朱孝錄

（1. 北京科技大學(xué)，北京 100083；2. 沃德傳動（天津）股份有限公司，天津 300409）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)研究的道路上，往往有這種情況：發(fā)現(xiàn)某種事物從未見過的意外現(xiàn)象，經(jīng)過初步分析，也知道這種現(xiàn)象可能與某種影響因素有關(guān)，但是卻不知道產(chǎn)生這種意外現(xiàn)象的真正原因（機(jī)理）。也就是常說的“知其然，不知其所以然”。只有進(jìn)行深入細(xì)致地研究，才能揭開實(shí)物發(fā)展的真正原因。

本研究中的減速機(jī)扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效就是此現(xiàn)象的一個典型案例。減速機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖見圖1。減速機(jī)高速軸輸入功率為2986 kW，轉(zhuǎn)速為1413 r/min，傳動比為35.154。使用了2、10 a 的2 臺減速機(jī)分別由于高速軸剝裂和斷裂而導(dǎo)致失效。高速軸形狀和第1 次開裂、第2 次斷裂的部位示意圖見圖2。

圖1 減速機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of a reducer

圖2 高速軸的形狀及失效位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the shape and failure position of the high-speed shaft

經(jīng)對該減速機(jī)進(jìn)行失效分析可知，由于軸同孔、鍵同鍵槽之間存在微動，產(chǎn)生微動磨損，破壞軸的光滑表面，在多次沖擊載荷作用下，引發(fā)軸的開裂和斷裂。減速機(jī)高速軸的失效與微動磨損、多次沖擊和疲勞有關(guān)，因此，該類型的斷裂是否可稱之為“扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效”？根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索結(jié)果可知，目前對于這種失效形式的失效案例和失效機(jī)理還知之甚少，這是本文討論的主要內(nèi)容。

軸第1 次失效的開裂形貌見圖3。從圖中可以看到：開裂的疲勞源在鍵槽的拐角處（圖3a），但該裂紋并不深入軸心，而是沿圓周擴(kuò)展；在鍵槽的對稱位置還可以隱約看到尚未形成裂紋的材料損傷痕跡（圖3b）；除了該主裂紋外，在軸的表面還可見其他的小裂紋（圖3c）。這些細(xì)微裂紋是由于軸表面微動產(chǎn)生的，具有微動疲勞的特征。

圖3 軸第1 次失效開裂的形貌Fig.3 Morphology of the first failure crack of the shaft

起源于鍵槽底部拐角的裂紋，在微動磨損和疲勞損傷作用下造成軸的剝裂（Peeling）失效。軸表面有一薄層材料剝落，形貌如圖4 所示。其失效機(jī)理目前還不明確。

圖4 微動磨損造成軸的剝裂失效Fig.4 Peeling failure of the shaft due to fretting wear

第2 次軸失效的斷裂形貌見圖5，可見該斷口具有非常復(fù)雜的形貌。由圖5a 可以觀察到疲勞貝紋線（海灘花紋），但因斷口破碎，看不到疲勞源區(qū)的位置。斷口破碎也可能是扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效斷口的特征之一。

圖5 軸第2 次失效的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the second failure of the shaft

軸的2 次失效都與齒輪內(nèi)孔同軸的配合（H7/r6）表面的微動磨損有關(guān)。圖6 是兩次軸失效的配合表面微動磨損的形貌?？梢妰烧叩奈幽p形貌特征極為相似，只有磨損程度的不同而已。

圖6 軸兩次失效的微動磨損形貌Fig.6 Morphology of the failed shafts by fretting wear

值得注意的是：

1）第1 次高速軸是表面開裂，軸并沒有斷裂，這種表面剝離型的開裂極為少見。

2）第2 次高速軸是表面開裂引發(fā)軸斷裂，軸的斷口（碎裂型）比一般的疲勞斷口復(fù)雜得多。

3）軸的2 次失效原因是相互關(guān)聯(lián)的，可能都與微動損傷和多次沖擊疲勞有關(guān)。

4）軸2 次失效的使用時間都比較長（分別為2a 和10a），斷口都有疲勞特征的貝紋線，因此都屬于疲勞失效。

5）從圖2 軸承、齒輪安裝部位可見，軸的開裂和斷裂處都不是扭矩和彎矩（名義應(yīng)力σ、τ）最大的部位。

經(jīng)過多個環(huán)節(jié)的失效分析和資料檢索，可以認(rèn)為HS 減速機(jī)斷軸是一種目前很少見、機(jī)理尚不明確的“扭轉(zhuǎn)微動損傷+多沖疲勞失效”（此處“扭轉(zhuǎn)”的含義見表1）。軸的斷裂是一種特殊的疲勞斷裂-扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞斷裂。它是在嚴(yán)重的微動磨損、微動疲勞損傷的條件下，經(jīng)過多次沖擊載荷的作用而出現(xiàn)的一種特殊的失效模式。

表1 微動類別和微動模式Table 1 Categories and modes of fretting

扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞中的沖擊有2 方面的含義：1）受載零件的外加載荷是沖擊載荷，如隔膜泵載荷等；2）傳動系統(tǒng)自身的振動，特別是有間隙的扭轉(zhuǎn)振動（涉及間隙非線性動力學(xué)）造成的微動沖擊。

從目前收集到的資料和接觸到的失效案例來看，類似的軸失效多發(fā)生在數(shù)千kW 的大型機(jī)械設(shè)備上。本文提到的2 個案例和文獻(xiàn)[1]中的8 個案例就是對大型軸微動損傷的論述和報道。因此很值得作進(jìn)一步的研究，其目的是探索扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞產(chǎn)生的原因和失效的機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，這對于受沖擊振動的大型機(jī)械傳動裝置的設(shè)計和安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 減速機(jī)的工作條件

前述案例中的2 臺減速機(jī)高速軸的斷裂都與沖擊有關(guān)。此處的沖擊包含外載荷的沖擊和減速機(jī)自振動產(chǎn)生的沖擊，因此，有必要說明減速機(jī)的工作條件，以便于了解外載荷的沖擊振動情況。

2 次高速軸失效的減速機(jī)都用來驅(qū)動隔膜泵，故軸的失效必然與隔膜泵的特性有關(guān)。不同的泵產(chǎn)生不同程度的沖擊：1）輕微沖擊，離心泵、旋轉(zhuǎn)式軸流泵；2）中等沖擊，鍋爐離心供水泵、羅茨泵、活塞泵（三缸以上）；3）嚴(yán)重沖擊，離心泵（帶水箱）、泥漿泵、活塞泵（2 缸）。

減速機(jī)驅(qū)動的是隔膜泵。隔膜泵是一種容積泵。它依靠一個隔膜片的來回鼓動而改變工作室容積來吸入和排出液體。隔膜泵主要由傳動部分和隔膜缸頭兩大部分組成。傳動部分是帶動隔膜片回來鼓動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它的傳動形式有機(jī)械傳動（電動機(jī)-減速機(jī)-曲柄連桿）、液壓傳動和氣壓傳動等。其工作特性與往復(fù)活塞泵十分相似，因此，可以認(rèn)為隔膜泵的載荷具有往復(fù)沖擊的特性。

2 微動和微動損傷

為了說明扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效要討論和研究的內(nèi)容，首先要說明以下幾點(diǎn)：

1）微動損傷。

微動（Fretting）是一種運(yùn)動幅度很小的摩擦方式，目前可控制的微動振幅為0.05～300 μm，振幅大于300 μm 一般來說已經(jīng)不屬于微動了。圓球-平板接觸的微動（高副微動）有4 種基本的運(yùn)動模式：切向微動（Tangential Fretting）、徑向微動（Radial Fretting）、滾動微動（Rotational Fretting）和扭動微動（Torsional Fretting）[2]。此外，還有一種輪轂-直軸接觸的微動（低副微動）有3 種基本的運(yùn)動模式：扭轉(zhuǎn)微動（Torsional Fretting）、軸向微動（Axial Fretting）、彎曲微動（Bending Fretting）。如表1 所示。其中，扭轉(zhuǎn)微動是本文討論和研究的對象。

微動造成材料的損傷（Fretting Damage）通常表現(xiàn)為3 種形式：

a）微動磨損（Fretting Wear）?？梢鹣嗯淞慵g的松動和零件的疲勞。

b）微動疲勞（Fretting Fatigue）。配合件的微動可以萌生疲勞裂紋并加速裂紋的擴(kuò)展，使零件的壽命大大縮短。微動疲勞極限可低于普通疲勞極限的1/2～1/3，甚至只有普通疲勞極限的5%～10%[3-5]。

c）微動腐蝕（Fretting Corrosion）。相配件在腐蝕性介質(zhì)（如海水、酸雨、腐蝕性氛圍等）中的微動損傷。

以上3 種損傷可以在微動損傷中同時存在。國內(nèi)外學(xué)者對這3 種損傷（失效）的研究起步較早（約100 a 前），論文、參考文獻(xiàn)很多，如文獻(xiàn)[3,6-22]。但是本文不討論上述一般意義上的微動損傷。

2）沖擊疲勞（Impact Fatigue）。

在工程中，有很多機(jī)械的零件或構(gòu)件是在多次沖擊載荷下工作的，如鍛錘桿、鍛模、沖擊模等。由重復(fù)沖擊載荷引發(fā)零件的疲勞稱為沖擊疲勞（Impact Fatigue）或多沖疲勞（Multi-impact Fatigue）。當(dāng)受沖擊次數(shù)小于500～1000 即被破壞時，零件的斷裂形式與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于105才被破壞時，屬于沖擊疲勞失效。沖擊疲勞失效也有3 個階段：疲勞裂紋形成階段、裂紋擴(kuò)展階段和零件斷裂階段。其斷口也具有典型的疲勞特征：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。材料的高周沖擊疲勞性能可以用S-N曲線表示，與一般的S-N曲線相似，也可根據(jù)S-N曲線確定出沖擊疲勞極限值。沖擊疲勞極限值與普通的疲勞極限值有一定的差別，這種差別可以用沖擊疲勞系數(shù)來表達(dá)。沖擊疲勞系數(shù)為沖擊疲勞極限與普通的疲勞極限之比。例如，高溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.97～1.01，中溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.90～0.91，低溫回火鋼的沖擊疲勞系數(shù)為0.80～0.91。

國內(nèi)外學(xué)者對沖擊疲勞的研究已有很久的歷史，相關(guān)論文和參考資料很多，如文獻(xiàn)[23-24]。但是本文不討論上述一般意義上的沖擊疲勞。

應(yīng)該指出，上述討論的沖擊都是大行程沖擊，而不是下面討論的微動沖擊。

3）沖擊微動磨損（Impact Fretting Wear）。

在重復(fù)沖擊載荷作用下引發(fā)零件的微動磨損稱之為沖擊微動磨損。沖擊微動磨損存在于某些生產(chǎn)設(shè)備中，能檢索到不少國內(nèi)外有關(guān)的參考文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[4-5,25-32]。

4）扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞（Torsional Fretting Multi-Impact Fatigue）。

扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞這一新術(shù)語來源于上述減速機(jī)多次斷軸失效分析案例。

3 扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效實(shí)例的定性和失效模式

經(jīng)過初步失效分析得知，HS 減速機(jī)斷軸的失效模式為：在隔膜泵驅(qū)動的多次沖擊載荷（包含傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動）下，軸與輪轂、鍵與鍵槽發(fā)生了微動損傷（磨損），破壞了原有的過盈配合，配合件之間的過盈量越來越小，甚至出現(xiàn)間隙（實(shí)際測量證明了這一點(diǎn)），這就為多次松動沖擊提供了條件。值得注意的是，這種沖擊都是微動行程沖擊（微動沖擊），軸、鍵和鍵槽在多次沖擊載荷作用下就會出現(xiàn)疲勞失效3 個階段：疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和零件失穩(wěn)而斷裂（或開裂）。但是，其失效斷口的形貌和失效機(jī)理與一般的疲勞有很大不同。在多次微動沖擊下，還會造成零件的部分材料碎裂，其斷口具有非常復(fù)雜的形貌，這是微動多沖疲勞失效的顯著特點(diǎn)。減速機(jī)上鍵的碎裂、軸的剝裂和斷裂是很典型的微動多沖疲勞失效。試驗(yàn)研究表明，多沖疲勞的疲勞極限要比一般的疲勞極限低，加上微動疲勞極限甚至可低于普通疲勞極限的1/3，這就更容易引起零件的疲勞斷裂。因此，減速機(jī)斷軸可以定性為“微動損傷+多沖疲勞”斷裂（或剝裂）失效，可命名為微動多沖疲勞失效。由于該案例的微動（輪轂與直軸的微動）屬于扭轉(zhuǎn)微動（Torsional Fretting，見表1），因此，失效的全稱應(yīng)該是扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞（Torsional Fretting Multi-Impact Fatigue）失效。值得注意的是，目前對高副的扭動微動磨損（Torsional Fretting Wear）已有不少研究的報道，例如文獻(xiàn)[32-43]。本文討論的是低副的扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞。目前還沒有檢索到有與本文相同研究的報道。但是國外有一些與本文相關(guān)的報道和文獻(xiàn)，可作為進(jìn)一步研究的參考。

4 國外的相關(guān)報道

文獻(xiàn)[1]報道一個實(shí)例：美國某廠8 臺大功率壓縮機(jī)的軸和齒式聯(lián)軸器用4340 鋼制造，熱處理為調(diào)質(zhì)，硬度HRC 35～39。壓縮機(jī)的短時間工作功率為3730 MW（5000 馬力），長時間工作功率為2980 MW（4000 馬力）。軸上配置雙鍵和過盈連接來傳遞轉(zhuǎn)矩。8 臺壓縮機(jī)分別在2980 MW（4000馬力）下僅僅工作了數(shù)月，就有7 臺壓縮機(jī)的軸發(fā)生開裂（圖7），另1 臺壓縮機(jī)的軸發(fā)生斷裂（這與HS 減速機(jī)高速軸的失效十分相似）。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，軸的開裂和斷裂是由于軸同聯(lián)軸器配合面的滑動（Slippage，F(xiàn)retting）以及聯(lián)軸器軸線和壓縮機(jī)軸線錯位（Misalignment）造成的。文獻(xiàn)[1]還對起源于鍵槽底部圓角的裂紋做了描述（圖8）。

圖7 因微動磨損引起軸的開裂Fig.7 Cracking of the shaft due to fretting wear

圖8 起源于鍵槽底部圓角的裂紋Fig.8 Crack originating from the round corner at the keyway bottom

文獻(xiàn)[1]是目前檢索到論述這種因微動磨損引起軸開裂和斷裂最明確的報道，但該文獻(xiàn)中沒有對這種失效模式的機(jī)理做進(jìn)一步的理論探討。

目前檢索到的另一篇文獻(xiàn)[44]，論述了軸與輪轂過盈配合副的扭轉(zhuǎn)微動磨損和微動疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究的結(jié)果。作者采用試驗(yàn)的方法，研究了不同過盈配合結(jié)構(gòu)尺寸、載荷和接觸壓力等對微動磨損和微動疲勞強(qiáng)度的影響。為試驗(yàn)設(shè)計的扭轉(zhuǎn)微動疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)簡圖見圖9a。試驗(yàn)中有2 種試件，分別為具有溝槽的輪轂試件（圖9b）和不帶溝槽的輪轂試件，前者是研究的重點(diǎn)。

試驗(yàn)研究得到以下主要結(jié)論：

1）配合面的微動磨損隨著過盈配合的接觸壓力的增加而減少，這是因?yàn)榻佑|面滑動幅度減少的緣故。

2）在微動磨損的作用下，軸會逐步產(chǎn)生微動疲勞斷裂，但是當(dāng)接觸壓力很高時，軸的失效與一般的疲勞斷裂無異。

3）對于一定尺寸的軸，隨著圓角半徑r（圖9b）的增加，其微動疲勞極限也會增加。

圖9 扭轉(zhuǎn)微動疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)簡圖及試件Fig.9 Diagram of the torsional fretting fatigue strength testing machine and test piece

4）論文沒有涉及微動多沖問題，沒有論述微動疲勞斷口的特征，沒有研究扭轉(zhuǎn)微動疲勞的機(jī)理。

文獻(xiàn)[45]是文獻(xiàn)[44]論述軸與輪轂過盈配合副的扭轉(zhuǎn)微動磨損和微動疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究的續(xù)篇，論文中顯示扭轉(zhuǎn)微動磨損和微動疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)軸的失效形貌。圖10 是軸在過渡圓角r處的斷裂形貌，屬于一般的疲勞斷裂；圖11 是軸在過盈配合處斷裂的形貌（接觸應(yīng)力p=53.1 N/mm2，微動循環(huán)次數(shù)N=8.5×106），屬于微動疲勞斷裂。

圖10 一般的疲勞斷裂Fig.10 General fatigue fracture

圖11 軸在過盈配合處微動疲勞斷裂Fig.11 Fretting fatigue fracture at a shrink-fitted shaft

5 涉及到的重要問題

根據(jù)以上的論述，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效的研究要涉及到以下的重要問題：

1）扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞發(fā)生的條件和原因。

2）扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效斷口出現(xiàn)剝裂型開裂（圖4、圖7）的原因和機(jī)理，目前還缺乏研究，也未能找到有限元或其他的仿真方法。

3）扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞斷裂失效斷口規(guī)律性的形貌特點(diǎn)，斷口形貌極為復(fù)雜的原因。

4）扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞的疲勞極限量值，影響量值高低的物理參數(shù)。

5）預(yù)防扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效的方法和具體措施。

6 結(jié)束語

扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效的研究可以說是一個新課題，目前與該課題相同的研究文獻(xiàn)和報導(dǎo)尚未見到。因此很值得作進(jìn)一步的研究和探討，探索扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞產(chǎn)生的原因和失效的機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。這對于受振動沖擊的大型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計和安全運(yùn)行有重要的意義。本文根據(jù)失效分析工作中發(fā)現(xiàn)的軸的異常失效現(xiàn)象，即一種極為少見的軸的失效形式-扭轉(zhuǎn)微動多沖疲勞失效，提出進(jìn)一步的研究方向，以期引起失效分析工作者的關(guān)注并做進(jìn)一步地深入研究。