离心式空压机转子轴头断裂失效分析.pdf

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1、第38卷第4期化工机械483离心式空压机转子轴头断裂失效分析马小明’邓隆峰李靖华南理工大学机械与汽车工程学院摘要运用材料化学成分分析、扫描电镜、能谱分析厦金相检验等手段，对离·。式空气压缩机转子轴头断裂失效原因进行了系统分析．并提出了相应的对策措施。关键词空压机转子34c州-3Mo铜疲劳断裂失效分析中圈分类号TQ0512I文献标识码B文章编号0254_6094(2011)04_0483．032010年6月某化肥厂合成车间的离心式空压机组透平缸体中1。转子从危急保安器与推力盘间的卡环槽处发生断裂，为了分

2、析该转子轴头断裂的原因，笔者对其进行了一系列检验工作。1设备概况发生断裂的离心式空压机由DELAVAL制造，转子轴长2925．1lmm、直径883．53mm。轴承形式为5块可倾支撑瓦金斯伯雷推力轴承，密封形式为迷宫密封，第一临界转速4020r／min，第二临界转速8150r／mjn，工作转速6490r／min，该转子轴的功率为500kw，轴材料为34crNi3Mo，连轴节类型为直齿型，历史最大振幅为25—28斗m(出口侧轴承水平方向)。2理化分析2．1宏观形貌分析对发生断裂失效的轴头样品进行宏观形貌观

3、察，发现断裂发生在轴的变径倒角部位，变径处倒角半径很小，易发生应力集中；该断口呈较典型的疲劳断口形貌特征(图1)，断面可分为3个区域，较为光滑的疲劳源区、呈现贝纹状的疲劳扩展区域和粗糙的瞬断区；断口表面的疲劳源区及扩展区域较为光滑，疲劳扩展区域(约占断口面积的3／5)较平整．可见有明显的弧形花样，由扩展的逆向可找到裂源区在轴台阶圆角处；瞬断区呈河流状形貌；断口的瞬断区在裂纹源区对称处呈一角度，表面断口呈旋转弯曲疲劳特征。轴套上存在钝伤，而且螺栓孔发生了塑性变形。图1断口形貌2．2化学成分分析对轴头取样

4、并进行化学成分分析，结果列于表1。表1轴材料化学成分分析％·马小明，男．1962年6月生，副教授。广东省广州市，510641。化工机械2011年分析结果表明轴头材料为34crN-3Mo，其巾Mn、Mo元素含量略低Mn含量偏低会降低钢的强度和塑性，Mo含量偏低会影响钢的耐腐蚀性。23材料硬度检测在轴上选取5个测试点按照cB／T43401-1999金届维氏硬度试验的要求进行硬度测试，结果见表2。表2材料硬度测试结果(HV)稠试点l2345半均轴横截面258927082774269I262O2676轴纵截面

5、25972675261O274927492678硬度测试结果表明，轴的横向与纵向硬度为267HV，对应布氏硬度值为265HB，抗拉强度853N／mm2。根据JB3288标准34crNi3Mo钢硬度要求为269～302HB，抗拉强度的要求为870N／mm2．可见其硬度低于标准要求，抗拉强度基本符合标准要求。2．4扫描电镜与能谱分析对轴的断口进行扫描电镜观察，发现断口边缘有约0．3mm宽的平滑区域，推断其为轴头变径台阶倒角处裂纹断面，说明倒角加T不良(图2)；断口边缘扩展区域形貌呈现一定的晶粒形态(图3)

6、；裂纹扩展区有沿晶形貌和疲劳辉纹(图4)；瞬断区有多处似河流状的形貌(图5)。图3裂纹扩展处图5瞬断区河流状形貌对断口边缘区域、断口平滑区域与断口扩展区域交界附近进行能谱分析(表3)。结果表明断面边缘区域受氧化腐蚀较为严重，说明该区域较断面内部暴露时间长，同时由于该区域较为平滑．表明该深色区域为早期裂纹部位。表3断口边缘区域能谱分析结果％2．5金相检验在轴头部分取样进行金相分析，发现该材料在抛光态下可见较多杂质，其金相组织为回火索氏体和少量铁素体，如图6所示。部分晶粒高温图6基体横截面金相组织第38卷

7、第4期化工机械485回火过程中形成球状碳化物，如图7所示。材料组织中存在偏析区，基体横截面有夹杂物，如图8所示。说明该轴头材料有一定的缺陷．材料巾存在着部分杂质及偏析区，轴头的化学成分部分不均匀，对轴头断裂有一定的影响。图7基体横截面夹杂物图8基体部分晶粒形成球状碳化物3失效分析及对策3．1失效原因轴头材料中存在部分杂质及偏析区．使部分区域内组织较为疏松且轴头化学成分不均匀对轴头断裂造成了一定的影响。轴头倒角加工不良。导致轴头变径台阶倒角处存在裂纹且倒角半径很小增大了应力集中效应是造成轴头产生脆性断裂

8、的重要原因。3．2相应对策选择合格的材料后，在加T过程中应尽量避免产生残余拉应力和机械划痕，可在轴表面进行预先残余应力处理来提高疲劳强度；应尽量降低轴危险截面的应力集中系数．改善转子轴的工作应力状态，加大圆角半径，使r／d大于O．1，减小直径差，保证D／d小于1．15—1．20；空气压缩机转子轴应该严格按照设计的工况及负荷运行，对转子轴应做好紧定工作，定期对该设备进行维护和维修，及早发现缺陷和裂纹及早处理，避免造成更大的经济损失。4结束语通过系统分析，转