离心泵泵轴发生断裂失效的原因分析

材料分析

1.1 成分分析

采用只读光谱仪ARL3460进行标样分析：

断轴本体的化学成分如表1所示。由表1的结果可知，轴的材质符合GB/T1220。

1.2 力学性能分析

在泵轴上取一段长度为150mm的试料，按GB/T2975-2009加工成试棒，利用液压式万能材料试验机SHT4605按照GB/T228-2009对其进行力学性能实验，测试结果见表2。

由表2和表3的数据对比可知此断裂泵轴主要力学性能均达到GB/T1220-2007所规定的标准值。

2 轴受力分析

由于泵运转过程中泵轴螺母段受轴向力、扭转应力、预紧力等多种形式力，因此需要对轴的强度进行校核。因为轴是从叶轮螺母处断裂，因此可以把这一段定位危险断面，此处主要承受叶轮轴向力及叶轮螺母预紧力。

2.1 压应力

根据实际参数：流量Q=170m3/h，揚程H=110m，转速n=1450r/min，入口压力p=0.6MPa，介质（黑水）密度ρ=980kg/m3，功率P=132kW，最小轴径d=27mm，螺纹孔内径d1=12mm，可得：轴向力A=19401N（计算公式引用《现代泵技术手册》。

由于叶轮螺母处由于装配、水力等原因，实际受力情况比较复杂，还有一些力无法量化计算，此处安全系数还比较小。

3 断面分析

①断裂处为轴头螺纹根部退刀槽处，螺纹为M30，退刀槽段最小直径Φ27，为圆弧过渡，过渡区有一钝刀痕迹，根据经验此处易产生应力集中；②断口出现不规则形状且绕中心成扭曲形态，说明其产生了塑性变形，而非脆性断裂；③观察轴断面可以看到断裂处有明显颈缩现象，表面有介质腐蚀或者高温留下的一层氧化膜，断口中心已经开裂。

4 结束语

综上所述，泵轴材质及力学性能满足，然轴头加工螺纹时设有退刀槽且有锐利尖角，致使泵运转时应力集中于退刀槽处，轴头钻有M12的螺丝，使其抗疲劳强度大大降低，当泵运转一段时间后，轴在应力过于集中、抗疲劳强度降低的情况下发生颈缩现象，材质表面出现裂纹且向内部延伸，当外部作用于轴上的力超过其临界值时，轴从最脆弱处即退刀槽处发生断裂失效。

参考文献：

[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011（4）.