嘉峪检测网 2025-05-23 15:30
导读：对失效电动机主轴化学成分、力学性能、断口低倍形貌、断口扫描数据及使用状况等进行分析。
对失效电动机主轴化学成分、力学性能、断口低倍形貌、断口扫描数据及使用状况等进行分析。结果表明：断口为疲劳断裂形貌，断口有明显的裂纹源、扩展区有明显的疲劳辉纹；电动机主轴表面有X形状裂纹，裂纹扩展方向与电动机主轴轴向呈45°，断口具有扭转断裂特征。失效原因为电动机主轴在谐振的作用下，产生扭振疲劳裂纹。
1.问题的提出
某除尘用增压鼓风机的电动机在运行仅2.5个月时，监控人员发现电动机主轴轴瓦温度突然升高，停机检查后发现电动机主轴有X形裂纹，用PDXUC-320C型超声探伤仪对其进行检测，发现裂纹最深约53mm，上下轴瓦均有损伤，将电动机主轴拆下后，发现电动机主轴和筋板上均出现裂纹（见图1），其中电动机主轴的轴承支撑处产生与轴向呈45°裂纹（见图2），轴肩处产生X形交叉裂纹（见图3）。
电动机主轴技术要求：电动机主轴选用的材料为16Mn钢，轴长度为4275mm，各区位（不包含肩档）直径225～250mm；工艺过程为锻造→正火＋回火→焊后消除应力处理。
2.试验分析
1.对电动机主轴进行分区超声波检测
（1）电动机主轴分段检测电动机主轴左侧为A端，右侧为B端（见图4、图5），将其分为001～006检测段（见图6）。
（2）电动机主轴的超声波检测结果001段未检测出缺陷；002段存在连续性超标缺陷，缺陷位置为002段与003段交界台阶左侧80mm处3～8点方向，深度为43～48mm；003段存在连续性超标缺陷，缺陷位置为002段与003段交界台阶右120mm处整个圆周，深度为45～53mm；004段、005段、006段均未检测出缺陷。
2.理化试验
对材料进行化学成分分析及力学性能试验。
（1）化学成分分析：取样部位在轴的两端，A端和B端，检测结果见表1。
（2）力学性能试验根据标准JB/T1271—2014《交、直流电动机主轴锻件技术条件》的规定，在电动机主轴的A、B端取样试验，冲击性能试验结果见表2，拉伸性能试验结果见表3。
（3）微观组织检测样品001～003段低倍组织检测结果见表4；电动机主轴非金属夹杂物微观形貌如图7所示，其检测结果见表5。电动机主轴裂纹处金相组织如图8、图9所示；电动机主轴心部A、B端金相组织分别如图10、图11所示。
3.断口形貌
（1）断口低倍形貌通过断口宏观观察及金相显微镜检测，断口有明显的裂纹源、裂纹扩展区，裂纹扩展区有疲劳辉纹，如图12、图13所示。
（2）断口扫描通过Apreo2扫描电镜观察断口裂纹源微观形貌，裂纹源位于轴的表面，裂纹由表及里开裂，部分原始裂纹形貌已被磨损，如图14、图15所示；同时，可以看到裂纹扩展区形貌（见图16）和裂纹扩展区进一步放大次生裂纹（见图17）。
3.使用工况与数据
1.使用场景
电动机用于脱硫除尘增压鼓风机上，扭矩较大，增压鼓风机外观如图18所示，鼓风机运行监控记录如图19所示。
2.电动机运行记录数据
从图19可看出，发生故障时，电动机主轴轴瓦温度迅速升高，出现峰值，然后下降；在某一时刻，电动机转动频率急速下降，下降途中出现台阶，然后降到零。
4.分析讨论
1）根据电动机对主轴的超声波检测可知，在002段检测出连续性裂纹缺陷，位置在002段与003段交界台阶左侧80mm处3～8点方向，裂纹深度为43～48mm；在003段存在连续性裂纹缺陷，位置在002段与003段交界台阶右侧120mm处整个圆周，裂纹深度为45～53mm；其他部位均未检测出缺陷。
2）样品23090017-001、23090017-003的化学成分和力学性能检测结果符合JB/T1271—2014《交、直流电动机主轴锻件技术条件》的规定。
3）样品23090017-001～003的低倍组织、金相分析结果表明，其显微组织为16Mn钢大锻件正火后的正常组织，且与力学性能检测结果相匹配。
4）疲劳断裂具有扭振破坏特征，根据样品23090017-002的断口宏观及扫描电镜分析表明，裂纹源自轴的表面，裂纹由表面向中心扩展，其断口形貌可见明显的疲劳扩展辉纹及二次裂纹，断裂形式为疲劳断裂，符合周期性往复作用力导致裂纹产生的特征；电动机主轴是一个旋转体，运行中发生扭转振动，多处轴表面裂纹形貌呈X形，裂纹走向与轴向呈45°，因此该轴裂纹失效，具有扭振破坏的特征。
5）谐振加速了电动机主轴开裂，当电动机转动频率下降、中途出现频率台阶时，轴瓦温度急剧升高，说明此时电动机主轴已经产生裂纹，而这个裂纹的产生与谐振有关，此时电动机主轴振动幅度最大，承受的应力也最大。电动机主轴在交变作用力下往复运动，发生疲劳断裂，裂纹扩展区域内部产生次生裂纹。
综上所述，电动机主轴非裂纹失效部分经化学成分分析、金相组织检测、力学性能试验，以及超声波、扫描电镜检测，均符合低倍组织和显微组织为16Mn钢大锻件的正常正火组织及其力学性能。
5.结论
综上所示，可得出如下结论。
1）电动机主轴非裂纹失效部分经化学成分分析、金相组织检测、力学性能试验、超声波及扫描电镜检测，符合低倍组织和显微组织为16Mn钢大锻件的正常正火组织与其力学性能。
2）样品23090017-002断口分析结果表明，其裂纹源自轴表面，断裂机制为疲劳断裂，裂纹走向具有扭振破坏的特征。
3）该电动机主轴的疲劳裂纹与电动机主轴产生谐振有关。
来源：山东微谱技术有限公司
