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泰興減速機2017年11月21日訊 在生產(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:
圖1 減速機高速軸斷裂實例
一處在聯(lián)軸器同高速軸的配合端面部位:
圖2 斷軸A
另一處在軸承同軸的配合端面部位:
圖3 斷軸B
圖4 斷軸A的斷口
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)、疲勞擴展區(qū)和靜斷區(qū),高速軸是典型的疲勞斷裂。
圖5 斷軸B的斷口
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,說明軸中的名義應力并不大。
斷裂軸的斷口特征:
斷口是疲勞斷口,軸是疲勞斷裂。
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。
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。
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,減速機高速軸通常僅承受轉(zhuǎn)矩作用。對以往多次斷軸案例進行疲勞強度計算結(jié)果表明,疲勞強度安全系數(shù)通??蛇_2以上,高速軸應該是安全的,軸不可能斷裂。經(jīng)檢查軸的材料、熱處理質(zhì)量也都符合技術(shù)要求。但是,高速軸還是經(jīng)常斷裂,可以說是減速機的多發(fā)病了!
原因一鍵槽的應力集中
觀察很多帶鍵槽的斷軸斷口,可以看到最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6 帶鍵槽的斷軸斷口
軸受純扭轉(zhuǎn)時,鍵槽和配合邊緣處的有效應力集中系數(shù)Kτ見圖7所示。當軸的抗拉強度Rm=900MPa時,鍵槽的有效應力集中系數(shù)Kτ=2。因此鍵槽對軸的削弱是很大的。
圖7 過盈連接的應力集中和接觸應力分布
原因二聯(lián)軸器同軸的過盈配合
當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。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/k6的應力集中系數(shù)約為1.77;高速軸常用的過盈配合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。
過盈連接的應力集中和接觸應力分布實例如圖7所示。
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(shè)計和安全系數(shù)計算中都已經(jīng)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(fā)病的是以下幾個人們不注意的原因:
原因三減速機的安裝、使用方面的問題
硬齒面減速機設(shè)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F。
圖8 電動機、聯(lián)軸器和減速機的配置
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(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對兩軸的危險斷面的附加彎矩(應力)也不同。舉例說明如下:
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(shè)計手冊》中,對于彈性聯(lián)軸器通常規(guī)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(shù)現(xiàn)場安裝、使用人員并不重視此不同軸度,認為使用彈性聯(lián)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(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。
某些制造質(zhì)量很差的聯(lián)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9所示的蛇形彈簧聯(lián)軸器就是一例。半聯(lián)軸器上的矩形直線齒廓就很不利于徑向位移的調(diào)整。
圖9 蛇形彈簧聯(lián)軸器
原因五軸上旋轉(zhuǎn)零件的不平衡
旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡或動平衡不好,將會使旋轉(zhuǎn)零件產(chǎn)生離心力,增加了軸的附加應力,從而影響軸的強度。圖為半聯(lián)軸器——軸——減速機的配置關(guān)系,圖中半聯(lián)軸器質(zhì)量有點偏心。
圖10 半聯(lián)軸器—軸—減速機的配置
旋轉(zhuǎn)零件質(zhì)量偏心引發(fā)的離心力為:
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)零件的質(zhì)量平方成正比,因此質(zhì)量對離心力的影響特別大。
原因六軸上聯(lián)軸器、制動器的質(zhì)量重力
減速機高速軸上一般都有聯(lián)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(jié)構(gòu)尺寸的限制,高速軸的尺寸和安全系數(shù)都比較小,再由于聯(lián)軸器或制動輪的質(zhì)量重力可以同上述的離心力疊加,在這種情況下,聯(lián)軸器或制動輪的質(zhì)量對高速軸強度的影響就不可以忽視了。
1、嚴格控制鍵槽的加工質(zhì)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(lián)軸器、制動輪等,應經(jīng)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(lián)軸器、制動輪重量。
4、不能使用制造質(zhì)量不符合技術(shù)要求的聯(lián)軸器、制動器。
5、減速機和電動機的底座底面,最好采用經(jīng)過加工的平面;調(diào)整墊片要平整,最好有定位措施,如圖所示。
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(shè)備運轉(zhuǎn)一段時間后,電動機或減速機發(fā)生移動,破壞已經(jīng)調(diào)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(shù)的專業(yè)人員,負責調(diào)整、檢測電動機和減速機的同軸度。采用快速、簡單、經(jīng)濟的激光對中裝置,檢測兩軸的對中可能有好的效果。
激光對中裝置
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