減速機(jī)高速軸的斷裂分析及其防治

在2016年中國(guó)減變速機(jī)技術(shù)論壇中，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授（沃德傳動(dòng)（天津）股份有限公司顧問）朱孝祿在報(bào)告中指出：數(shù)年來 ，減速機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，經(jīng)常會(huì)有許許多多的失效案例。其中有些減速機(jī)的基礎(chǔ)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(chǔ)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(jī)高速軸為什么經(jīng)常斷裂？如何防治？并給予了細(xì)致的分析和解決辦法。

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(guó)外減速機(jī)的高速軸經(jīng)常在兩處發(fā)生斷裂：

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(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，高速軸是不可能斷裂的，且實(shí)際檢驗(yàn)后，軸的材料熱處理工藝也是符合技術(shù)要求。

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(yīng)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(duì)軸的削弱（軸的截面積減小和應(yīng)力集中）值得重視，特別是鍵槽底部的圓角r（下圖），對(duì)應(yīng)力集中的影響很大。

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

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(duì)軸的強(qiáng)度影響很大。從應(yīng)力集中的系數(shù)圖可見：過盈配合H7/r6的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2.2以上；過盈配合H7/m6的應(yīng)力集中系數(shù)不會(huì)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(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(gè)很大難題是電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)軸直徑嚴(yán)重不匹配，減速機(jī)軸比電動(dòng)機(jī)軸細(xì)很多。通常，減速機(jī)軸直徑是電動(dòng)機(jī)軸3/4-1/2左右，如下圖所示，如果電動(dòng)機(jī)軸和減速機(jī)軸同軸度很差，就會(huì)在聯(lián)軸器上產(chǎn)生附加徑向力Fr。

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(duì)兩軸的危險(xiǎn)斷面的附加彎矩（應(yīng)力）也不同。

例：軸危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力：

電動(dòng)機(jī)軸 σ1 = F l1 / 0.1 d1 ^ 3;減速機(jī)軸：σ2 = F l2 / 0.1 d2 ^ 3；

當(dāng) l1 ≈ l2 ，兩應(yīng)力比值為：

若取d2 = 1,d1 = 2,則 σ1 / σ2 = 8，應(yīng)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(duì)連接軸強(qiáng)度不良影響就越大，非金屬?gòu)椥栽闲月?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。

旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡或動(dòng)平衡不好，將會(huì)使旋轉(zhuǎn)零件產(chǎn)生離心力，增加了軸的附加應(yīng)力，從而影響軸的強(qiáng)度。上圖為聯(lián)軸器-減速機(jī)的配置關(guān)系，圖中聯(lián)軸器質(zhì)量有點(diǎn)偏心。

由偏心引發(fā)的離心力：

            Q = π^2×n×m^2×r / 900

           式中 Q：由偏心產(chǎn)生的離心力(N)；

                r：偏心距（mm）;

                n: 軸的轉(zhuǎn)速（r/min）;

               m: 聯(lián)軸器的質(zhì)量（kg）;

               d：軸的直徑（mm）.

由于離心力與旋轉(zhuǎn)件零件的質(zhì)量平方成正比，因此質(zhì)量對(duì)離心力的影響特別大。

針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，防止高速軸斷裂我們可按以下主要措施進(jìn)行：

（1）嚴(yán)格控制鍵槽的加工質(zhì)量，特別是槽底的圓角r，盡可能按標(biāo)準(zhǔn)取最 大值；沒有圓角的鍵槽不能使用。

（2）安裝在高速軸上的聯(lián)軸器、制動(dòng)輪等，應(yīng)經(jīng)過靜平衡或動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，避免過大的附加離心力。

（3）粘附在聯(lián)軸器、制動(dòng)輪上的附作物應(yīng)及時(shí)清除。

（4）不能使用制造質(zhì)量不符合技術(shù)要求的的聯(lián)軸器、制動(dòng)輪。

（5）減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)的底座面最 好采用經(jīng)過加工的平面，墊片要平整，最 好有定位措施。

（6）定期檢查地腳螺栓是否松動(dòng)、斷裂等，目的是為了防止運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)或減速機(jī)發(fā)生位移，破壞已經(jīng)調(diào)整好的同軸度。

控制減速機(jī)安裝的不同軸度，安裝時(shí)，應(yīng)由專人負(fù)責(zé)調(diào)整、檢測(cè)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的不同軸度。采用快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的激光對(duì)中裝置，檢測(cè)兩軸的對(duì)中可能有好的效果。