張飛飛，王瑞良

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 459000）

對于機(jī)械花鍵軸來說，可分為漸開線花鍵軸以及舉行花鍵軸兩種，屬于機(jī)械傳動的范疇，與斜鍵、半圓鍵以及和平鍵具有相同的作用，可起到傳遞機(jī)械扭矩的效果。同時機(jī)械花鍵軸擁有應(yīng)力集中小、承載能力高、互換性強、對中性以及導(dǎo)向性好的優(yōu)勢之處，所有在農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床制造業(yè)、拖拉機(jī)、汽車以及飛機(jī)等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著花鍵軸的廣泛使用，機(jī)械花鍵軸斷裂失效問題時有發(fā)生，同時其相關(guān)研究進(jìn)程也隨之開展。

1 實驗結(jié)果與分析

對于機(jī)械花鍵軸來說，作為傳動零件，一旦發(fā)生失效故障，將產(chǎn)生十分重大的機(jī)械安全事故。機(jī)械花鍵軸在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用是燃油增壓泵的主要零件，其作用是將飛機(jī)發(fā)動機(jī)的部分動力向燃油增壓泵進(jìn)行傳遞；花鍵軸將燃油增壓泵與機(jī)匣進(jìn)行連接，一旦機(jī)械花鍵軸發(fā)生斷裂現(xiàn)象，將使得燃油增壓泵喪失部分功能。在某型號燃油增壓泵花鍵軸進(jìn)行工作的過程中，發(fā)生了斷裂情況，這種機(jī)械花鍵軸花鍵為漸開線式花鍵，其材料使用了38CrMoAlA鋼，同時花鍵表面經(jīng)過滲氮處理。這種機(jī)械花鍵軸的傳動方式為單項傳動，轉(zhuǎn)速約為8630r/min，其燃油增壓泵的最大功率為42kW。本文主要對花鍵軸的斷口以及宏觀形貌進(jìn)行了分析和觀察，并測試了花鍵軸的形狀尺寸、金相組織以及材料成分，并使用有限元模擬分析以及理論計算，從而對機(jī)械花鍵軸的斷裂原因以及斷裂性質(zhì)進(jìn)行確定。

1.1 宏觀檢查過程

本文所研究的機(jī)械花鍵軸斷裂位置處于靠近與機(jī)械內(nèi)花鍵配合端的花鍵軸最小軸徑處。這種機(jī)械花鍵軸的傳動方式是單向傳動，所有花鍵應(yīng)只具有單面的接觸痕跡，所以在對花鍵的接觸痕跡進(jìn)行分析與觀察后，可發(fā)現(xiàn)機(jī)械花鍵軸和機(jī)匣內(nèi)花鍵嚙合間隙處可能存在一定問題。

1.2 形狀尺寸測量

在對機(jī)械花鍵軸的形狀與尺寸進(jìn)行測量的過程中，可使用投影儀、齒輪儀以及三坐標(biāo)測量儀等工具。在對測量結(jié)果進(jìn)行觀察后，可發(fā)現(xiàn)這種機(jī)械花鍵軸的齒厚、齒向以及齒形都和相關(guān)圖紙的要求相符，但發(fā)現(xiàn)斷裂處軸徑尺寸較小。針對圖紙要求來說，要求斷裂處軸徑的尺寸要比實際測量尺寸大，因此沒有對圖紙的要求進(jìn)行滿足。

1.3 斷口觀察

對于該機(jī)械花鍵軸宏觀斷口來說，為星形斷口形貌，在斷口的微觀形貌中，擁有十分明顯的疲勞條帶痕跡；其中心部位是瞬斷區(qū)，擁有大量的韌窩。因此，在對斷口處的形貌進(jìn)行觀察后，可發(fā)現(xiàn)該機(jī)械花鍵軸斷口處屬于典型軸的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征，扭轉(zhuǎn)疲勞破壞為其斷裂性質(zhì)。觀察疲勞源區(qū)以及疲勞附近部位后也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，因此也不存在冶金缺陷的問題。同時，在對其化學(xué)成分進(jìn)行分析的過程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)械花鍵軸的材料符合GJB 1951—1994的相關(guān)規(guī)定要求，因此其化學(xué)成分沒有問題。

1.4 金相組織與硬度檢查

對于機(jī)械花鍵軸來說，只有花鍵才要求進(jìn)行滲氮處理，因此即使該機(jī)械花鍵軸的斷裂處沒有相應(yīng)的滲氮層，但是，可發(fā)現(xiàn)整體機(jī)械花鍵軸在進(jìn)行滲氮處理前做過調(diào)質(zhì)處理，可針對HB 5022-1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲金相組織檢驗標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求來評判該機(jī)械花鍵軸斷裂處的金相組織，可發(fā)現(xiàn)斷裂處的組織是回火索氏體，其級別為二級，由于這種機(jī)械花鍵軸零件的調(diào)質(zhì)組織為1～5級，因此符合相關(guān)內(nèi)容要求。最后，在對該機(jī)械花鍵軸的洛氏硬度進(jìn)行測試后，可發(fā)現(xiàn)其硬度結(jié)果為34.5HRC，由于相關(guān)技術(shù)要求為30～37HRC之間，因此其洛氏硬度滿足相關(guān)要求。

2 分析與討論概述

獲得試驗結(jié)果后，可對其進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)機(jī)械花鍵軸所產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞為其斷裂性質(zhì)，但機(jī)械花鍵軸的硬度金相組織滿足要求，同時化學(xué)成分也達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對機(jī)械花鍵軸的斷裂位置進(jìn)行觀察后，可發(fā)現(xiàn)花鍵軸的最小軸徑處發(fā)生了斷裂，并且這個部位的軸徑較小。在對花鍵的接觸痕跡進(jìn)行分析與觀察后，可發(fā)現(xiàn)該機(jī)械花鍵軸花鍵與機(jī)匣內(nèi)花鍵嚙合間隙存在一定問題。

對于該機(jī)械花鍵軸來說，其破壞性質(zhì)為純扭轉(zhuǎn)破壞，同時其斷裂位置處于該花鍵軸軸徑最小處，所以可對該處位置針對設(shè)計要求進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞強度計算校核以及最大剪切應(yīng)力校核。在計算最大理論剪切應(yīng)力后，其大小為141.2MPa，同時，針對扭轉(zhuǎn)疲勞強度條件公式可對該機(jī)械花鍵軸斷裂處的工作安全系數(shù)進(jìn)行計算，為1.6。

在對38CrMoAlA鋼調(diào)制狀態(tài)的疲勞安全系數(shù)以及抗剪切強度進(jìn)行對比后，可發(fā)現(xiàn)該機(jī)械花鍵軸斷裂處所設(shè)計的疲勞強度以及抗剪切強度符合相關(guān)要求。對于技術(shù)材料來說，要想產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞應(yīng)對以下兩個條件進(jìn)行滿足：首先，存在交變扭矩以及交變應(yīng)力兩個因素的存在；其次，該機(jī)械花鍵軸斷裂處的疲勞機(jī)械小于交變應(yīng)力幅。針對該機(jī)械花鍵軸來說，由于其性能、組織、材料以及設(shè)計強度都滿足相關(guān)內(nèi)容的要求，并且源區(qū)也未有腐蝕痕跡，同時不存在缺陷部位，所以可對花鍵的基礎(chǔ)痕跡進(jìn)行觀察與分析，對花鍵軸花鍵與機(jī)匣內(nèi)花鍵嚙合間隙存在問題進(jìn)行判斷，所以可以判斷出可能由于花鍵軸花鍵與機(jī)匣內(nèi)花鍵嚙合間隙存在問題，共振可能是導(dǎo)致該機(jī)械花鍵軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂現(xiàn)象的主要原因，由于產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因便是共振，同時還可放大其現(xiàn)有能量，導(dǎo)致所形成的應(yīng)力幅遠(yuǎn)大于疲勞極限，但以上結(jié)果只屬于初步判斷，共振是否屬于該機(jī)械花鍵軸扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的產(chǎn)生原因，還需要進(jìn)行深入分析與研究。該機(jī)械花鍵軸在第四階模態(tài)下在斷裂處產(chǎn)生了最大的相對振動應(yīng)力。所以，如果針對工作轉(zhuǎn)速來對Campbell共振圖進(jìn)行繪制的過程中，所發(fā)生的激振力頻率和第四階振型擁有相同、整數(shù)倍以及相近的固有頻率，并具有一定的共振條件。

對于機(jī)械緩建洲的激振力頻率來說，可使用公式：f3=KZ(n/60)進(jìn)行計算，其中K可取1、2、3......；機(jī)匣所連接的花鍵齒數(shù)量為Z，此時可取為18，機(jī)械花鍵軸的轉(zhuǎn)速為n，可取8630r/min。針對所繪制的花鍵軸Campbell共振圖可發(fā)現(xiàn)，一旦K的值取為6時，轉(zhuǎn)速為8630r/min時所產(chǎn)生的激振力頻率和四階振型固有頻率發(fā)生相交的現(xiàn)象，所以可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械花鍵軸的工作時擁有對四階共振引發(fā)的條件。

其次，要想對機(jī)械花鍵軸判斷是否擁有共振條件，激振力的產(chǎn)生原因十分重要，并且可對共振問題進(jìn)行解決。對于激振力來說，一共可分為兩種，首先為機(jī)械激振力，其次為氣體激振力。而導(dǎo)致機(jī)械花鍵軸產(chǎn)生共振現(xiàn)象的激振力為機(jī)械激振力。因此，一旦花鍵或齒之間沒有充分配合，將導(dǎo)致嚙合存在間隙，使得花鍵與齒上形成周期性的激振力，并不斷作用在軸上。針對機(jī)械花鍵軸花鍵合機(jī)匣內(nèi)花鍵的接觸痕跡進(jìn)行分析后可對其激振力進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)花鍵嚙合存在間隙的主要原因可能與花鍵的裝配過程、配合要求、形位公差以及加工尺寸有關(guān)，在對機(jī)匣內(nèi)花鍵的壓痕形貌進(jìn)行檢查后可發(fā)現(xiàn)燃油泵的定位銷中有明顯的毀壞痕跡，這種情況是由于裝配不當(dāng)所引起的。便可得到結(jié)論：首先，機(jī)械花鍵軸斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂；其次，花鍵軸扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂與共振有關(guān)，而共振可能是機(jī)匣內(nèi)花鍵嚙合間隙不當(dāng)引起的。

3 結(jié)語

綜上所述，機(jī)械花鍵軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，導(dǎo)致其產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因便是機(jī)械花鍵軸臺階過渡圓角區(qū)域具有馬氏體組織。對于機(jī)械花鍵軸來說，主要是兩部分進(jìn)行焊接形成，主要在臺階圓角過渡處的熱影響區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋，由于熱影響區(qū)產(chǎn)生了脆度較高的馬氏體組織，因此花鍵軸臺階圓角過渡部位的疲勞抗力下降，使其形成疲勞裂紋，最終產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象，因此可使用整根材料開展鍛造加工作業(yè)，或在焊接后對焊縫進(jìn)行正火處理或退火處理。