1.2 工程中的典型微动失效问题

理论上讲，凡是相互接触的构件，在振动环境或受到交变载荷作用时，接触区域均会产生微动现象。在机械行业的很多部门，如航空航天、核能工业、铁路运输、海洋船舶等部门均有因微动引发的失效问题，甚至在生物医学、电子工业等领域也存在因微动导致的严重失效。

由于微动疲劳的隐蔽性强，失效形式与常规疲劳和磨损现象类似，导致失效分析中难以甄别，现将典型的微动疲劳问题总结如下，以供参考。

1.2.1 各种紧固连接结构

常用的紧固连接方式，如螺栓连接和铆接等，当被连接件承受横向交变载荷（平行于接触面方向的载荷）或处在振动环境中时，均易发生由微动引起的失效。虽然螺栓或铆钉的预紧作用将被连接件压紧在一起，根据圣维南原理可知，预紧力的作用范围是有限的。如图1.4所示，距离预紧力作用点越远，接触压力越小，导致当被连接件承受横向载荷作用时，接触区外沿会发生微动现象。易发生微动损伤的位置如图1.5所示。

典型案例1：某强化V型柴油机机体-主轴承座紧固面微动疲劳问题。

某V型柴油机样机在进行耐久性考核至387h时，机体第二隔板发生疲劳破坏，拆解后发现，主轴承盖与机体隔板紧固连接位置有明显的磨损现象，裂纹在主轴承盖与隔板的紧固面的中间部位萌生，进而不断扩张。至发现故障停机时，机体隔板仅有一侧约50mm与机体相连。其微动疲劳失效如图1.6所示。

典型案例2：飞机蒙皮铆接的微动疲劳失效。

2002年5月25日，中国台湾“华航”B747-200 B型飞机发生坠海事故，导致225名乘客及机组成员遇难。事故调查原因为机尾下方蒙皮的铆接处发生微动疲劳，导致机体结构损坏。飞机蒙皮铆接孔附近的微动疲劳裂纹如图1.7所示。北大西洋公约组织航空研究报告指出，约90%的飞机结构件的疲劳破坏起始于微动造成的损伤。

典型案例3：种植牙的微动损伤问题。

种植牙是一种常规的口腔外科手术，采用带螺纹的牙根材料与牙床紧固连接，并在其上安装人工牙冠。由于金属钛耐磨性和耐腐蚀性好，弹性模量低，与骨相近，能产生共振；无毒无副作用，无刺激，在体内能够保持长期稳定，生物相容性好，为牙根的理想材料。然而，如图1.8所示，由于牙齿在咀嚼过程中受到交变载荷的作用，钛合金牙根易发生微动疲劳失效。

1.2.2 榫连接

榫连接结构是工程中一种重要的连接形式。最典型的应用为航空发动机轴流式压气机、涡轮以及燃气轮机等动力机械中叶片与轮盘之间的连接。首先，由于结构极其复杂，将轮盘与叶片整体加工工艺上很难实现。其次，涡轮等部件通常工作在较高的温度下，为避免热应力带来的轮盘与叶片的疲劳问题，需要采用间隙配合的方式进行装配。再次，由于气动效应的影响，叶片在工作过程中会产生高频振动，利用榫连接产生的接触阻尼作用，可缓解振动对叶片带来的危害。基于榫连接的上述特点，导致其叶片榫头与轮盘榫槽接触位置易发生微动疲劳问题。图1.9所示为航空发动机叶片的工作状态与受力特点。在非工作状态下叶片与轮盘处于放松状态，随着发动机转速的增加，叶片在离心力的作用下通过榫连接结构与轮盘压紧在一起，由于气动力作用，导致叶片发生摆动，进而在榫连接接触面上产生微动损伤。由图1.10可知，榫头接触区在微动作用下会产生纵向和横向的裂纹，其中横向裂纹的扩展是导致叶片断裂的主要原因。接触区的应力分布也表明，榫头发生横向裂纹的位置也基本为接触应力及切应力最大的位置。

典型案例：航空发动机压气机叶片断裂问题。

2016年11月26日，一架载有357人的斯库特（Scoot）航空公司的B787-9执行由悉尼开往新加坡的航班任务时发生右侧发动机停车故障。在这次事件后，又发生了两起类似的故障，所幸均未造成人员伤亡。拆解故障发动机发现，其第一级中压压气机1片叶片丢失，7片叶片根部榫头侧面处有裂纹，长度为30.5mm，其余叶片榫头与榫槽接触的表面上均有明显的磨蹭痕迹。事故原因初步判断为叶片设计及安装不合理导致的微动疲劳问题。失效压气机及叶片如图1.11所示。

1.2.3 弹性支撑与间隙配合

对于某些夹持机构或支撑结构，虽然在接触面切线方向不受载荷作用，但由于振动、构件变形等原因，法向载荷发生变化，进而影响接触区的范围和接触状态。在反复挤压过程中，接触区的边缘会发生相对滑动，进而产生微动损伤。典型的接触状态与应力分布如图1.12所示。该微动状态会导致零部件的过度磨损，一般不会发生疲劳破坏。

典型案例：核电站反应堆蒸汽发生器微动磨损问题。

蒸汽发生器是核电站的关键设备，由于热交换管路中导热介质的高速流动，管路和其支撑结构之间发生流致振动，进而产生微动磨损。对安全性要求极高的核电设备来说，管路的微动磨损直接关系到放射性物质的泄漏问题（见图1.13），是非常严重的安全事故。如2012年美国Songs核电站蒸汽发生器传热管严重微动磨损，致使2台核电站机组关停，造成重大经济损失。美国电力研究会指出，世界范围内50%以上的压水堆机组都有传热管微动磨损发生。

1.2.4 过盈配合

过盈配合是一种常用的紧固连接方式。依靠轴与孔装配产生的弹性压力，起到轴向和周向固定的作用。该连接形式简单，同轴性好，能承受较大的轴向力、扭矩及动载荷。如图1.14所示，当过盈配合零件受到弯矩作用时，接触区边缘的接触压力将减小，同时受到弯曲变形的作用，会产生相对滑移进而导致磨损。同时，在交变弯曲应力的作用下，磨损区产生裂纹并最终导致零部件的断裂，是典型的微动疲劳问题。

典型案例：列车轮轴的冷切问题。

列车车轮和轮轴是通过过盈配合压装在一起的。轮对在反复旋转运动过程中，轮轴配合位置经受旋转弯曲载荷的作用，在过盈配合边缘产生微动磨损，最终导致轮轴的微动疲劳断裂，称之为轮轴冷切。轮轴的受力状态和微动损伤如图1.15所示。

1.2.5 柔性绳索

如图1.16所示，钢丝绳、电缆的股与股之间是通过螺旋形式缠绕在一起的。这一特殊结构导致股与股之间形成点接触或线接触状态。当这些绳索受到轴向力作用时，股与股之间会发生挤压并同时发生周向的转动，导致微动磨损进而发展为微动疲劳断裂。

典型案例：高压输电线的疲劳断裂。

常用的高压输电线为多股钢线和铝线绞拧而成，在自身重力和风载荷等的作用下，绳股内部会受到交变的拉力作用。各股之间相互摩擦发生微动疲劳问题。典型失效状态如图1.17所示。