軸周向油槽和徑向油孔交界處的應(yīng)力集中誘發(fā)了小齒輪軸的早期疲勞裂紋，在小齒輪軸疲勞裂紋起始一段時間后，電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)圓應(yīng)力集中處也出現(xiàn)萌生疲勞，且判定小齒輪軸先起裂，電機轉(zhuǎn)軸后起裂，小齒輪軸完全斷裂后電機轉(zhuǎn)軸才斷裂；彭志亮［4］等則認為小齒輪軸和電機轉(zhuǎn)軸的斷裂均為由組件過盈配合面微幅滑動磨損造成的旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞斷裂，也判定為小齒輪軸的起裂和斷裂均先于電機轉(zhuǎn)軸；而張彥文［5］等認為小齒輪軸和電機轉(zhuǎn)軸是在腐蝕環(huán)境和循環(huán)應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生了局部腐蝕開裂，進而引發(fā)疲勞裂紋擴展導(dǎo)致組件斷裂失效，且判定是電機轉(zhuǎn)軸先于小齒輪軸發(fā)生斷裂，但并未確定裂紋萌生的先后順序.可見，以上研究的主要結(jié)論不完全一致，甚至有分歧，這不利于有針對性地采用技術(shù)措施避免組件早期斷裂.

針對以上問題，本文在斷口細節(jié)分析、理化檢測等失效分析技術(shù)上，進一步開展了組件表面加工刀痕表征分析、過盈配合面硬度匹配分析、過盈配合面表面形貌分析、組件裂紋發(fā)展演化過程分析.

圖1　轉(zhuǎn)軸組件結(jié)構(gòu)和裂紋示意圖Fig.1 Schematic of structure and cracks of revolving shaft subassembly

圖2　小齒輪軸起裂和裂紋非對稱性Fig.2 Asymmetry of fatigue origins and cracks of the gear shaft

圖3　轉(zhuǎn)軸組件斷面宏觀形貌與裂紋擴展過程示意圖Fig.3 Fractured surface morphology of revolving shaft subassembly and Schematic of cracks propagation

1 轉(zhuǎn)軸組件斷口宏觀形貌細節(jié)分析

圖3是轉(zhuǎn)軸組件的典型斷裂面，顯示轉(zhuǎn)軸組件斷口上有明顯的貝紋線，這是疲勞斷口的典型宏觀形貌特征［6-7］.小齒輪軸斷口由疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)3部分組成，但電機轉(zhuǎn)軸斷口只有疲勞源區(qū)和裂紋擴展區(qū)，沒有瞬時斷裂區(qū).具體宏觀斷口特征和分析如下.

1）圖3中，除裂紋起始區(qū)外，白色箭頭虛線為裂紋擴展方向示意曲線，實線為裂紋擴展前沿（在齒輪軸和電機軸的裂紋起始區(qū)由于對比度原因，采用黑色線條）.小齒輪軸大端油槽-油孔交界線兩個應(yīng)力集中點（C1，C2）首先萌生疲勞裂紋，在裂紋擴展第1階段，由這兩個裂紋源萌生的裂紋首先以裂紋源為圓心呈輻射狀向內(nèi)部擴展，在微觀圖像上表現(xiàn)為放射狀棱線，詳細分析參考2.1節(jié)小齒輪軸斷口微觀形貌分析.由于油槽底部應(yīng)力集中較大，因此，裂紋在油槽底部表面的周向擴展速度比向材料內(nèi)部擴展的速度要快，造成裂紋前沿曲線逐漸向反方向彎曲.在裂紋起始區(qū)，由于裂尖局部應(yīng)力相對較?。ㄒ蛄鸭y面較小，承載面積較大），因此，裂紋擴展速率較低，斷口表面較光亮、細膩、平坦，無宏觀紋理.另外，由于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞時順載方向裂紋擴展速率大于逆載方向擴展速率，故向左側(cè)的裂紋擴展速率大于向右側(cè)的裂紋擴展速率.

2）隨著裂紋擴展，組件的剛度不斷減小，靠近起始區(qū)附近的微動磨損加劇，同時電機軸承受的應(yīng)力增加，導(dǎo)致電機軸內(nèi)表面萌生微動疲勞微裂紋.但電機軸的應(yīng)力集中程度較輕，因此，呈現(xiàn)出多源疲勞特征，裂紋源主要分布在A和A點之間.由圖3可見，電機軸內(nèi)表面在A-A之間有多處疲勞臺階的形成，疲勞臺階是由于起始于不同平面的微裂紋在相遇時形成的撕裂棱.另外，可以明顯觀察到，在電機軸的裂紋起始區(qū)，端口表面細膩平坦，無宏觀紋理，說明這時電機軸的裂紋擴展較緩慢，處于起始階段.證明電機軸起始于該區(qū)域的另一個證據(jù)是電機軸外緣的塑性壓痕（翻邊），圖3中黑色大箭頭所指處，這種翻邊是由于電機軸裂紋穿透后由于受到軸承滾珠的碾壓造成的.雖然翻邊在整個外緣上都存在，但上部的翻邊比下部的要嚴重，說明電機軸上部先于下部開裂.在電機軸內(nèi)表面起始的疲勞微裂紋首先主要沿徑向向外擴展，但由于電機軸是薄壁件，疲勞裂紋會很快在裂紋源區(qū)及附近穿透薄壁，造成電機軸上部的翻邊比下部的要嚴重.

3）電機軸裂紋起始區(qū)裂穿后，轉(zhuǎn)軸組件的斷面總承載能力下降較快，因此，在齒輪軸和電機軸的斷口上可以觀察到，在A-A線之后，齒輪軸和電機軸斷面的貝紋線輪廓變粗、間距加大，說明裂紋擴展速率在逐漸增加.貝紋線是機械在停止-啟動、突然加卸載和載荷方向逆轉(zhuǎn)等過程中在裂紋前沿留下的痕跡，由圖3可以觀察到，電機軸斷口與齒輪軸斷口上的貝紋線間距和粗細變化具有一致性，說明二者所經(jīng)歷的載荷-時間歷程相同.

4）齒輪軸上有幾處較為明顯的疲勞臺階（圖3中①～③紅色虛線所示）.表明擴展于不同平面上的裂紋在交匯時形成了撕裂，其中①和②兩處發(fā)生在齒輪軸的兩個軸向油孔處，③處發(fā)生在兩側(cè)裂紋擴展的交匯處，形成了較大的撕裂棱，該疲勞裂紋交匯線處于圖中的右下方，也說明左側(cè)裂紋擴展較快，右側(cè)較慢，這是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口的特征［6-7］.裂紋交匯后繼續(xù)向內(nèi)擴展并最終在齒輪軸中心孔邊緣發(fā)生瞬斷，形成白色大箭頭所指處的瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)面積較小，說明瞬斷時載荷并不大.另外，在瞬斷區(qū)出現(xiàn)了剪切唇（見圖3白色箭頭和圖4黑色箭頭所指處），這是韌性材料過載斷裂的特征，剪切唇與主應(yīng)力方向夾角45°.

5）觀察電機軸斷口表面可以發(fā)現(xiàn)，電機軸沒有出現(xiàn)瞬斷區(qū)，這說明電機軸起裂后一直處于疲勞裂紋擴展階段，直到兩側(cè)的裂紋交匯于圖3中右下方的紅色虛線④處時，電機軸完全斷開，此時齒輪軸仍未斷開，說明電機軸先于齒輪軸完成斷裂過程.電機軸斷裂后齒輪軸繼續(xù)裂紋擴展過程，兩側(cè)的裂紋在右下方紅色虛線③處交匯形成明顯的撕裂棱.

圖4　剪切唇、斷面凸起和電機軸外表面塑性碾壓形貌Fig.4 Morphology of shear lip，projection and surface plastic rolling of motor shaft

6）由垂直于主裂紋面的方向觀察油孔處的裂紋源，發(fā)現(xiàn)徑向油孔兩側(cè)斷面不在同一平面上，有高度差，說明兩個裂紋源并不處于周向油槽的正谷底，而是向相對方向稍微偏離一個角度，見圖5.經(jīng)標定，兩側(cè)裂紋源的軸向偏距為0.4～1.2 mm.所有斷軸中，這種現(xiàn)象都較明顯，具有普遍性，表明屬于非偶然現(xiàn)象，且如果從齒輪端斷口的徑向油孔方向來看均為左側(cè)高于右側(cè).關(guān)于裂紋源的非對稱現(xiàn)象的起因?qū)⒘碜慕忉?

圖5　小齒輪軸裂紋源非對稱性特征Fig.5 Asymmetry of fatigue origins the gear shaft

7）另外，從圖4可以看到，齒輪端斷口斷面中間部分略有凸出，即齒輪端斷口斷面呈曲面狀，徑向油孔附近斷面的油孔斷口在靠近油槽處（靠外圓出）寬、遠離油槽處（靠心部）窄，這一現(xiàn)象也進一步證實了斷面中部有凸出的特征，這是由于是由在裂紋擴展階段裂紋擴展方向垂直于主應(yīng)力方向，而主應(yīng)力方向并不嚴格垂直于斷面所造成的.

8）電機軸斷面與小齒輪軸斷面有一個3～4 mm的高度差（見圖3和圖4），且全部是在靠近齒輪端的電機軸內(nèi)表面與齒輪軸油槽接觸線上斷裂，即從齒輪端電機軸斷口和齒輪軸斷口來看，均為齒輪軸斷面高于電機軸斷面，該特征與電機軸的疲勞源萌生位置密切相關(guān).

9）齒輪軸裂紋起始后在沿油槽擴展的過程中，總體上裂紋轉(zhuǎn)向油槽谷底，但油孔兩側(cè)的裂紋非對稱現(xiàn)象一直延續(xù)，見圖2，這也是最終在兩側(cè)裂紋交匯處形成較大的撕裂嶺的原因.裂紋沿油槽谷底發(fā)展是由于油槽谷底處的應(yīng)力集中所造成的.

10）貝紋線基本上反映了主應(yīng)力等值線，貝紋線的法線方向垂直于主應(yīng)力方向，因此，裂紋的擴展方向沿貝紋線的法線方向［6-7］.

11）電機轉(zhuǎn)軸斷口沿內(nèi)圓有一環(huán)狀區(qū)域（圖3中環(huán)狀白色短虛線），該區(qū)域紋理與電機轉(zhuǎn)軸斷口沿周向分布的貝紋線不同，且環(huán)狀區(qū)域內(nèi)側(cè)均有不同程度的疲勞臺階.組件斷口處配合面上有約0.4 mm寬的褐色條帶，如圖6中白色箭頭所指，這兩條褐色條帶是過盈配合對立面的微動磨損區(qū).

12）電機軸的斷口宏觀特征基本相似，電機軸起裂區(qū)總在齒輪軸徑向油孔附近，最終斷裂區(qū)處于對立側(cè)右下方，這一現(xiàn)象非偶然，因為電機軸內(nèi)表面均勻，沒有局部特征，總起裂于齒輪軸徑向油孔附近受到了齒輪軸徑向油孔斷裂的影響，表明齒輪軸先于電機軸萌生疲勞裂紋，并導(dǎo)致該處附近接觸面之間發(fā)生微動，從而使電機軸產(chǎn)生微動疲勞裂紋.

圖6　組件配合面微動磨損形貌Fig.6 Fretting morphology of mating surfaces of shaft subassembly

2 轉(zhuǎn)軸組件斷口微觀形貌分析

2.1小齒輪軸斷口微觀形貌分析

在Nova Nano 650掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察小齒輪軸疲勞源區(qū)，可看到明顯的放射形棱線，放射棱線收斂于油孔-油槽交界線處，見圖7，即裂紋源C1和C2兩點（圖3）.圖8是在小齒輪軸斷口裂紋擴展區(qū)觀察到的疲勞輝紋，是疲勞斷裂的微觀證據(jù)［6-7］.

圖7　小齒輪軸疲勞源區(qū)SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the fatigue origin of the gear shaft

圖8　疲勞輝紋Fig.8 Fatigue striations

2.2電機轉(zhuǎn)軸斷口微觀形貌分析

電機轉(zhuǎn)軸疲勞斷口具有多源特征，在疲勞源區(qū)有多處疲勞臺階.圖9中的白色箭頭指向在不同平面起始的裂紋，這些裂紋起始面均平行于電機轉(zhuǎn)軸主裂紋面，呈片層狀分布.這些在不同平面上起始的裂紋交匯時留下撕裂痕跡形成疲勞臺階.

圖9 電機轉(zhuǎn)軸疲勞源區(qū)SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the fatigue origin of the motor shaft

圖10是電機轉(zhuǎn)軸斷口沿內(nèi)圓附近環(huán)狀區(qū)域（見圖3）的局部SEM形貌.是因電機轉(zhuǎn)軸疲勞裂紋初始擴展區(qū)的裂紋擴展方向改變所造成的.

圖10　電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)圓環(huán)狀區(qū)域SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the inner annular area of the motor shaft

2.3組件過盈配合面微動區(qū)微觀形貌分析

圖11～圖14是圖6中的兩條呈褐色條帶的SEM照片，可清晰地看到微動磨損特征及其邊界.

圖11　小齒輪軸微動區(qū)SEM形貌Fig.11 SEM morphology of fretting area of gear shaft

圖12 電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)邊緣裂紋群Fig.12 Cracks group initiating at the edge of fretting area of motor shaft

圖11顯示了小齒輪軸微動區(qū)存在較多因微動形成的磨痕和硬結(jié)斑痕.圖12顯示在電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)邊緣（滑動和非微動交界線）出現(xiàn)大量處于不同平面的表面裂紋群，裂紋方向垂直于滑動方向，這是微動疲勞的典型特征［8-9］，其原因是在微動區(qū)和非微動區(qū)的交界處，接觸應(yīng)力具有奇異性，切應(yīng)力梯度非常大，裂紋極易在該位置萌生［10-12］.圖13顯示電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)還存在大量因微動造成的剝落坑，剝落坑底部的應(yīng)力集中也是微動疲勞裂紋形成的另一原因.微動摩損會促使微動區(qū)溫度升高，因此，微動區(qū)常伴隨有氧化物產(chǎn)生［11-13］，氧化物易碎裂，碎屑起磨粒作用會加速磨損，另外，如果氧化物碎裂形成的裂紋延伸到基體則會變?yōu)槠谖⒘鸭y，圖14顯示在電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)存在大量氧化物，且部分氧化物碎裂形成的裂紋已擴展到基體.

圖13　電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)剝落坑Fig.13 Peeling pits existing at the fretting area of motor shaft

圖14　電機轉(zhuǎn)軸微動區(qū)氧化物破碎Fig.14 Broken oxide induced by fretting

2.4小齒輪周向油槽表面加工刀痕分析

圖15是小齒輪軸油槽表面在體視顯微鏡下觀察的表面形貌.表面粗糙度測試表明Ra為2.7 mm，比圖紙要求的1.6 mm要大.另外，工作中主應(yīng)力方向恰好與周向刀痕紋理正交，在刀痕谷底存在應(yīng)力集中［14］，對抗疲勞很不利.

圖15　油槽表面周向刀痕Fig.15 Surface circumferential marks of the oil groove

3 理化檢測

3.1化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T2975—1998要求在組件斷口附近取樣，檢測結(jié)果表明電機軸成分符合要求（見表1），小齒輪軸中Ni、Cr合金元素含量較國標高，見表2.Cr、Ni能融入鐵素體形成固溶體有固溶強化作用，可提高淬透性，且當(dāng)前的含量不會降低沖擊韌性［15］；另外，Cr還可形成碳化物，進一步提高鋼的強度［15］；Ni有利于提高芯部的強韌性，提高鋼的抗過載能力，因此，Ni、Cr含量雖高但不會影響疲勞性能.

3.2組織分析

在組件斷口附近沿軸向通過線切割，鑲樣、磨樣、拋光，并分別用硝酸酒精和苦味酸鹽酸水溶液浸蝕制備了金相試樣.分析表明電機轉(zhuǎn)軸材料組織為回火索氏體，小齒輪軸材料組織為回火馬氏體，符合熱處理要求.

3.3沖擊韌性分析

在組件斷口附近沿軸向線切割材料，按照GB/T229—2007制作5個沖擊韌性測試試樣.測試表明，室溫下電機轉(zhuǎn)軸和小齒輪軸沖擊韌性平均值分別為91.8 J/cm2和78.9 J/cm2，符合材料要求.

表1　40Cr2NiMoA電機轉(zhuǎn)軸化學(xué)成分（wt.％）Table 1 The chemical composition of the motor shaft 40Cr2NiMoA（wt.％）

表2　17CrNiMo6小齒輪軸化學(xué)成分（wt.％）Table 2 The chemical composition of the gear shaft 17CrNiMo6（wt.％）

4 結(jié) 論

1）研究表明，小齒輪軸和電機轉(zhuǎn)軸的失效形式分別為高周疲勞斷裂和微動疲勞斷裂.

2）小齒輪軸近齒端油槽-油孔交界線處有較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，油槽底部周向加工刀痕造成了附加應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷作用下油孔邊兩個應(yīng)力集中點萌生了疲勞裂紋并擴展.

3）隨小齒輪軸裂紋的不斷擴展轉(zhuǎn)軸組件結(jié)構(gòu)剛度減小，繼而誘發(fā)了與小齒輪軸匹配的電機軸配合面的微動疲勞，由于電機轉(zhuǎn)軸硬度較小齒輪軸低，微動造成電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)表面完整性損壞，電機軸疲勞裂紋萌生于微動區(qū).

4）小齒輪軸先于電機轉(zhuǎn)軸起裂，但電機轉(zhuǎn)軸先于小齒輪軸過載斷裂.

5）建議采用適當(dāng)?shù)木植繌娀幚泶胧?，例如超聲沖擊，在小齒輪軸疲勞危險點引入合適的殘余壓應(yīng)力，提高小齒輪軸的抗疲勞性能.

6）建議將油槽內(nèi)的加工紋理加工成軸向而非周向，避免附加應(yīng)力集中，且有類似加強筋作用.

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（編輯 呂雪梅）

Fracture failure analysis of the pulling motor revolving shaft subassembly of HXD1 locomotive

WANG Yanli1，ZHU Youli1，LIU Zhongwei2，TANG Liang2
（1.Faculty of Maintenance and Remanufacture Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.CSR Qishuyan Locomotive＆amp;Rolling Stock Technology Research Istitute，Changzhou 213011，China）

The pulling motor revolving shaft subassembly of HXD1 locomotive produced early fracture failure，which is interference fits composed of a gear shaft and a motor shaft.Physical test，chemical test，macroscopical morphology and microcosmic morphology analysis for the fractured surfaces and interference fit surfaces are performed.It shows that，with proper chemical composition，microstructure，and micro-hardness，the gear shaft is high cycle fatigue fracture and the motor shaft is fretting fatigue.The failure causation and procedure are that，the structure stress concentration at the inter-spot of the oil groove and oil hole close to the gear conjunction with the additional stress concentration due to hoop machine mark on the oil groove surface contributed to the fatigue crack initiation at the both stress concentration points of the gear shaft；and then，the increased fatigue cracks of gear shaft reduced the coupling stiffness of subassembly，which gave rise to fretting between the surfaces of crack-corresponding interference fits，hence，fretting brought fatigue cracks nucleation sites at the micro-cracks induced fretting at the edges of bedding；the motor shaft fractured clearly prior to the gear shaft.Recommendations for improving anti-fatigue performance of subassembly were suggested based on the failure analysis conclusion.

locomotive；revolving shaft subassembly；stress concentration；fretting fatigue；high cycle fatigue；cone interference fits

TJ811

A

1005-0299（2016）04-0067-07

10.11951/j.issn.1005-0299.20160410

2015-08-22.

王燕禮（1985—）男，博士，工程師；朱有利（1962—）男，教授，博士生導(dǎo)師.

朱有利，E-mail：zhuyl2011@sina.com.