浅谈机械疲劳故障失效分析方法

乔云鹏，邵丽国

（格力电器股份有限公司，广东 珠海 519000）

生产线下线设备的载重板链流水线从动轴断裂，流水线塌陷，临时焊接断裂处以作补救措施，同步安排加工备件待更换。

在现场的拆装及粗略分析过程中，发现流水线负载并不是很大，且没有发现卡阻及受力异常的现象，所以轴断裂偶然突发可能性不大，为从根源上深入分析其断裂机理，采取有效措施，避免下次再次发生，为此对断轴进行受力分析、断面金相分析及结构仿真分析，以确定实际的失效原因。

1 负载分析

针对设备正常使用情况下的不同工况，进行受力的分析及对比。设备正常状态通常有3种运行情况，空载、负载工艺板（60kg）、负载工艺板及产品（最大400kg），驱动三相电机型号CH28-750-36S，额定功率0.75kW，额定频率50Hz，工作频率调整为20Hz，其中电压和电流为现场实测值。

空载时，输出功率：

负载工艺板（60kg）时，输出功率：

负载工艺板及产品（最大400kg）时，输出功率：

对比三种运行状态的实际电机输出功率，流水线不同负载时驱动力变化不大，对主轴冲击波动较小，同时反映出设备在空载运行时负载功率明显偏大，说明机械运转机构阻力异常是断轴的主要原因。

2 断面分析

（1）断轴截面发生在平键槽靠近轴向中心侧，该处正是全轴受力最为集中的地方。

（2）轴的材料对比，经对断轴取样分析洛氏硬度，平均硬度12HRC，若按照45#钢用作轴类零件需调质23～28HRC，该轴热处理不符合要求。

（3）断面金相分析，在断轴垂直轴向取金相试样，经磨抛侵蚀后采用光学显微镜金相组织观察，断口表面金相组织为珠光体和呈网状分布的铁素体；符合45#钢的金相组织。见图1。

断口区域疲劳区表面裂纹呈现均匀密集的波浪纹，而瞬间断裂区表面裂纹呈现平缓的波浪纹，内部伴有网状式的暗裂纹。

图1 金相组织图

断口呈现典型的疲劳裂纹特征，宏观可见明显的贝纹特征，微观可见疲劳断裂形貌及暗裂纹特征。由以上特征判断该驱动轴的断裂性质为疲劳断裂。

3 机械结构受力分析

从现在安装方式对比，从动轴的张紧机构设计极不合理，不利于调整板链的松紧度，也不利于调节两轴的平行度。板链上层采用导轨支撑，下层采用悬空式安装，由于从动轴张紧过大，将会导致下层板链自重对轴产生极大的作用力。

由于断裂轴为从动轴，电机驱动时，从动轴主要克服自身两端轴承的摩擦力，因此使用空载输出功率推算从动轴受到的驱动力。图2为从动轴受力组成图，图3为从动轴应力分析图。

板链自重计算：板链线由72块板组成（重量1.8kg/块，链条节距P=50.8mm），使用圆弧逼近下层板链的悬挂形状，悬挂末端切线与水平夹角7.5°。下层板链数量31块，重量G=31×1.8×10=558N，平均分配到四个链轮上，即为140N。

图2 从动轴受力组成图

图3 从动轴应力分析图

轴材料力学性能参数：

危险轴面处的弯矩计算：

危险轴面处的弯曲应力计算：

危险轴面处的扭矩计算：

危险轴面处的扭转应力计算：

轴弯扭合成强度校核：

以上参考危险截面安全系数S的校核公式和许用安全系数SP。

4 结语及改善措施

鉴于轴的设计存在缺陷，且零件热处理也达不到要求，决定从3个方面进行改善。

（1）优化从动轴设计及加工工艺，增大轴危险断面的抗弯截面系数，增大轴表面加工系数，材质采用45#钢调质处理，23～28HRC。

（2）优化链轮设计，在链轮毂上开减载槽，避免应力集中。

（3）改善轴受力结构，在板链下层增加托架，减少水平分力对轴的附加荷载。

通过分析及改善，重新加工安装从动轴及链轮，并增加板链下层托架后，电机负载有明显改善，设备运行稳定。上述案例的分析及改善，是生产设备维保过程中机械故障分析的常用方法，可以较好地指导基层技术人员快速从根源上判断问题，作出较好的改善对策。