某型齒輪泵傳動軸花鍵斷裂故障分析

摘 要：【目的】探究某型齒輪泵隨限速器長試過程中發生傳動軸花鍵斷裂的原因，提高齒輪泵的壽命和可靠性。【方法】通過理化分析、結構設計復查以及有限元仿真等方法對傳動軸花鍵進行失效分析。【結果】傳動軸花鍵采用的電火花加工工藝方式是疲勞裂紋萌生的主要原因，同時限速器與齒輪泵安裝接口倒角尺寸超差，裝配擰緊后密封圈擠出密封區域，導致齒輪泵端蓋承受異常支反力產生變形，影響內部零件結構間隙，最終造成傳動軸轉動卡死并斷裂?！窘Y論】針對傳動軸花鍵斷裂原因，制定了改善加工工藝方式、加強接口尺寸控制等措施，經仿真分析和試驗驗證，證明了以上措施的可行性。該問題的解決提高了齒輪泵的使用壽命和可靠性，為同類傳動軸斷裂故障分析提供了依據和參考。

關鍵詞：傳動軸花鍵；失效分析；電火花加工；可靠性

中圖分類號：TG333" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0032-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.006

Fault Analysis of Spline Fracture of Transmission Shaft of a Certain Type of Gear Pump

SUN" Yubo1 WANG Xin2 XIE Chunlei2

（1.Military Representative Office of Haizhuang Stationed in Luoyang Hrea，Luoyang" 471000，China;

2.Xinxiang Aviation Industry Group Co.，Ltd.， Xinxiang" 453003， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to identify the reasons for the spline fracture of the transmission shaft of a certain type of gear pump during the long - term test with a speed limiter and to improve the life and reliability of the gear pump.[Methods] In this paper， failure analysis of the transmission shaft spline was conducted through physical and chemical analysis， structural design review， and finite - element simulation calculation methods.[Findings] The use of the electric spark machining process for the transmission shaft spline is the main cause of the initiation of fatigue cracks. Meanwhile， the chamfer size of the installation interface between the speed limiter and the gear pump exceeds the tolerance. After assembly and tightening， the sealing ring is extruded out of the sealing area， causing the end cover of the gear pump to bear abnormal reaction forces and deform， affecting the structural clearance of internal parts， and finally resulting in the rotation of the transmission shaft being stuck and fractured.[Conclusions] Improvement measures such as optimizing the machining process and tightening the control of interface size have been formulated according to the reasons for the fracture of the transmission shaft spline. Through simulation analysis and experimental verification， the feasibility of these measures has been proved. The solution of this problem has improved the life and reliability of the gear pump and provided a basis and reference scheme for the analysis of similar transmission shaft fracture failures.

Keywords： transmission shaft spline; failure analysis; electric spark machining; reliability

0 引言

齒輪泵作為機械能轉換為液壓能的主要液壓元件，其傳動軸是能量傳遞過程中的關鍵零部件［1］。傳動軸的設計需要經過詳細計算才能確保其強度和剛度足以支撐正常運行。但在實際運行過程中，軸失效的情況經常發生，不僅會產生一定的經濟損失，而且可能造成人員傷亡，因此受到行業內的普遍重視［2］。某型齒輪泵隨限速器長試過程中出現傳動軸花鍵斷裂故障，極大影響了飛機安全以及研制進度。該齒輪泵傳動軸材料4Cr5MoSiV1是空淬硬化熱作模具鋼，該鋼有較好的熱強性、高韌性、耐磨性，適用于工作溫度500℃～520℃以下的轉子、葉輪、發電機環鍛件及其他高應力下工作的重要零件及齒輪等［3］。

本研究通過斷口分析、金相檢查及材質分析等方法對傳動軸進行失效分析，并針對齒輪泵結構進行設計復查，深入分析傳動軸斷裂原因，采用ANSYS軟件計算齒輪泵結構應變分布情況，找出導致傳動軸發生斷裂故障的主要原因，并提出相應的改進措施。圖1是傳動軸花鍵斷裂位置及形貌。

1 產品結構概述

某齒輪泵主要由上端蓋、泵體、下端蓋、齒輪、軸承及傳動軸等組成，產品結構示意如圖2所示。

齒輪泵與限速器采用4個M6×50的螺栓裝配連接，接口倒角處采用密封圈防止介質泄漏。螺塞穿過殼體與泵蓋的通孔安裝至限速器，并加載10 N·m 的擰緊力矩。接口結構組成如圖3所示。

2 傳動軸理化分析

2.1 材料成分分析

傳動軸材料為4Cr5MoSiV1，使用Niton XL2手持光譜儀對斷裂傳動軸進行材料成分檢測，主要合金元素含量符合《工模具鋼》（GB/T T299—2014）標準要求［4］，材料成分檢測結果見表1。

2.2 斷口分析

傳動軸斷裂部位位于傳動花鍵處，斷口呈約45°螺旋狀。斷口上有明顯的疲勞弧線及疲勞溝線，并且在疲勞裂紋擴展過程中，斷口的兩個匹配面不斷摩擦擠壓，產生的深棕色氧化現象。該斷口為典型的疲勞斷口。主斷口附近還有幾處次生開裂部位，斷口均有疲勞弧線及疲勞溝線，呈現典型的多源疲勞開裂特征，斷口上大部分區域為疲勞擴展區。斷口形貌如圖4所示。

經工藝復查，齒輪泵傳動軸花鍵是電火花加工成型，表面有金屬熔化而形成的凹坑及凸起，同時表面分布大量細微的網狀裂紋。通過斷口分析，疲勞起源于微裂紋處，具體如圖5所示。

2.3 金相檢查

對傳動軸花鍵部位取樣進行金相分析。金相組織為晶粒較為細小的回火馬氏體，金相組織正常，但花鍵表面分布較多的微裂紋，檢查結果如圖6所示。

3 結構設計分析

3.1 傳動軸花鍵強度設計校核

機械設計手冊上花鍵強度的計算見式（1）。

[P=2 000Tψzhldm] （1）

式中：[ψ]為載荷分配不均勻系數，與齒數多少有關，一般取[ψ]=0.7～0.8，齒數多時取偏小值；z為花鍵齒數，取14；l為花鍵齒的工作長度，取16 mm；h為花鍵槽齒側的工作高度，漸開線花鍵；m為模數，單位mm，當[α]=30°時h=m，當[α]=45°時h=0.8 m；dm為花鍵分度圓直徑，7.408 mm，經計算本研究花鍵強度為33.1 MPa。查機械設計手冊［5］，花鍵許用強度為40 MPa，因此花鍵強度滿足要求。

3.2 齒輪泵內部零件間隙設計分析

對齒輪泵內部結構尺寸鏈設計進行計算，內部端面間隙為0.038～0.048 mm，符合設計要求。

3.3 接口尺寸分析

3.3.1 密封圈設計復查。檢測密封圈對齒輪泵安裝限速器起始扭矩狀態的影響，齒輪泵裝密封圈后裝配限速器，傳動軸無法轉動；卸下密封圈，傳動軸轉動靈活。根據安裝結構狀態，繪制密封圈壓縮示意如圖7所示，并對密封圈的壓縮量進行計算。

假設此處為理想軸向密封結構形式，經計算，軸向密封深度h約為1.35 mm，壓縮量D-h為0.55 mm，壓縮率Y約為28.9%。

查《O形橡膠密封圈 溝槽》（HB 7520—97）標準，當密封圈截面直徑為1.8 mm，軸向密封最大深度為1.33 mm，最大壓縮率為34.5%，此時密封結構滿足要求。但是實際工況中，由于下端蓋與限速器的接口影響，密封圈的壓縮量要遠大于理想軸向密封結構形式。經計算，密封圈截面面積Sm約為2.83 mm2，密封間隙橫截面積SACE為2.91 mm2。

根據密封圈的壓縮率計算分析，密封接口處給密封圈留存了一定的間隙，在4個M6螺栓擰緊力作用下齒輪泵與限速器接口的密封結構會使齒輪泵下端蓋承受更加嚴苛的載荷。對密封圈受力狀態進行仿真分析，將分析模型簡化為軸對稱模型，泵蓋固定，工裝向下移動至泵蓋接觸，仿真結果如圖8至圖10所示。通過仿真分析，正常裝配下泵蓋受到密封圈擠壓變形產生的支反力為330 N。

齒輪泵內部間隙在0.038～0.048 mm之間，為了進一步分析密封圈產生載荷對齒輪泵內部結構變形的影響，對齒輪泵下端蓋安裝變形情況進行仿真分析。齒輪泵與限速器采用4個M6螺栓連接，擰緊力矩10 N·m，查閱相關標準，螺栓擰緊扭矩對應安裝預緊力為12 500 N。此時，對密封圈與下端蓋結合面施加正壓力，邊界條件如圖11所示。在安裝螺栓處施加預緊力載荷，分析泵蓋變形情況。

泵蓋在安裝預緊力作用下的變形云圖如圖12所示，最大形變量為0.052 mm。施加壓力與泵蓋變形量曲線如圖13所示，施加壓力與泵蓋變形量呈線性關系。當施加壓力15 000 N時，泵蓋變形量達到0.05 mm，大于齒輪泵預留的內部間隙，傳動軸將無法轉動，發生過載斷裂。因此，在正常裝配情況下，密封圈變形提供的支反力遠小于泵蓋變形施加的壓力。

3.3.2 限速器接口復查。對限速器接口相關尺寸進行計量，倒角尺寸值2.20×45.01°與接口要求尺寸（2.5×45°）相比存在明顯偏差。

根據圖7密封圈壓縮示意計算可得：

軸向密封深度h約為1.14 mm，壓縮量D-h為0.76 mm，壓縮率Y約為40%，密封間隙橫截面積SACE為2.205 mm2 ＜Sm。

計算結果表明接口倒角尺寸的超差會導致密封圈的壓縮率偏大，密封間隙橫截面積小于密封圈截面面積，密封圈出現根切現象。圖14為實物分解后密封圈出現的根切現象形貌。

對該接口倒角進行仿真，分析泵蓋受密封圈變形的支反力情況。以倒角尺寸值2.2 mm建立仿真模型如圖15所示。

圖16為密封圈的擠壓變形狀態。密封圈在倒角2.2 mm接口尺寸下會受壓，出現根切現象。圖17為泵蓋受到密封圈擠壓變形情況。泵蓋受到密封圈擠壓變形的支反力為14 000 N，接近泵蓋變形所承受的軸向力15 000 N使齒輪泵下端蓋產生0.05 mm左右的變形量，影響齒輪泵內部結構間隙，傳動軸無法轉動。

4 分析與討論

對傳動軸工藝復查結果為電火花加工。電火花加工是利用兩個電極間脈沖放電產生的瞬時高溫燒蝕作用去除金屬的特種加工方法。高溫燒蝕作用會使金屬表面出現電蝕坑，同時零件表面瞬時達到高溫并迅速冷卻產生很大的拉應力，易形成顯微裂紋，而拉應力和顯微裂紋會大

大降低零件表面的疲勞強度。同時，電火花加工的表面耐疲勞性能比機械加工的表面耐疲勞性能低幾倍。傳動軸花鍵經過電火花加工，表面出現電蝕坑及網狀微裂紋。對斷裂件附近的次生斷口形貌進行分析，發現該斷口為典型的多源疲勞斷口。斷裂起源于表面微裂紋，在表面拉應力及工作應力的作用下不斷擴展，使有效截面不斷減小，當剩余截面強度不足以承受工作載荷時，傳動軸斷裂。

齒輪泵通過4個M6×50螺釘、密封圈安裝在限速器上。根據仿真結果，正常裝配時，下端蓋產生的支反力不大于400 N·m。當限速器接口倒角尺寸偏小時，會造成密封圈壓縮率增大，密封間隙橫截面積小于密封圈截面面積。在M6螺栓擰緊裝配過程中會對下端蓋產生異常支反力（大于10 000 N·m），從而導致下端蓋出現變形，影響齒輪泵內部零件間隙，傳動軸無法轉動，甚至發生斷裂。

針對故障原因，提出了以下改進措施：①調整密封安裝的接口倒角尺寸，對接口平面度等做加嚴控制。②改善傳動軸花鍵的加工工藝，對外花鍵進行銑削加工替代電火花加工，并對關鍵尺寸進行三定設定，嚴格按照程序進行，避免材料本身微裂紋的產生，提高軸的疲勞強度。

5 結語

本研究通過理化分析、結構設計復查以及有限元仿真等方法對傳動軸進行了失效分析，找出了傳動軸花鍵斷裂的原因，并提出了相關的改進措施，解決了齒輪泵傳動軸花鍵斷裂故障。本研究通過原因分析和措施驗證，為傳動軸花鍵斷裂問題的分析和解決提供了思路和方法，對提高齒輪泵的可靠性具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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［2］高軍，雷萬慶，談軍，等.循環泵傳動軸斷裂原因分析試驗［J］.機械研究與應用，2019，32（5）：19-21.

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［4］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：北京理工大學出版社，1998.

［5］成大先.機械設計手冊：機械傳動［M］.北京：化學工業出版社，2010.