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        某型空氣起動機保險軸斷裂失效分析

        2020-09-21 03:09:58蔣勇陳斐襄陽航泰動力機器廠
        航空維修與工程 2020年6期

        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(fā)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(fā)現(xiàn)斷口附近存在其他裂紋等缺陷,斷面區(qū)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(jié)果表明,擠壓處與保險軸成分基本一致,未發(fā)現(xiàn)外來擠壓物。

        微觀檢查保險軸“斑印”區(qū)域存在輕微的疏松缺陷(見圖7),呈現(xiàn)韌窩特征(見圖8)。斷面光滑平坦,其他區(qū)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(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)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(jié)果

        保險軸是空氣起動機的關(guān)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(guī)定值時斷裂,以保護發(fā)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(zhì)

        保險軸在工作中主要承受扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(yīng)力作用下斷裂的,也具有扭轉(zhuǎn)過載斷裂的微觀特征。因此,可以確定保險軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過載斷裂。

        5.2 斷裂原因

        保險軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)載荷作用。保險軸硬度檢查合格,斷口分析中也未發(fā)現(xiàn)明顯的材質(zhì)問題,且該保險軸已經(jīng)經(jīng)過一個壽命周期,因此,可以排除材料強度不合格導(dǎo)致傳動桿斷裂的可能。但保險軸硬度和承剪處直徑處于規(guī)定范圍的下限,即保險軸剪切扭矩處于規(guī)定的下限范圍,在發(fā)動機長時間停放后的使用中,發(fā)動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于保險軸剪切扭矩,導(dǎo)致保險軸斷裂。

        6 結(jié)論

        保險軸是因高速動轉(zhuǎn)截荷過大導(dǎo)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。

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