機(jī)械百科 | 減速機(jī)高速軸易斷裂分析和預(yù)防

來源：zgedojs.cn 發(fā)表時間：2018-06-08

在生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，硬齒面減速機(jī)高速軸很容易發(fā)生斷裂，如某國外減速機(jī)的高速軸經(jīng)常在兩處發(fā)生斷裂：

一處在聯(lián)軸器同高速軸的配合端面部位：

另一處在軸承同軸的配合端面部位:

這是高速軸斷裂的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(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和靜斷區(qū)，高速軸是典型的疲勞斷裂。

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

斷裂軸的斷口特征：

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）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(qiáng)度鋼彎曲扭轉(zhuǎn)型斷口。

正常情況下，軸在設(shè)計(jì)中疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)都很大，通�？蛇_(dá)3以上，高速軸是不會斷裂的；實(shí)際檢驗(yàn)后，軸的材料熱處理工藝也是符合技術(shù)要求的。所以在高速軸發(fā)生斷裂后，經(jīng)分析我們得出以下原因：

原因一：鍵槽的應(yīng)力集中

觀察很多帶鍵槽的斷軸斷口，可以看到早的疲勞裂紋往往發(fā)生在平鍵鍵槽尖角處，很明顯鍵槽的應(yīng)力集中和軸的截面面積減小影響了軸的強(qiáng)度。特別是鍵槽底部的圓角r(圖6)對應(yīng)力集中的影響很大。圖中所示是某礦用減速機(jī)高速軸的鍵槽,鍵槽底部的圓角r就很小，加大了鍵槽的應(yīng)力集中。

軸受純扭轉(zhuǎn)時，鍵槽和配合邊緣處的有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ見圖7[1]所示。當(dāng)軸的抗拉強(qiáng)度Rm=900MPa時，鍵槽的有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=2。因此鍵槽對軸的削弱是很大的。

原因二：聯(lián)軸器同軸的過盈配合

當(dāng)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(qiáng)度影響很大�？梢姡哼^盈配合H7/r6 的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2.2以上；過盈配合H7/k6的應(yīng)力集中系數(shù)約為1.77；高速軸常用的過盈配合H7/m6的應(yīng)力集中系數(shù)不會小于1.8。因此，高速軸就容易在聯(lián)軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂了。

過盈連接的應(yīng)力集中和接觸應(yīng)力分布實(shí)例如圖所示。

值得注意的是，以上原因之一（鍵槽應(yīng)力集中）和原因之二（過盈連接應(yīng)力集中）雖然對高速軸的強(qiáng)度有影響，但是兩者在軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和安全系數(shù)計(jì)算中都已經(jīng)計(jì)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(fā)病的是以下幾個人們不注意的原因：

原因三：減速機(jī)的安裝、使用方面的問題

硬齒面減速機(jī)設(shè)計(jì)中的一個老大難問題是電動機(jī)和減速機(jī)軸直徑嚴(yán)重不匹配，減速機(jī)軸比電動機(jī)軸要細(xì)很多。通常，減速機(jī)軸直徑d2是電動機(jī)軸d1的3/4～1/2左右，如圖所示。如果電動機(jī)軸和減速機(jī)軸同軸度很差，就會在聯(lián)軸器上產(chǎn)生附加徑向力F。

電動機(jī)、聯(lián)軸器和減速機(jī)的配置

由于電動機(jī)與減速機(jī)的軸徑不同（d1、d2），造成兩者抗彎截面模數(shù)不同（抗彎截面模數(shù)同直徑 d3成正比），聯(lián)軸器產(chǎn)生的附加徑向力F對兩軸的危險(xiǎn)斷面的附加彎矩（應(yīng)力）也不同[1]。舉例說明如下：

軸危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力：

電動機(jī)軸 σ1=Fl1/0.1d13 ; 減速機(jī)軸 σ2=Fl2/0.1d23

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

如果取d2=1 , d1=2, 則 σ2/σ1 =8，應(yīng)力差別巨大。

減速機(jī)斷軸計(jì)算實(shí)例:

已知：某減速機(jī)高速軸斷裂，其直徑d2=60mm , 電機(jī)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(jī)軸。

附加徑向力F的大小，取決于電動機(jī)和減速機(jī)兩軸的同軸度。此同軸度對硬齒面齒輪減速機(jī)軸的損傷非常敏感。在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中，對于彈性聯(lián)軸器通常規(guī)定減速機(jī)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(jī)可能是合適的，而對硬齒面減速機(jī)可能就偏大了。而大多數(shù)現(xiàn)場安裝、使用人員并不重視此不同軸度，認(rèn)為使用彈性聯(lián)軸器可以自動補(bǔ)償誤差，這是嚴(yán)重的誤判。上述計(jì)算表明：由于減速機(jī)軸比電動機(jī)軸要小得多，因此減速機(jī)軸上的彎曲應(yīng)力要比電動機(jī)軸大很多，減速機(jī)軸發(fā)生斷裂就是必然了。

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(qiáng)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。