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對失效電動機(jī)主軸化學(xué)成分、力學(xué)性能、斷口低倍形貌、斷口掃描數(shù)據(jù)及使用狀況等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：斷口為疲勞斷裂形貌，斷口有明顯的裂紋源、擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋；電動機(jī)主軸表面有X形狀裂紋，裂紋擴(kuò)展方向與電動機(jī)主軸軸向呈45°，斷口具有扭轉(zhuǎn)斷裂特征。失效原因為電動機(jī)主軸在諧振的作用下，產(chǎn)生扭振疲勞裂紋。

 

1.問題的提出

 

某除塵用增壓鼓風(fēng)機(jī)的電動機(jī)在運行僅2.5個月時，監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)電動機(jī)主軸軸瓦溫度突然升高，停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)電動機(jī)主軸有X形裂紋，用PDXUC-320C型超聲探傷儀對其進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋最深約53mm，上下軸瓦均有損傷，將電動機(jī)主軸拆下后，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)主軸和筋板上均出現(xiàn)裂紋（見圖1），其中電動機(jī)主軸的軸承支撐處產(chǎn)生與軸向呈45°裂紋（見圖2），軸肩處產(chǎn)生X形交叉裂紋（見圖3）。

 

電動機(jī)主軸技術(shù)要求：電動機(jī)主軸選用的材料為16Mn鋼，軸長度為4275mm，各區(qū)位（不包含肩檔）直徑225～250mm；工藝過程為鍛造→正火＋回火→焊后消除應(yīng)力處理。

 

2.試驗分析

 

1.對電動機(jī)主軸進(jìn)行分區(qū)超聲波檢測

 

（1）電動機(jī)主軸分段檢測電動機(jī)主軸左側(cè)為A端，右側(cè)為B端（見圖4、圖5），將其分為001～006檢測段（見圖6）。

 

（2）電動機(jī)主軸的超聲波檢測結(jié)果001段未檢測出缺陷；002段存在連續(xù)性超標(biāo)缺陷，缺陷位置為002段與003段交界臺階左側(cè)80mm處3～8點方向，深度為43～48mm；003段存在連續(xù)性超標(biāo)缺陷，缺陷位置為002段與003段交界臺階右120mm處整個圓周，深度為45～53mm；004段、005段、006段均未檢測出缺陷。

 

2.理化試驗

 

對材料進(jìn)行化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗。

 

（1）化學(xué)成分分析：取樣部位在軸的兩端，A端和B端，檢測結(jié)果見表1。

（2）力學(xué)性能試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T1271—2014《交、直流電動機(jī)主軸鍛件技術(shù)條件》的規(guī)定，在電動機(jī)主軸的A、B端取樣試驗，沖擊性能試驗結(jié)果見表2，拉伸性能試驗結(jié)果見表3。

 

（3）微觀組織檢測樣品001～003段低倍組織檢測結(jié)果見表4；電動機(jī)主軸非金屬夾雜物微觀形貌如圖7所示，其檢測結(jié)果見表5。電動機(jī)主軸裂紋處金相組織如圖8、圖9所示；電動機(jī)主軸心部A、B端金相組織分別如圖10、圖11所示。

 

 

 

 

3.斷口形貌

 

（1）斷口低倍形貌通過斷口宏觀觀察及金相顯微鏡檢測，斷口有明顯的裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞輝紋，如圖12、圖13所示。

 

（2）斷口掃描通過Apreo2掃描電鏡觀察斷口裂紋源微觀形貌，裂紋源位于軸的表面，裂紋由表及里開裂，部分原始裂紋形貌已被磨損，如圖14、圖15所示；同時，可以看到裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌（見圖16）和裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)一步放大次生裂紋（見圖17）。

 

 

 

3.使用工況與數(shù)據(jù)

 

1.使用場景

 

電動機(jī)用于脫硫除塵增壓鼓風(fēng)機(jī)上，扭矩較大，增壓鼓風(fēng)機(jī)外觀如圖18所示，鼓風(fēng)機(jī)運行監(jiān)控記錄如圖19所示。

 

 

2.電動機(jī)運行記錄數(shù)據(jù)

 

從圖19可看出，發(fā)生故障時，電動機(jī)主軸軸瓦溫度迅速升高，出現(xiàn)峰值，然后下降；在某一時刻，電動機(jī)轉(zhuǎn)動頻率急速下降，下降途中出現(xiàn)臺階，然后降到零。

 

4.分析討論

 

1）根據(jù)電動機(jī)對主軸的超聲波檢測可知，在002段檢測出連續(xù)性裂紋缺陷，位置在002段與003段交界臺階左側(cè)80mm處3～8點方向，裂紋深度為43～48mm；在003段存在連續(xù)性裂紋缺陷，位置在002段與003段交界臺階右側(cè)120mm處整個圓周，裂紋深度為45～53mm；其他部位均未檢測出缺陷。

 

2）樣品23090017-001、23090017-003的化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測結(jié)果符合JB/T1271—2014《交、直流電動機(jī)主軸鍛件技術(shù)條件》的規(guī)定。

 

3）樣品23090017-001～003的低倍組織、金相分析結(jié)果表明，其顯微組織為16Mn鋼大鍛件正火后的正常組織，且與力學(xué)性能檢測結(jié)果相匹配。

 

4）疲勞斷裂具有扭振破壞特征，根據(jù)樣品23090017-002的斷口宏觀及掃描電鏡分析表明，裂紋源自軸的表面，裂紋由表面向中心擴(kuò)展，其斷口形貌可見明顯的疲勞擴(kuò)展輝紋及二次裂紋，斷裂形式為疲勞斷裂，符合周期性往復(fù)作用力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的特征；電動機(jī)主軸是一個旋轉(zhuǎn)體，運行中發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，多處軸表面裂紋形貌呈X形，裂紋走向與軸向呈45°，因此該軸裂紋失效，具有扭振破壞的特征。

 

5）諧振加速了電動機(jī)主軸開裂，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動頻率下降、中途出現(xiàn)頻率臺階時，軸瓦溫度急劇升高，說明此時電動機(jī)主軸已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，而這個裂紋的產(chǎn)生與諧振有關(guān)，此時電動機(jī)主軸振動幅度最大，承受的應(yīng)力也最大。電動機(jī)主軸在交變作用力下往復(fù)運動，發(fā)生疲勞斷裂，裂紋擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生次生裂紋。

 

綜上所述，電動機(jī)主軸非裂紋失效部分經(jīng)化學(xué)成分分析、金相組織檢測、力學(xué)性能試驗，以及超聲波、掃描電鏡檢測，均符合低倍組織和顯微組織為16Mn鋼大鍛件的正常正火組織及其力學(xué)性能。

 

5.結(jié)論

 

綜上所示，可得出如下結(jié)論。

 

1）電動機(jī)主軸非裂紋失效部分經(jīng)化學(xué)成分分析、金相組織檢測、力學(xué)性能試驗、超聲波及掃描電鏡檢測，符合低倍組織和顯微組織為16Mn鋼大鍛件的正常正火組織與其力學(xué)性能。

 

2）樣品23090017-002斷口分析結(jié)果表明，其裂紋源自軸表面，斷裂機(jī)制為疲勞斷裂，裂紋走向具有扭振破壞的特征。

 

3）該電動機(jī)主軸的疲勞裂紋與電動機(jī)主軸產(chǎn)生諧振有關(guān)。