發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵軸失效分析

王兆前 楊 杰 朱玲玉

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司）

1 概況

在試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)子機(jī)油泵軸出現(xiàn)兩次失效，第一次運(yùn)行300小時(shí)，第二次運(yùn)行50小時(shí)。軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)熱處理，硬度為217～255HB。對斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察分析、軸的鍵槽和鍵進(jìn)行校核計(jì)算，查找此軸斷裂失效原因及相應(yīng)的改進(jìn)措施，為后續(xù)試驗(yàn)提供理論參考。

2 宏觀檢驗(yàn)

對機(jī)油泵一斷口宏觀形貌觀察，機(jī)油泵軸失效部位均在軸鍵槽處，現(xiàn)象為軸鍵槽處斷裂，觀察兩斷口，斷口有不同程度的磨損，其中B側(cè)斷口分為兩塊，其中一塊已經(jīng)完全裂開。取下B斷口左側(cè)小塊 （見圖3），斷口可見明顯疲勞貝紋線及放射線，貝紋線圓心即疲勞源。疲勞溝槽明顯，說明此處應(yīng)力集中嚴(yán)重。

初步分析機(jī)油泵軸為疲勞斷裂，疲勞源位于鍵槽一側(cè)，裂紋沿周向擴(kuò)展。軸的斷口說明軸在鍵槽左側(cè)受到剪切力，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生并沿周向擴(kuò)展。

（圖3）

（圖4）

（圖5）

分析螺紋旋向 （圖4）時(shí)發(fā)現(xiàn)螺母擰緊方向與機(jī)油泵被驅(qū)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向相反，分析為螺母壓緊齒輪端面，通過摩擦力傳遞一定的扭矩。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)方向與螺母擰緊旋向相反使螺母松動(dòng)，而后鍵傳遞扭矩，軸所受剪切應(yīng)力超出軸的疲勞強(qiáng)度，最終疲勞斷裂。圖5為第二次斷裂軸的前半段，鍵槽處已發(fā)生滾切現(xiàn)象，現(xiàn)象與分析一致。

3 失效成因分析計(jì)算

3．1 轉(zhuǎn)子泵供油量

式中Q —— 泵的供油量（L／min）；

η0——泵的供油效率，η＝80～85%；

C—— 內(nèi)外轉(zhuǎn)子間的最大齒間面積（cm3）；

B—— 轉(zhuǎn)子厚度（cm）；

N—— 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（rpm）。

在最大面積C未知時(shí)，可用下式近似計(jì)算，誤差不大于3% ～4%

ρ1、ρ2分別為內(nèi)轉(zhuǎn)子的長半徑和短半徑，單

位cm；

轉(zhuǎn)子泵的驅(qū)動(dòng)功率占柴油機(jī)有效功率的0．8－1．8%，可用下式計(jì)算

Np＝1／η×VpΔp×1／27000 （PS）

式中η＝η0ηm——ηm為泵的機(jī)械效率，高速時(shí)取0．85～0．9，低速時(shí)取0．7～0．75；

Vp—— 泵的供油量（L／h）；

Δp—— 進(jìn)出油口油壓差（kgf／cm2）。

簡化后

取ρ1＝4．4cm、ρ2＝2．75cm、B＝2．4cm、Δp×900kPa ＝8．82 kgf／cm2、ηm＝0．9

計(jì)算得：T ＝13．6 Nm

3．2 對鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核

取 T ＝13．6 Nm、d＝12mm、k＝1．7mm、L ＝7．7mm

計(jì)算得：σp＝173．1 Mpa

鍵許用擠壓應(yīng)力〔σp〕為（125～150）MPa，σp＞〔σp〕，不能滿足要求。

3．3 對鍵槽進(jìn)行強(qiáng)度校核

因軸鍵槽處出現(xiàn)滾切現(xiàn)象，將鍵視為剛體對鍵槽進(jìn)行計(jì)算分析

對圖6分析：當(dāng)這個(gè)微小的角位移產(chǎn)生后，因傳動(dòng)力P的作用以及變載工作的過程中，這時(shí)的齒輪輪轂鍵槽和鍵對傳動(dòng)軸上鍵槽的一側(cè)進(jìn)行擠壓、碰撞。

從發(fā)動(dòng)機(jī)前端看軸與輪轂的相對位移（圖6）

為分析直觀取機(jī)油泵軸的鍵槽截面作參考示意圖如7

（圖7）

式中R—— 軸半徑，R＝6mm

H——鍵槽底面至軸心距，H ＝3．5mm軸鍵槽的擠壓應(yīng)力

剪切應(yīng)力

式中d—— 軸直徑，d＝12mm

L—— 鍵槽工作長度，L＝7．7mm

從圖中可以看出軸與輪轂之間有相對位移后，作用在軸鍵槽一側(cè)的應(yīng)力就會(huì)有面接觸變?yōu)樽饔迷阪I槽頂部的邊線上，這是鍵槽側(cè)面變?yōu)橐欢耸芰σ欢斯潭ǖ暮喼Я?，其作用在鍵槽面上的應(yīng)力

W——材料截面模量。

因σ＞σj，此時(shí)軸鍵槽在應(yīng)力σ的作用下產(chǎn)生一個(gè)初變形

式中E——金屬材料彈性模量，E＝206Gpa；

I——材料軸慣性矩

關(guān)于材料應(yīng)變率可參照下列數(shù)字劃分

當(dāng)ε·＜10－5s－1時(shí)，其屬于靜態(tài)范圍；

當(dāng)10－5s－1＜ε·＜10－3s－1，其為準(zhǔn)靜態(tài)范圍；

當(dāng)ε·＞10－3s－1時(shí)，這時(shí)一般進(jìn)入了材料的應(yīng)變敏感區(qū)域，不能忽略材料的應(yīng)變效應(yīng)，這時(shí)所研究的問題可以稱之為動(dòng)態(tài)問題。

因發(fā)動(dòng)機(jī)在變工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)載荷復(fù)雜且無明顯規(guī)律性，不問不做進(jìn)一步討論。

4 結(jié)論及建議

初期螺母壓緊齒輪端面，通過摩擦力傳遞扭矩。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因螺紋旋向反向，螺母逐漸松動(dòng)，傳遞扭矩不足，導(dǎo)致鍵傳遞扭矩，鍵所受剪切應(yīng)力軸鍵槽所受的彎曲應(yīng)力均超出疲勞強(qiáng)度，最終疲勞斷裂。

1、避免采用鍵傳遞扭矩方式，采用可靠的方式：圓錐面連接、過盈連接等。

2、改變螺母旋向，使軸的旋向與螺母擰緊方向相同，避免螺母松動(dòng)。

〔1〕楊黎明 ．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊 〔K〕．北京：國防工業(yè)出版社，1996．

〔2〕王文斌 ．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 ．第2卷／機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)編著．—3版．—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．8

〔3〕潘建華 ．沖擊載荷作用下壓力容器用金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂行為的研究，博士學(xué)位論文，中國科技大學(xué)，2013．3

〔4〕史紹熙 ．柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊／柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會(huì)．機(jī)械工業(yè)出版社，1984．