双螺杆挤出机在工程塑料的改性、造粒、预混等生产中大量使用,而螺杆轴是挤出机的重要构件之一,它的生产、安装、调试都需要耗费大量的人力物力,一旦发生失效,将会给企业带来严重的经济损失以及人员伤亡,严重威胁企业生产安全。所以对螺杆轴进行失效机理研究并提出合理有效的改进措施,可以预防同类事故的再次发生,保证设备的本质安全,从而促进企业实现安全生产的目的。本文的研究对象为发生断裂失效的螺杆花键轴,首先对螺杆花键轴材料进行理化性能检验,然后通过有限元数值模拟分析以及疲劳特性研究,对螺杆花键轴的断裂失效机理进行了深入探究,主要内容包括:首先,从化学成分分析、力学性能分析、金相组织分析和断口形貌分析对螺杆花键轴样品进行理化性能分析。结果表明,螺杆花键轴的疲劳裂纹起源于花键齿根部,且存在多个疲劳源,在此区域还存在应力集中现象。而螺杆花键轴的力学性能不均匀,截面收缩率低于标准值,且边缘硬度高、韧性低,更易造成裂纹的萌生。其次,采用ANSYS软件静力学结构分析模块对螺杆花键轴进行了结构应力分析。结合螺杆轴的实际运行工况及受力情况,将不同形式的螺杆芯轴及螺节元件进行对比分析。结果发现,渐开线花键芯轴的最大等效应力低于六方形芯轴。而对于花键芯轴来说,最大等效应力位于花键齿根,并且存在明显的局部应力集中现象,螺杆花键轴的过渡区域,属于结构中薄弱的部位,且与实际断裂位置相吻合。再次,通过进行拉压疲劳试验,得到螺杆花键轴材料疲劳寿命与相应的应力数据。利用这些数据进行理论计算得到螺杆花键轴的疲劳强度极限和S-N曲线斜线部分的函数表达式,对进一步预测材料的疲劳寿命以及安全寿命的设计有重要参考意义。最后,对螺杆花键轴进行失效原因综合分析,得到了花键轴断裂失效的机理,在此基础上提出了改进建议。确定了螺杆花键轴断裂的主要原因就是花键齿根部应力集中。而螺杆花键轴材料力学性能不均匀,在生产加工中存在填料不稳定、跳闸等现象,这些因素共同作用导致螺杆花键轴过早发生疲劳断裂。