減速機高速軸的斷裂分析及其防治

2016-05-30 14:25:41

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減速機高速軸的斷裂分析及其防治

在2016年中國減變速機技術(shù)論壇中，北京科技大學機械工程學院教授（沃德傳動（天津）股份有限公司顧問）朱孝祿在報告中指出：數(shù)年來，減速機在長時間的使用中，經(jīng)常會有許許多多的失效案例。其中有些減速機的基礎件（齒輪、軸、軸承）的失效是“多發(fā)病”，由于種種原因，很難根治；而有些基礎件的失效，其原因可能很難說清楚，就這些“多發(fā)病” 和“疑難雜癥”提出硬齒面減速機高速軸為什么經(jīng)常斷裂？如何防治？并給予了細致的分析和解決辦法。

生產(chǎn)實踐經(jīng)驗得知，硬齒面減速機高速軸很容易發(fā)生斷裂，如某國外減速機的高速軸經(jīng)常在兩處發(fā)生斷裂：

減速機高速軸的斷裂分析及其防治

斷口特征：1 ) 斷口是疲勞斷口，軸是疲勞斷裂。

2）軸的斷裂部位大部分正好位于聯(lián)軸器與軸過盈配合的邊緣處。

3）最早的疲勞裂紋大都發(fā)生在平鍵鍵槽的尖角處或過渡圓角處。

4）軸的斷口垂直于軸的軸線，基本上是一種高強度鋼彎曲扭轉(zhuǎn)型斷口。

正常情況下，軸在設計中疲勞強度安全系數(shù)都很大，通?？蛇_3以上，高速軸是不可能斷裂的，且實際檢驗后，軸的材料熱處理工藝也是符合技術(shù)要求。

則高速軸發(fā)生斷裂，經(jīng)分析整理后得出以下原因：

原因一：鍵槽應力集中。從斷口的宏觀觀察中看到，最早的疲勞裂紋發(fā)生在平鍵鍵槽尖角處，因此鍵槽對軸的削弱（軸的截面積減小和應力集中）值得重視，特別是鍵槽底部的圓角r（下圖），對應力集中的影響很大。

軸純扭轉(zhuǎn)時，螺紋、鍵槽、橫孔和配合邊緣處有效應力集中系數(shù)K&，如下圖所示，當軸的抗拉強度Rm=900MPa時,鍵槽的有效應力集中系數(shù)為2，因此鍵槽對軸的削弱是很大的。

減速機高速軸的斷裂分析及其防治

原因二：聯(lián)軸器與軸的過盈配合。在前面圖中可以看到軸斷裂部位正好是聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合對軸的強度影響很大。從應力集中的系數(shù)圖可見：過盈配合H7/r6的應力集中系數(shù)可達2.2以上；過盈配合H7/m6的應力集中系數(shù)不會小于1.8.因此，高速軸在聯(lián)軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂就可以理解了。

原因三：減速機的安裝、使用方面的問題。硬齒面減速機設計中的一個很大難題是電動機和減速機軸直徑嚴重不匹配，減速機軸比電動機軸細很多。通常，減速機軸直徑是電動機軸3/4-1/2左右，如下圖所示，如果電動機軸和減速機軸同軸度很差，就會在聯(lián)軸器上產(chǎn)生附加徑向力Fr。

減速機高速軸的斷裂分析及其防治

由于軸徑不同，造成兩者剛度不同（剛度同直徑d^3成正比），聯(lián)軸器產(chǎn)生的附加徑向力F對兩軸的危險斷面的附加彎矩（應力）也不同。

例：軸危險截面的彎曲應力：

電動機軸 σ1 = F l1 / 0.1 d1 ^ 3;減速機軸：σ2 = F l2 / 0.1 d2 ^ 3；

當 l1 ≈ l2 ，兩應力比值為：

減速機高速軸的斷裂分析及其防治

若取d2 = 1,d1 = 2,則 σ1 / σ2 = 8，應力差別巨大。

原因四：軸上聯(lián)軸器的徑向剛度。所謂聯(lián)軸器的徑向剛度是指聯(lián)軸器兩軸產(chǎn)生每單位徑向位移Δy需要的徑向力。徑向剛度越大，徑向力就越大，對連接軸強度不良影響就越大，非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，如彈性套圓柱銷聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、輪胎式聯(lián)軸器等，其徑向剛度就小。

原因五：軸上旋轉(zhuǎn)零件的不平衡。