姜 琛

(日照市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,山東 日照 276800)

空壓機(jī)是由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，帶動(dòng)其內(nèi)部的曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過連桿帶動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲軸是空壓機(jī)的重要組成部件，其能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)傳輸來的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在其傳遞動(dòng)力的過程中，會(huì)受到慣性力和離心離的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其長(zhǎng)期處于彎曲、扭轉(zhuǎn)以及振動(dòng)等多種力的交替作用下。為了保障空壓機(jī)的安全運(yùn)行，就要對(duì)曲軸的工作狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，并采取可靠的預(yù)防措施，避免曲軸斷裂的發(fā)生，進(jìn)而為曲軸的安全使用提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

某斷裂曲軸的實(shí)際情況如下圖所示。

圖1 斷裂曲軸的宏觀形貌圖

由上圖能夠看出，曲軸是在第一缸軸頸的過渡圓角R1處發(fā)生斷裂，并且裂紋的延伸方向與圓角保持一致，僅殘余部分的圓角，如圖1中的（a）所示。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)斷裂處附近的軸頸和第二缸軸頸的表面良好，無異常磨損、抱瓦以及燒瓦的痕跡。

由圖1中的（b）可以看出，斷裂沿著圓角的方向向周圍進(jìn)行發(fā)展，表現(xiàn)為線源的發(fā)展特點(diǎn)，在斷裂的源區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)較多的臺(tái)階，其中，箭頭所指示的位置存在黑色的未拋光面。由圖1中的（c）可以看出，除了曲軸的R1具有斷裂的痕跡，在R2和R4的圓角區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了相似的痕跡。曲軸的斷裂處較大部分是比較平滑的區(qū)域，占到整個(gè)斷口面積的90%以上，還能夠比較明顯的發(fā)現(xiàn)其中的疲勞弧線。同時(shí)，根據(jù)疲勞弧線所呈現(xiàn)出的反向趨勢(shì)，這就在一定程度上反映了曲軸在工作過程中的應(yīng)力比較集中，這就給曲軸的正常工作帶來了非常不利的影響。

1.2 掃描電鏡分析

曲軸斷裂處的電鏡掃描圖，如圖2所示。

圖2 斷口源區(qū)及附近剩余圓角處的SEM形貌圖

通過運(yùn)用掃描電鏡（SEM）對(duì)曲軸斷口進(jìn)行系統(tǒng)全面的掃描發(fā)現(xiàn)，在曲軸的圓角位置處能夠發(fā)現(xiàn)比較粗大的加工刀痕，如圖2中（c）所示，這可能與曲軸的斷裂具有一定的聯(lián)系。由圖2中（a）可以看到，在未磨損的斷口源區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)曲軸的斷裂正是由這些粗大的加工刀痕發(fā)展起來的。由圖2中的（b）可以看出，曲軸斷口處的微觀特征表現(xiàn)為疲勞破壞，并且每條疲勞條帶之間的距離非常小，僅為0.2μm左右。由于曲軸的瞬斷處在斷裂后發(fā)生了不小的磨損，導(dǎo)致其微觀特征無法清晰地觀察到。此外，根據(jù)圖2中的（c）還能夠發(fā)現(xiàn)，在曲軸斷裂處的其余圓角位置，也存在一定的粗大加工刀痕，并且部分已經(jīng)出現(xiàn)了輕微的裂痕。

1.3 金相分析

在曲軸斷裂處沿軸向方向進(jìn)行合理的取樣，確保斷口源區(qū)和剩余的圓角區(qū)域都能夠納入其中，進(jìn)而保障取樣的完整性。通過對(duì)樣品進(jìn)行一定的磨制和拋光處理后，對(duì)其進(jìn)行金相分析。

在曲軸的斷裂處具有非常明顯的加工刀痕尖角形貌；曲軸基體的顯微組織形貌，主要是由回火索氏體、回火屈氏體以及少量鐵素體等三部分按照一定的結(jié)構(gòu)而形成的；曲軸斷裂處的剩余圓角金相截面形貌通過局部進(jìn)行放大觀察，能夠發(fā)現(xiàn)比較明顯的加工刀痕尖角形貌。

1.4 圓角表面粗糙度和圓角半徑測(cè)試

為了對(duì)曲軸圓角的表面粗糙度進(jìn)行精確的測(cè)量，通過測(cè)量斷裂處圓角R2和R3的表面形貌參數(shù)，以及圓角的半徑。測(cè)量曲軸圓角粗糙度所使用的儀器為FTS Inductive 120 mm表面形貌儀，其主要的技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量樣品的長(zhǎng)度為2.1mm、每個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的距離為2.5μm。

為了確保測(cè)量精度符合要求，在測(cè)量過程中要嚴(yán)格按照儀器的測(cè)量操作要求進(jìn)行粗糙度的測(cè)量，進(jìn)而避免由于操作失誤對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度造成不良影響。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，曲軸圓角的表面粗糙度和半徑并不符合所要求的技術(shù)參數(shù)，這就會(huì)對(duì)曲軸的正常工作帶來不利的影響。

曲軸橫截面基體的硬度并不均勻，進(jìn)而對(duì)曲軸的整體性能造成了一定的影響，并且其硬度值較圖紙要求的下限值較低，也就難以確保曲軸的安全平穩(wěn)工作。

2 分析與討論

在空壓機(jī)的工作過程中，曲軸主要受到彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種不同的載荷，并且曲軸的圓角處是結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中位置，因此，曲軸在該處發(fā)生斷裂的概率較大。根據(jù)曲軸斷裂處的宏觀分析可知，曲軸的斷裂屬于彎曲-扭轉(zhuǎn)的復(fù)合疲勞斷裂，并且沒有受到其他載荷的影響。

疲勞裂紋在曲軸的斷裂源區(qū)向四周進(jìn)行擴(kuò)展，形成了大量的疲勞臺(tái)階，并且疲勞弧線具有一定程度的反轉(zhuǎn)趨勢(shì)，以上的這些斷裂特征說明在曲軸發(fā)生斷裂的時(shí)候，其斷裂源區(qū)集中了大量的應(yīng)力。瞬斷區(qū)占整個(gè)曲軸斷面的比例較小，這就說明了在曲軸發(fā)生斷裂的瞬間，其所受到的應(yīng)力較小，進(jìn)而導(dǎo)致曲軸的瞬斷區(qū)域較小。

3 結(jié)論及建議

總而言之，該曲軸的斷裂屬于低應(yīng)力下的高周疲勞斷裂，為了有效避免曲軸斷裂的發(fā)生，確保曲軸能夠始終處于良好的工作狀態(tài)。在加工曲軸的過程中，要嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行科學(xué)合理的加工，確保圓角的加工質(zhì)量符合要求。同時(shí)，還需要結(jié)合加工的實(shí)際情況，適當(dāng)增加圓角滾壓工序，并對(duì)圓角的半徑和表面粗糙度進(jìn)行嚴(yán)格的控制和提高曲軸基體的硬度。