空压机曲轴断裂失效分析

姜 琛

(日照市产品质量监督检验所,山东 日照 276800)

空压机是由电动机进行驱动的，带动其内部的曲轴进行旋转运动，再通过连杆带动活塞进行往复运动。曲轴是空压机的重要组成部件，其能够将电动机传输来的动力转化为活塞的往复运动，在其传递动力的过程中，会受到惯性力和离心离的影响，进而导致其长期处于弯曲、扭转以及振动等多种力的交替作用下。为了保障空压机的安全运行，就要对曲轴的工作状态进行系统全面的分析，并采取可靠的预防措施，避免曲轴断裂的发生，进而为曲轴的安全使用提供相应的指导。

1 理化检验

1.1 宏观分析

某断裂曲轴的实际情况如下图所示。

图1 断裂曲轴的宏观形貌图

由上图能够看出，曲轴是在第一缸轴颈的过渡圆角R1处发生断裂，并且裂纹的延伸方向与圆角保持一致，仅残余部分的圆角，如图1中的（a）所示。同时，还发现断裂处附近的轴颈和第二缸轴颈的表面良好，无异常磨损、抱瓦以及烧瓦的痕迹。

由图1中的（b）可以看出，断裂沿着圆角的方向向周围进行发展，表现为线源的发展特点，在断裂的源区能够发现较多的台阶，其中，箭头所指示的位置存在黑色的未抛光面。由图1中的（c）可以看出，除了曲轴的R1具有断裂的痕迹，在R2和R4的圆角区域也发现了相似的痕迹。曲轴的断裂处较大部分是比较平滑的区域，占到整个断口面积的90%以上，还能够比较明显的发现其中的疲劳弧线。同时，根据疲劳弧线所呈现出的反向趋势，这就在一定程度上反映了曲轴在工作过程中的应力比较集中，这就给曲轴的正常工作带来了非常不利的影响。

1.2 扫描电镜分析

曲轴断裂处的电镜扫描图，如图2所示。

图2 断口源区及附近剩余圆角处的SEM形貌图

通过运用扫描电镜（SEM）对曲轴断口进行系统全面的扫描发现，在曲轴的圆角位置处能够发现比较粗大的加工刀痕，如图2中（c）所示，这可能与曲轴的断裂具有一定的联系。由图2中（a）可以看到，在未磨损的断口源区能够发现曲轴的断裂正是由这些粗大的加工刀痕发展起来的。由图2中的（b）可以看出，曲轴断口处的微观特征表现为疲劳破坏，并且每条疲劳条带之间的距离非常小，仅为0.2μm左右。由于曲轴的瞬断处在断裂后发生了不小的磨损，导致其微观特征无法清晰地观察到。此外，根据图2中的（c）还能够发现，在曲轴断裂处的其余圆角位置，也存在一定的粗大加工刀痕，并且部分已经出现了轻微的裂痕。

1.3 金相分析

在曲轴断裂处沿轴向方向进行合理的取样，确保断口源区和剩余的圆角区域都能够纳入其中，进而保障取样的完整性。通过对样品进行一定的磨制和抛光处理后，对其进行金相分析。

在曲轴的断裂处具有非常明显的加工刀痕尖角形貌；曲轴基体的显微组织形貌，主要是由回火索氏体、回火屈氏体以及少量铁素体等三部分按照一定的结构而形成的；曲轴断裂处的剩余圆角金相截面形貌通过局部进行放大观察，能够发现比较明显的加工刀痕尖角形貌。

1.4 圆角表面粗糙度和圆角半径测试

为了对曲轴圆角的表面粗糙度进行精确的测量，通过测量断裂处圆角R2和R3的表面形貌参数，以及圆角的半径。测量曲轴圆角粗糙度所使用的仪器为FTS Inductive 120 mm表面形貌仪，其主要的技术指标为：测量样品的长度为2.1mm、每个测试点之间的距离为2.5μm。

为了确保测量精度符合要求，在测量过程中要严格按照仪器的测量操作要求进行粗糙度的测量，进而避免由于操作失误对测量数据的精度造成不良影响。

根据测量结果可以发现，曲轴圆角的表面粗糙度和半径并不符合所要求的技术参数，这就会对曲轴的正常工作带来不利的影响。

曲轴横截面基体的硬度并不均匀，进而对曲轴的整体性能造成了一定的影响，并且其硬度值较图纸要求的下限值较低，也就难以确保曲轴的安全平稳工作。

2 分析与讨论

在空压机的工作过程中，曲轴主要受到弯曲和扭转两种不同的载荷，并且曲轴的圆角处是结构上的应力集中位置，因此，曲轴在该处发生断裂的概率较大。根据曲轴断裂处的宏观分析可知，曲轴的断裂属于弯曲-扭转的复合疲劳断裂，并且没有受到其他载荷的影响。

疲劳裂纹在曲轴的断裂源区向四周进行扩展，形成了大量的疲劳台阶，并且疲劳弧线具有一定程度的反转趋势，以上的这些断裂特征说明在曲轴发生断裂的时候，其断裂源区集中了大量的应力。瞬断区占整个曲轴断面的比例较小，这就说明了在曲轴发生断裂的瞬间，其所受到的应力较小，进而导致曲轴的瞬断区域较小。

3 结论及建议

总而言之，该曲轴的断裂属于低应力下的高周疲劳断裂，为了有效避免曲轴断裂的发生，确保曲轴能够始终处于良好的工作状态。在加工曲轴的过程中，要严格按照技术要求进行科学合理的加工，确保圆角的加工质量符合要求。同时，还需要结合加工的实际情况，适当增加圆角滚压工序，并对圆角的半径和表面粗糙度进行严格的控制和提高曲轴基体的硬度。