機械失效分析報告

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1、風(fēng)機軸斷裂分析一、情況簡介某廠M5-36-11N0.20.5D風(fēng)機在使用接近7年后，于1999年8月屮旬發(fā)現(xiàn)風(fēng)機軸偏斜，軸徑表而與風(fēng)機罩發(fā)生摩擦。將該軸収下后發(fā)現(xiàn)在葉輪端支撐軸承而臺階處發(fā)牛?開裂，表而裂紋寬度接近2mm,葉輪附近的軸表面磨損深度達5mm。于1999年10刀26口將該軸斷開。二、受力分析M5-36-11NO.20.5風(fēng)機原設(shè)計的部分參數(shù)：設(shè)計功率：710kW,電動機轉(zhuǎn)速：1480r/min,E輪力矩:36.3N?m,葉輪質(zhì)量:788kg；主軸質(zhì)量:285kg,主軸材料：45鋼，軸長度：1889.

2、9mm；中心距:816.9mm,葉輪力臂長度:575.9ram,臨界轉(zhuǎn)速:2221r/min；轉(zhuǎn)速系數(shù)：1.5。風(fēng)機主軸結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖所示，風(fēng)機軸受力分析與計算如圖&2所示。圖8?1斷裂風(fēng)機主軸結(jié)構(gòu)與尺寸經(jīng)力學(xué)計算校核的部分數(shù)據(jù)：危險截面應(yīng)力：16.64MPa；強度系數(shù)：3.3。在設(shè)備安裝時，經(jīng)設(shè)計、使用、制造單位同意，將原設(shè)計的19D改為20.5D,經(jīng)計算：葉輪重量=8470N；危險截面計算扭矩Mn=4581N-m；危險截面應(yīng)力omax=17.25MPao45鋼許用應(yīng)力[on]=55MPa,Omax<[an

3、Jo同時，根據(jù)行業(yè)標準，主軸臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)應(yīng)不小于1?3,該風(fēng)機主軸的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)為2.14,符合要求。軸的斷裂位置如圖84所示。由圖8?2的受力分析可知，其斷裂面發(fā)生在軸的應(yīng)力最大面上的臺階過渡處，即使用中的危險截面。檢查發(fā)現(xiàn)該軸臺階處過渡圓角半徑為R5,但圓弧加工不光滑，在圓弧連接處存在較明顯的“切根〃現(xiàn)象，在此處可產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。另外，現(xiàn)場檢測人員發(fā)現(xiàn)在使用中，該軸的振動較其他風(fēng)機嚴重。其他風(fēng)機的水平振動和垂直振動均為2（Hmi左右；該軸的水平振動為50~60um,垂直振動為40-50pm,均比其他四臺

4、風(fēng)機振動大約30pmo標準規(guī)定該類風(fēng)機的振動要求（標準參數(shù)由使用廠提供）為：20pm以下為優(yōu)，40Pm以下為良，超過80旳為不合格。顯見，該風(fēng)機使用中的振動情況雖然在規(guī)定的合格范圍以內(nèi)，但已超出“良”的要求。三、斷裂過程分析風(fēng)機軸斷口顯示該軸的斷裂為疲勞斷裂性質(zhì)。疲勞裂紋首先由軸近表面的三處缺陷處起源，然后在較低的旋轉(zhuǎn)彎曲交變應(yīng)力作用下，裂紋慢速擴展。裂紋擴展至軸半徑的1/2處后，擴展加速，在斷口上可觀察到清晰的疲勞弧線，疲勞弧線的圓心指向最后斷裂區(qū)。從宏觀斷口分析可知，裂紋起源于軸的缺陷處，因此，軸上的缺陷對

5、裂紋的形成有決性的作用。為了進一步分析缺陷的作用及缺陷處裂紋的形成過程和裂紋形態(tài)，在宏觀斷口上嚴重缺陷處的放大形貌。由此可知，裂紋均從缺陷的根部形成并擴展。在裂紋擴展區(qū)為典型的解理斷裂，可見珠光體解理形貌，這是在調(diào)質(zhì)組織中常見的疲勞裂紋擴展區(qū)形態(tài)。在交變載荷作用下，金屬疲勞裂紋的形成一般經(jīng)過三個階段。疲勞源形成階段、裂紋疲勞擴展階段和失穩(wěn)擴展（快速斷裂）階段。疲勞源的形成和形成階段所需載荷交變循環(huán)次數(shù)對疲勞斷裂有很大影響。在光滑零件表面，當交變載荷低于材料的疲勞極限時，疲勞裂紋源難以形成，即不可能發(fā)生名義上的疲

6、勞斷裂。但當零件表面存在缺陷時，裂紋源即在缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中作用下形成。當缺陷達到一定尺度，尤其是片狀缺陷，則缺陷為疲勞斷裂過程提供了現(xiàn)成的疲勞源。疲勞斷裂不需經(jīng)過裂紋的萌生期，而直接在缺陷根部擴展，這將極大地縮短零件的疲勞壽命。由于缺陷根部存在較大的應(yīng)力集中，在其根部可見大量細小疲勞裂紋臺階，而這每一個臺階間即對應(yīng)一個疲勞裂紋源，疲勞裂紋源的數(shù)目可表示為n+l個（n為對應(yīng)的疲勞臺階數(shù)目）。應(yīng)力集中程度越大，則形成的疲勞臺階數(shù)目越多，疲勞裂紋源就越多。分析圖8?4的缺陷根部疲勞臺階的數(shù)目和形態(tài)，可大致確定裂紋首

7、先在A處起裂，而B處和C處的開裂略晚。由以上分析可以確定，此次斷軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。疲勞裂紋在斷軸危險截面的三處主要缺陷處起裂，然后作低應(yīng)力擴展。由于所承受載荷為旋轉(zhuǎn)彎曲載荷，因此，在軸的圓周上存在多處開裂點。四、缺陷與斷裂原因分析1.缺陷與組織分析：金相組織分析顯示，在軸表面有一厚度約0.6mm白亮層。在掃描電鏡上對缺陷部位和基體金屬進行能譜衍射分析，結(jié)果顯示在缺陷部位的金屬成分與基體相同，主要元素為Fe,有少量的Mn,未發(fā)現(xiàn)其他元素成分。2.在缺陷處取樣，對缺陷縱向的組織進行分析。缺陷部位有三層構(gòu)成，即

8、表面白亮區(qū)、黑色組織區(qū)和基體組織。表層白亮組織為細小的P+F組織，黑色組織為淬火的板條M組織，基體組織為F+P+W］。組織分析顯示，該部位的組織分布形態(tài)為焊接組織。表層為焊接的低碳鋼組織，F(xiàn)含量高，而P含量相對很低，組織形態(tài)與20鋼相同。白亮層以下為45鋼（基體）淬火組織。3、由上述實驗和分析，可以認為缺陷的形成過程為：該軸安裝軸承的軸表面經(jīng)過表面補焊或堆焊處理，焊接材料為近似20鋼。