分享：某离心风机用电机轴断裂原因

轴是电机中重要的受力结构件，主要起到支撑转动零部件、传递旋转运动作用，轴同时承受扭矩和弯矩的作用。在交变应力的作用下，轴的变径处、键槽、装配件根部等位置存在明显的应力集中，易诱发微裂纹，从而导致轴发生疲劳开裂[1-8]。 

某离心风机用小型电机的功率为11 kW，转速为3 000 r/min，联机运行1 h后电机轴发生断裂，电机轴断裂于伸端装配轴承的根部。该电机通过直连刚性联轴器连接设备，轴直径为 45 mm，材料为热轧态45钢。笔者采用一系列理化检验方法分析了该电机轴断裂的原因，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

图1为断裂电机轴的宏观形貌。由图1可知：电机轴在变径位置退刀槽区域发生断裂，断口平齐，垂直于轴向，无宏观塑性变形，与内、外盖装配处存在严重的周向摩擦痕迹；截取一对匹配断口，可见断面整体较平坦，外沿光亮，呈明显的台阶特征，扩展棱线汇聚于偏离轴心部的“鱼眼区”；左侧断口“鱼眼区”内凹，保留断裂特征，但沿轴中心有一周向摩擦痕迹；右侧断口“鱼眼区”外凸，摩擦严重，附近有发蓝现象；退刀槽外沿存在明显的周向加工刀痕，微裂纹沿加工刀痕伸展。 

图  1  断裂电机轴宏观形貌

两侧断口的摩擦痕迹是由外凸“鱼眼区”在旋转过程中挤压造成的，这表明“鱼眼区”的形成时间晚于断面其他区域，应是最终瞬断区，说明裂纹起源于退刀槽外沿，最终在心部发生断裂。 

1.2   扫描电镜（SEM）分析

利用扫描电子显微镜观察电机轴断口的微观形貌，结果如图2所示。由图2可知：部分裂纹起始区域可见机械损伤的迹象，未受损伤的区域可见精细的疲劳辉纹，辉纹的弧线圆心指向轴外侧；裂纹扩展区可见疲劳辉纹和二次裂纹，且这些条带的宽度明显大于裂纹起始区域；瞬断区呈韧性断裂特征。 

图  2  电机轴断口SEM形貌

电机轴的断裂形式为高周疲劳断裂，且裂纹起始区位于轴外侧。高周疲劳断裂通常与循环应力有关，表现为断口上的平行疲劳条带，这些条带是裂纹疲劳扩展过程留下的痕迹。 

1.3   化学成分分析

利用电火花直读光谱仪对断裂电机轴进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂电机轴的化学成分符合JB/T 1271—2014《交、直流电机轴锻件 技术条件》的要求。 

1.4   力学性能测试

沿断裂电机轴纵向取样，对试样进行常温拉伸试验和U型缺口冲击试验，结果如表2所示。由表2可知：断裂电机轴的强度、塑性及冲击韧性均符合JB/T 1271—2014的标准要求。 

1.5   金相检验

沿电机轴纵向取金相试样，将试样打磨、抛光后，利用光学显微镜对其进行观察。依据GB/T 10561—2023 《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，基体区夹杂物评级为AT0，AH0，BT0，BH0，CT1.0，CH0，DT1.0，DH0，DS0级，夹杂物含量较低。断裂电机轴的显微组织形貌如图3所示。由图3可知：试样基体区的组织为铁素体+珠光体，铁素体呈网状分布，呈轻微的带状特征，晶粒均匀、细小，为45钢正常热轧态组织[9]；断口区组织与基体区未见明显差异，未见明显冶金夹杂或热加工缺陷。 

图  3  断裂电机轴的显微组织形貌

1.6   退刀槽圆角尺寸及粗糙度测量

在退刀槽圆角R附近沿轴纵向取金相试样，试样的微观形貌和表面三维形貌如图4所示。由图4可知：圆角R尺寸（半径）为0.74 mm，满足图纸要求（R=0.5 mm）；垂直于刀痕方向的线粗糙度为16.0 μm，粗糙度较大。 

图  4  退刀槽试样的微观形貌和表面三维形貌

2.   综合分析

该断裂电机轴的断口平齐、垂直于轴向、塑性变形不明显、存在明显挤压痕迹，断面可见细密疲劳辉纹和二次裂纹，辉纹弧线的圆心指向轴外沿、条带尺寸明显宽于断裂源区，表明电机轴发生了高周疲劳断裂，裂纹扩展过程中电机轴受力均匀、稳定。结合现场运行情况，电机运行约1 h后电机轴发生断裂，电机轴转速为3 000 r/min，循环次数超过1.8×105次，具备高周疲劳工作条件。疲劳裂纹起源于表面退刀槽的整个圆周，有明显的台阶特征，为多源疲劳开裂，进一步表明该处存在明显的应力集中。 

该断裂电机轴的化学成分和力学性能均符合标准要求，材料中的非金属夹杂物含量较低，显微组织正常。表明电机轴的材料及热处理状态无异常。此外，裂纹附近也未见异常组织、冶金缺陷或热加工缺陷。然而，在交变应力作用下，热轧态45钢的强度偏低，其表面抗疲劳开裂能力不足。因此，有必要换用调质态45钢，以提升电机轴可靠性。 

加工制造方面，退刀槽表面明显可见周向加工刀痕，微裂纹沿加工刀痕伸展。经测量，退刀槽圆角R尺寸满足图纸要求，而粗糙度为16.0 μm，表明表面加工质量较差，造成局部应力集中。由此表明，退刀槽表面加工较粗糙诱发了裂纹的萌生。 

该断裂电机轴断口试样的瞬断区仅占整个断面的1%~2%，表明电机轴工作时所受的名义应力较小，排除电机载荷较大的可能。此外，瞬断区偏离轴的中心，且轴与内、外盖装配处均存在严重的周向磨痕，理论上轴与二者应为间隙配合，说明电机轴存在偏轴旋转的情况，运转过程中弯矩较大。造成电机轴偏轴旋转的因素包括电机转子不平衡、电机与连接设备不对中、轴装配不对中、电机整机振动等，需要对电机进行进一步排查。

3.   结论与建议

该断裂电机轴的断裂形式为高周疲劳断裂，电机偏轴旋转，退刀槽加工较粗糙，热轧态45钢强度偏低，最终导致电机轴发生断裂。 

建议排查电机、轴、转子以及与设备的装配情况，提升退刀槽表面加工质量，换用调质态45钢电机轴，以提升轴的可靠性。

文章来源——材料与测试网