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       企業動態 => 硬齒面減速機高速軸容易斷裂的原因和預防
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      發布日期:[2021-09-24]    共閱[3351]次

          生產實踐經驗告知,硬齒面減速機的高速軸很容易斷裂,國內外
      減速機在使用中都有不少斷裂的案例。本文論述減速機高速軸很
      容易斷裂6方面的原因 :鍵槽和過盈配合的應力集中、減速機安
      裝使用中的問題、軸上聯軸器徑向剛度的影響、軸上旋轉零部件
      的不平衡和質量重力的影響。在此分析的基礎上,提出預防軸斷
      裂的7項改進措施。

      關鍵詞: 減速機 高速軸 斷裂原因 預防

      1前言


      2016年11月,中國通用機械工業協會減變速機分會在上海舉辦
      “2016中國減變速機技術論壇”。在論壇上,沃德傳動(天津)
      股份有限公司首席齒輪技術專家、北京科技大學教授朱孝祿做了
      題為《減速機多發病、疑難雜癥及其防治》的報告。報告內容全
      部來源于生產實踐,講解深入淺出,擊中要害,受到歡迎。本文
      根據報告的部分內容,整理成文,并得到朱孝祿教授的同意,投
      稿《減變速機》雜志發表。本文的主要內容是:論述硬齒面減速
      機高速軸斷裂的斷口特征、經常發生斷裂的原因和預防高速軸斷
      裂的改進措施。

      2高速軸斷裂概述


      在生產實踐中,硬齒面減速機的高速軸很容易發生斷裂,例如:
      某減速機的高速軸就經常在A、B兩處發生斷裂(圖1):一處在聯
      軸器同高速軸的配合端面部位(斷軸見圖2),另一處在軸承同軸
      的配合端面部位(斷軸見圖3)。國內外類似的案例還很多。

      為什么減速機的高速軸很容易斷裂?這是很值得研究、討論的問
      題。

      圖片

      圖片

      圖4是高速軸斷裂的A斷口形貌,從圖中可以看到疲勞源位于鍵槽
      底部的尖角處。斷口具有疲勞源區、疲勞擴展區和靜斷區,高速
      軸是典型的疲勞斷裂。

      圖5是高速軸斷裂的B斷口形貌,這也是一個疲勞斷裂斷口,靜斷區
      很小,說明軸中的名義應力并不大。

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      斷裂軸宏觀斷口的特征:

      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軸器與軸過盈配合的邊緣處。

      3)最早的疲勞裂紋大都發生在平鍵鍵槽尖角處,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型
      斷口。

      在正常的情況下,減速機高速軸通常僅承受轉矩作用。對以往多
      次斷軸案例進行疲勞強度計算結果表明,疲勞強度安全系數通常
      可達2以上,高速軸應該是安全的,軸不可能斷裂。經檢查軸的材
      料、熱處理質量也都符合技術要求。但是,高速軸還是經常斷
      裂,可以說是減速機的多發病了!

      3高速軸容易斷裂的主要原因


      減速機高速軸為什么容易斷裂?經過全面排查后得知其主要原因
      如下:

      原因之一:鍵槽的應力集中

      觀察很多帶鍵槽的斷軸斷口(圖6為一例),可以看到最早的疲勞
      裂紋往往發生在平鍵鍵槽尖角處,很明顯鍵槽的應力集中和軸的
      截面面積減小影響了軸的強度。

      特別是鍵槽底部的圓角r(圖6)對應力集中的影響很大。圖中所示
      是某礦用減速機高速軸的鍵槽,鍵槽底部的圓角r就很小,加大了
      鍵槽的應力集中。

      圖片


      軸受純扭轉時,鍵槽和配合邊緣處的有效應力集中系數Kτ見圖
      7[1]所示。當軸的抗拉強度Rm=900MPa時,鍵槽的有效應力集中系
      數Kτ=2。因此鍵槽對軸的削弱是很大的。

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      原因之二:聯軸器同軸的過盈配合

      在圖1中可以看到,軸斷裂部位正好是聯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。從圖7可見:過盈配合H7/r6
      的應力集中系數可達2.2以上;過盈配合H7/k6的應力集中系數約
      為1.77;高速軸常用的過盈配合H7/m6的應力集中系數不會小于
      1.8。因此,高速軸就容易在聯軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂了。

      過盈連接的應力集中和接觸應力分布實例如圖8所示。圖8a為過盈
      連接應力集中示意圖;圖8b為當實心輪盤(齒輪)與軸的配合過
      盈量為50μm時,接觸應力在長度方向上的分布圖;圖8c為當階梯
      輪盤(齒輪)與軸的配合過盈量為50μm時,接觸應力在長度方向
      上的分布圖。由此可見過盈配合對軸強度的影響。

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      值得注意的是,以上原因之一(鍵槽應力集中)和原因之二(過
      盈連接應力集中)雖然對高速軸的強度有影響,但是兩者在軸的
      強度設計和安全系數計算中都已經計及的因素,因此可以肯定,
      兩者都不是造成軸容易斷裂的決定性原因。真正造成高速軸斷裂
      多發病的是以下幾個人們不注意的原因。

      原因之三: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老大難問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要細很多。通常,減速機軸直
      徑d2是電動機軸d1的3/4~1/2左右,如圖9所示。如果電動機軸和
      減速機軸同軸度很差,就會在聯軸器上產生附加徑向力F。

      圖片


      由于電動機與減速機的軸徑不同(d1、d2),造成兩者抗彎截面
      模數不同(抗彎截面模數同直徑d3成正比),聯軸器產生的附加
      徑向力F對兩軸的危險斷面的附加彎矩(應力)也不同[1]。舉例
      說明如下(尺寸見圖9):

      軸危險截面的彎曲應力:

      電動機軸  σ1=Fl1/0.1d13 ; 減速機軸  σ2=Fl2/0.1d23 

      當l1≈ l2時(見圖9),兩應力比值為 σ2/σ1= d13/ d23 。

      如果取d2=1 , d1=2, 則 σ2/σ1 =8,應力差別巨大。

      減速機斷軸計算實例:

      已知:某減速機高速軸斷裂,其直徑d2=60mm , 電機軸直徑
      d1=90mm,

      則    σ2/σ1=d13/d23 =903/603=3.375!

      因此,斷裂的始終是減速機軸。


      附加徑向力F的大小,取決于電動機和減速機兩軸的同軸度。此同
      軸度對硬齒面齒輪減速機軸的損傷非常敏感。在《機械設計手
      冊》中,對于彈性聯軸器通常規定減速機的安裝不同軸的徑向位
      移Δy不得大于0.2~0.3mm。這對于軟齒面減速機可能是合適的,
      而對硬齒面減速機可能就偏大了。而大多數現場安裝、使用人員
      并不重視此不同軸度,認為使用彈性聯軸器可以自動補償誤差,
      這是嚴重的誤判。上述計算表明:由于減速機軸比電動機軸要小
      得多,因此減速機軸上的彎曲應力要比電動機軸大很多,減速機
      軸發生斷裂就是必然了。

      原因之四:軸上聯軸器的徑向剛度

      所謂聯軸器的徑向剛度是指彈性聯軸器的兩半聯軸器的兩軸,產
      生每單位徑向位移Δy需要的徑向力。徑向剛度越大,產生徑向位
      移的徑向力越大,對連接軸強度不良影響就越大。非金屬彈性元
      件撓性聯軸器,如彈性套圈柱銷聯軸器、梅花形彈性塊聯軸器、
      輪胎式聯軸器等,其徑向剛度就較小,但是其徑向剛度還是有差
      別。

      某些制造質量很差的聯軸器,其徑向剛度很大,當兩軸不對中有
      徑向位移時,軸上的附加徑向力就很大,嚴重影響軸的強度。圖
      10所示的蛇形彈簧聯軸器就是一例。半聯軸器上的矩形直線齒廓
      就很不利于徑向位移的調整。

      圖片

        


      原因之五:軸上旋轉零件的不平衡

      旋轉零件的靜平衡或動平衡不好,將會使旋轉零件產生離心力,
      增加了軸的附加應力,從而影響軸的強度。圖11為半聯軸器——
      軸——減速機的配置關系,圖中半聯軸器質量有點偏心。

      圖片

      旋轉零件質量偏心引發的離心力為

      圖片

      式中   Q——由偏心產生的離心力(N);

             r——偏心距 (mm);

             n——軸的轉速 (r/min);

             m——聯軸器的質量(kg)。

      由于離心力與旋轉零件的質量平方成正比,因此質量對離心力的
      影響特別大。

      用實際計算例子來說明。

      已知:減速機高速軸的轉速為n=1500r/min。

      假設:偏心距r =0.1mm; 高速軸上旋轉零件(如蛇形彈簧聯軸器、
      制動輪等)的質量m=50kg。則產生的離心力

      圖片

      如果此離心力的一半由減速機軸來承受,軸上受到的徑向載荷也
      可達2056.5N。

      由于離心力與旋轉零件的質量平方成正比,因此質量對離心力的
      影響特別大。例如,其他條件不變,取旋轉零件的質量m=70kg,
      則Q=8062N,也就是離心力幾乎增加了一倍。離心力Q使軸產生附加
      彎曲應力,會影響軸的疲勞強度。

      原因之六:軸上聯軸器、制動器的質量重力

      減速機高速軸上一般都有聯軸器,或者制動器的制動輪,其自重
      對于軟齒面減速機的高速軸的強度來說,影響并不大,因為這種
      減速機軸的尺寸都可以做得比較大。但是,對硬齒面減速機來
      說,由于受高速軸上齒輪結構尺寸的限制,高速軸的尺寸和安全
      系數都比較小,再由于聯軸器或制動輪的質量重力可以同上述的
      離心力疊加,在這種情況下,聯軸器或制動輪的質量對高速軸強
      度的影響就不可以忽視了。

      例如前例:偏心距r =0.1mm; 高速軸上旋轉零件的質量m=50kg,產
      生的離心力4113N。如果考慮旋轉零件質量產生的重力500N,兩者
      疊加可達4613N,相當于離心力增加了12%。 可見高速軸上旋轉零
      件質量產生的重力也會影響高速軸的強度。

      4防止高速軸斷裂的主要措施


      針對以上出現的問題,可提出防止高速軸斷裂的主要措施:

      1)嚴格控制鍵槽的加工質量,特別是槽底的圓角半徑 r,盡可能
      按標準取大值;

      沒有圓角的鍵槽不能使用。

      2)安裝在高速軸上的聯軸器、制動輪等,應經過靜平衡或動平衡
      試驗,避免過大的附加離心力。

      3)盡量減輕聯軸器、制動輪重量。

      4)不能使用制造質量不符合技術要求的聯軸器、制動器。

      5)減速機和電動機的底座底面,最好采用經過加工的平面;調整
      墊片要平整,最好有定位措施,如12所示。

      圖片

      6)定期檢查地腳螺栓是否有松動、斷裂等,目的是為了防止設備
      運轉一段時間后,電動機或減速機發生移動,破壞已經調整好的
      同軸度。

      7)最重要的是控制減速機安裝的同軸度,安裝減速機時,應派遣
      掌握技術的專業人員,負責調整、檢測電動機和減速機的同軸
      度。采用快速、簡單、經濟的激光對中裝置(圖13),檢測兩軸
      的對中可能有好的效果。

       
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