叉车电机轴断裂是什么原因？电机轴断裂失效分析

一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 叉车电机轴断裂是什么原因 电机轴断裂失效分析 1 引言 某型电机是叉车行走电机 出厂前做行走测试时电机轴断裂 为找出断裂原因 给改善产 品质量提供依据 需做失效分析 图 1 为送检的断轴 图 2 是与断轴同批次生产 未使 用的新轴 做失效分析对比用 为后面叙述方便 在图 1 中标出断口位置 断口左边的部 分标为 前段 断口右边的部分用 后段 表示 在图 2 中 将断裂处的 R 用 根圆 标示 电机轴有 3 处轴承配合表面 分别用 S1 S3 标示 图 1 送检的断轴 图 2 与断轴同批生产的新轴 2 检查分析 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 2 1 外观检查 图 3 是断轴的前段 也是电机轴的输出部分 检查表面没有高温氧化色 也没有弯曲变形 或颈缩现象 图中四边形内 S1 表面有擦碰痕迹 在右侧 S2 表面没有擦碰痕迹 S3 与 S2 表面状态相同 又远离断点 不再贴图 如图 4 所示 后段与定子线束对应位置发现蓝色高温氧化色 失效后厂家检查电机定子线 束没有烧蚀或短路现象 再考虑到电机有超温保护跳闸功能 因此分析断轴上的表面氧化 色是装配时形成的 与此次电机轴断裂无关 图 5 图 6 分别为前段 后段断口 两部分断口吻合度高 断口平齐 断面与轴向大致垂 直 图 3 前段外观检查图 4 后段外观检查 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 5 前段断口宏观检查图 6 后段断口宏观检查 2 2 显微检查 图 7 图 8 是断口形貌图 断口圆周边缘有若干下凹点 产生裂纹 白色箭头标示处 由 表向内扩展 是裂纹源区 用 A 表示 B 区观察到若干同心圆的周向扩展条纹 是扭转 疲劳的裂纹特征 C 区没有周向裂纹扩展痕迹 是一次性扭断区 A B C 区都以圆心中 心对称 裂纹扩展如黑色箭头所示 沿半径指向中心 图 9 是根圆区域放大图 其中四方形内的 R1 就是根圆 根圆相邻的平面用 A 标示 平面 A 左右分别是斜面 B 和 C 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 7 前段断口检查图 8 后段断口检查 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 9 根圆区域图示 如图 10 所示 在根圆与 A 平面接点附近断裂 A 平面加工纹路粗糙 图 11 中 A 平面的 粗糙度明显差于 C 平面 如图 12 所示 新品 A 平面粗糙度差于 C 平面 也差于图 13 中 S2 轴承接触表面 如图 14 所示 做径向切片 测量断轴根圆半径 R 0 46mm 生产厂家对失效电机轴同批 次产品抽检 根圆半径 R 0 37mm 均低于技术要求的 R 1mm 根圆在白色箭头指示 的接点位置 不能与两边直线边相切 R 偏小 接点不相切 圆弧与直角边过渡突兀 应 力集中相应增大 根圆附近的 A 平面加工粗糙 进一步增大接点附近的应力集中 如图 15 所示 对断轴 S1 及相邻表面显微检查发现 1 1 毫米槽左侧非轴承接触表面也出 现轴承压痕和磨痕 据此判断 S1 处的轴承与轴表面存在穿动现象 测量断轴 S1 处直径为 19 97 20 00mm 小于 20 2 的技术要求下限值 对比测量新轴 S1 处直径为 20 31 符合技术要求 因此断轴在 S1 部位直径小于技术要求 是轴承挤压和磨损造成 的 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 10 根圆断裂处图 11 根圆断裂处平面粗糙比较 图 12 新品 A C 平面粗糙度比较图图 13 S2 表面粗糙度 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 14 根圆半径测量图 15 断轴 S1 附近检查 2 3 硬度试验 检验断轴硬度 结果如表 1 表面硬度与心部硬度相差不大 该电机轴未做表面热处理 根据 GB T 1172 断轴心部硬度对应的抗拉强度为 797 808N mm2 比 GB T 3077 中 提供的 40Cr 材料调质后 980N mm2 的抗拉强度值低 22 5 分析认为如果适当提高心部硬度 表面硬度 可以提高轴的强度和疲劳强度 表 1 硬度检查结果 HV1 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 2 4 金相检查 如图 16 所示 沿直径方向纵向解剖 低倍检查剖面发现 表层组织与心部组织差别不悬 殊 断轴未做表面热处理 如图 17 所示 断轴有带状组织 根据 GB T 13299 评定带状组织为 3 级 带状组织降低 电机轴横向机械性能和扭转疲劳强度 图 18 是心部金相组织 为回火 S 部分 T 条状及网状 F 根据 GB T 13320 评级为 5 5 级 组织级别评定越高 断轴材料强度 疲劳强度越低 脆性越大 受带状组织的影响 断轴金相组织具有不均匀性 图 19 是表层金相组织 为回火 S 少量 F 根据 GB T 13320 评级为 2 5 级 图 16 低倍检查 50X 图 17 带状组织检查 100X 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 图 18 心部组织 500X 图 19 表层组织 500X 2 5 SEM 分析 如图 20 所示 裂纹起源于边缘的凹坑 凹坑附近没有夹杂等材料缺陷 由于凹坑处的缺 口效应 应力高度集中 大于材料强度时 引发裂纹 释放尖端应力 随后在扭转力作用 下 裂纹沿圆周方向扩展 在图中右下角观察到两条白色纹 是扭转力作用下产生台阶 A 区开始向 B 区过渡 图 21 是疲劳裂纹扩展区 观察到疲劳条纹 以及与贝壳方向一致的二次裂纹 裂纹穿过 晶界 在晶内扩展 具有穿晶断裂特征 扭转疲劳条纹和正断型断口上的条纹不同 每个 条纹实际上是小的台阶或二次裂纹 有的出现分叉 长条纹之间还有短条纹 从应力状态 分析 在横向剪切时 裂纹沿圆周扩展的方向与剪切位移的方向平行 属 II 型应力 上述 的条纹实际上是裂纹尖端在剪切应力反向的过程中产生的剪切台阶 二次裂纹或擦伤痕迹 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 SEM 分析结果表明 断口微观上具有扭转疲劳断裂的特征 图 20 裂纹源图 21 裂纹扩展区 2 6 化学成分分析 采用硫碳分析仪 IPC 检查材料化学成分 分析结果见表 2 与 GB T 3077 对照 除 P 元 素 0 0256 略超出高级优质钢 40CrA 中 P 0 025 最低要求 但在优质钢 40Cr 中 P 0 035 范围内 其他所有元素含量都在 40CrA 正常范围内 表 2 化学元素分析结果 Wt 一站式的材料检测 分析与技术咨询服务 元素 CSiMnPSCrMoCu 高级优 质钢技 术要求 0 37 0 44 0 17 0 37 0 50 0 80 0 025 0 025 0 80 1 10 0 10 0 25 实测结 果 0 41570 27140 69300 02560 01080 9308N D 0 0509 3 理论分析 如图 22 所示 电机轴是竖直放置 正常工作过程中 主要受扭转力的作用 如果工作过 程中 输出端的轴承有穿动现象 那么轴在轴承配合表面容易磨损或变形 轴材料硬度越 低 磨损和变形加剧 轴承配合间隙随之增大 轴承套与轴 S1 表面配合松动 振动加速 度变大 当齿轮啮合时 会产生一定间隔的较大冲击力 F 如果以电机轴轴心为圆心 圆 心到齿轮啮合位置为半径画圆 那么齿轮啮合产生的冲击力主要沿圆周方向 与半径相切 参考装配图 S2 轴承承载部分通过螺栓联接 与大减速齿轮实际成为一个整体 假设 S2 表面到齿轮啮合处距离为 L 那么冲击力对轴 S2 的扭矩 M F L F 越大 M 也越大 断裂部位在轴与轴肩过渡处 此位置直径发生突变 实际根圆半径太小 圆角与直边接点 不相切 应力集中程度大 容易开裂 材料强度和疲劳强度