某型空气起动机保险轴断裂失效分析

蒋勇 陈斐/襄阳航泰动力机器厂

1 故障情况

某型空气起动机外场使用中发生一起保险轴断裂故障，断裂处位于保险轴承剪处（见图1），测量保险轴承剪处直径为13.402mm；分解空气起动机，检查其余机件无缺陷。该保险轴随空气起动机修后使用234h1min，总寿命1152h58min。

图1 保险轴

2 宏观检查

宏观检查断裂部位，端口光滑平坦，偏离轴中心附近可见长宽约为2.0mm×1.5mm 的椭圆形“斑印”，呈瓷状特征（见图2）。体视显微镜观察，未发现断口附近存在其他裂纹等缺陷，断面区域有色泽差异，断口沿圆周方向呈圆周弧线扩展形貌（见图3）。保险轴花键齿面存在不同程度的挤压损伤痕迹，其中一齿面有三处挤压损伤（见图4）。

3 微观电镜分析

超声波清洗断裂保险轴，扫描电子显微镜检查断口表面洁净，未见腐蚀迹象，伴有损伤痕迹，挤压面光滑，无明显粘附物，如图5、图6 所示。

图2 保险轴断裂后形貌

能谱分析结果表明，挤压处与保险轴成分基本一致，未发现外来挤压物。

微观检查保险轴“斑印”区域存在轻微的疏松缺陷（见图7），呈现韧窝特征（见图8）。断面光滑平坦，其他区域亦可见拉长型的剪切韧窝，与保险轴扭矩方向相对一致。其他表面未发现异常现象。

图3 保险轴断面形貌

图4 保险轴花键齿表面缺陷形貌

图5 表面缺陷挤压电镜形貌

图6 表面某处缺陷电镜形貌

图7 斑印电镜形貌

图8 保险轴斑印微观放大形貌

图9 断面金相组织（500X）

4 金相检查及硬度检查

对断口进行金相检查，断面组织均为较均匀的索氏体组织，如图9 所示。检查保险轴心部平均硬度为HRC33.8，符合图纸要求。

5 分析结果

保险轴是空气起动机的关键零件，安装在空气起动机的输出端，主要用于传递输出扭矩，在传递扭矩超过承剪扭矩规定值时断裂，以保护发动机和空气起动机。保险轴材料为25Cr3MoA，硬度HRC32 ～38，保险轴承剪处直径13.40 ～13.425mm。

5.1 断裂性质

保险轴在工作中主要承受扭转载荷。宏观检查表明，保险轴断面沿圆周方向呈圆周弧线扩展形貌，具有扭转过载断裂的宏观特征。微观上，断口为韧窝特征，除最后断裂区韧窝为等轴型外，其他部位韧窝均被拉长，说明这些部位均是在剪切应力作用下断裂的，也具有扭转过载断裂的微观特征。因此，可以确定保险轴的断裂性质为扭转过载断裂。

5.2 断裂原因

保险轴的断裂性质为扭转过载断裂，说明该保险轴在使用中受到了超过其承载能力的扭转载荷作用。保险轴硬度检查合格，断口分析中也未发现明显的材质问题，且该保险轴已经经过一个寿命周期，因此，可以排除材料强度不合格导致传动杆断裂的可能。但保险轴硬度和承剪处直径处于规定范围的下限，即保险轴剪切扭矩处于规定的下限范围，在发动机长时间停放后的使用中，发动机转动力矩变大，起动瞬间空气起动机保险轴承受到更大的扭转转矩，扭转转矩大于保险轴剪切扭矩，导致保险轴断裂。

6 结论

保险轴是因高速动转截荷过大导致的断裂。

建议在制造时，严格控制保险轴的承剪扭矩和硬度等力学性能。