對(duì)失效電動(dòng)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(dòng)機(jī)主軸表面有X形狀裂紋，裂紋擴(kuò)展方向與電動(dòng)機(jī)主軸軸向呈45°，斷口具有扭轉(zhuǎn)斷裂特征。失效原因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)主軸在諧振的作用下，產(chǎn)生扭振疲勞裂紋。

1.問(wèn)題的提出

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

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

2.試驗(yàn)分析

1.對(duì)電動(dòng)機(jī)主軸進(jìn)行分區(qū)超聲波檢測(cè)

（1）電動(dòng)機(jī)主軸分段檢測(cè)電動(dòng)機(jī)主軸左側(cè)為A端，右側(cè)為B端（見(jiàn)圖4、圖5），將其分為001～006檢測(cè)段（見(jiàn)圖6）。

（2）電動(dòng)機(jī)主軸的超聲波檢測(cè)結(jié)果001段未檢測(cè)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(tái)階左側(cè)80mm處3～8點(diǎn)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(tái)階右120mm處整個(gè)圓周，深度為45～53mm；004段、005段、006段均未檢測(cè)出缺陷。

2.理化試驗(yàn)

對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)。

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

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

（3）微觀組織檢測(cè)樣品001～003段低倍組織檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4；電動(dòng)機(jī)主軸非金屬夾雜物微觀形貌如圖7所示，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。電動(dòng)機(jī)主軸裂紋處金相組織如圖8、圖9所示；電動(dòng)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(guò)斷口宏觀觀察及金相顯微鏡檢測(cè)，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(guò)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(kāi)裂，部分原始裂紋形貌已被磨損，如圖14、圖15所示；同時(shí)，可以看到裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌（見(jiàn)圖16）和裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)一步放大次生裂紋（見(jiàn)圖17）。

3.使用工況與數(shù)據(jù)

1.使用場(chǎng)景

電動(dòng)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(yùn)行監(jiān)控記錄如圖19所示。

2.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)

從圖19可看出，發(fā)生故障時(shí)，電動(dòng)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(shí)刻，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率急速下降，下降途中出現(xiàn)臺(tái)階，然后降到零。

4.分析討論

1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)對(duì)主軸的超聲波檢測(cè)可知，在002段檢測(cè)出連續(xù)性裂紋缺陷，位置在002段與003段交界臺(tái)階左側(cè)80mm處3～8點(diǎn)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(tái)階右側(cè)120mm處整個(gè)圓周，裂紋深度為45～53mm；其他部位均未檢測(cè)出缺陷。

2）樣品23090017-001、23090017-003的化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果符合JB/T1271—2014《交、直流電動(dòng)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(cè)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(jiàn)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(dòng)機(jī)主軸是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，運(yùn)行中發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，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(dòng)機(jī)主軸開(kāi)裂，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下降、中途出現(xiàn)頻率臺(tái)階時(shí)，軸瓦溫度急劇升高，說(shuō)明此時(shí)電動(dòng)機(jī)主軸已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，而這個(gè)裂紋的產(chǎn)生與諧振有關(guān)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)主軸振動(dòng)幅度最大，承受的應(yīng)力也最大。電動(dòng)機(jī)主軸在交變作用力下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)，以及超聲波、掃描電鏡檢測(cè)，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(dòng)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(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)、超聲波及掃描電鏡檢測(cè)，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(dòng)機(jī)主軸的疲勞裂紋與電動(dòng)機(jī)主軸產(chǎn)生諧振有關(guān)。