泰興減速機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2019年9月3日訊  生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告知，硬齒面減速機(jī)的高速軸很容易斷裂，國內(nèi)外減速機(jī)在使用中都有不少斷裂的案例。本文論述泰興減速機(jī)高速軸很容易斷裂6方面的原因 ：鍵槽和過盈配合的應(yīng)力集中、減速機(jī)安裝使用中的問題、軸上聯(lián)軸器徑向剛度的影響、軸上旋轉(zhuǎn)零部件的不平衡和質(zhì)量重力的影響。在此分析的基礎(chǔ)上，提出預(yù)防軸斷裂的7項(xiàng)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞： 減速機(jī)  高速軸 斷裂原因  預(yù)防

2016年11月，中國通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會減變速機(jī)分會在上海舉辦 “2016中國減變速機(jī)技術(shù)論壇”。在論壇上，沃德傳動（天津）股份有限公司首席齒輪技術(shù)專家、北京科技大學(xué)教授朱孝祿做了題為《減速機(jī)多發(fā)病、疑難雜癥及其防治》的報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容全部來源于生產(chǎn)實(shí)踐，講解深入淺出，擊中要害，受到歡迎。本文根據(jù)報(bào)告的部分內(nèi)容，整理成文，并得到朱孝祿教授的同意，投稿《減變速機(jī)》雜志發(fā)表。本文的主要內(nèi)容是：論述硬齒面減速機(jī)高速軸斷裂的斷口特征、經(jīng)常發(fā)生斷裂的原因和預(yù)防高速軸斷裂的改進(jìn)措施。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，硬齒面減速機(jī)的高速軸很容易發(fā)生斷裂，例如：某減速機(jī)的高速軸就經(jīng)常在A、B兩處發(fā)生斷裂（圖1）：一處在聯(lián)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(nèi)外類似的案例還很多。

為什么減速機(jī)的高速軸很容易斷裂？這是很值得研究、討論的問題。

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(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和靜斷區(qū)，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(qū)很小，說明軸中的名義應(yīng)力并不大。

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(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。

在正常的情況下，減速機(jī)高速軸通常僅承受轉(zhuǎn)矩作用。對以往多次斷軸案例進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)通常可達(dá)2以上，高速軸應(yīng)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(jī)的多發(fā)病了！

減速機(jī)高速軸為什么容易斷裂？經(jīng)過全面排查后得知其主要原因如下：

原因之一：鍵槽的應(yīng)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(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。

原因之二：聯(lián)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(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。從圖7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/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8所示。圖8a為過盈連接應(yīng)力集中示意圖；圖8b為當(dāng)實(shí)心輪盤（齒輪）與軸的配合過盈量為50μm時，接觸應(yīng)力在長度方向上的分布圖；圖8c為當(dāng)階梯輪盤（齒輪）與軸的配合過盈量為50μm時，接觸應(yīng)力在長度方向上的分布圖。由此可見過盈配合對軸強(qiáng)度的影響。

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。

原因之三：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9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。

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對兩軸的危險斷面的附加彎矩（應(yīng)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(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。

原因之四：軸上聯(lián)軸器的徑向剛度

所謂聯(lián)軸器的徑向剛度是指彈性聯(lián)軸器的兩半聯(lián)軸器的兩軸，產(chǎn)生每單位徑向位移Δy需要的徑向力。徑向剛度越大，產(chǎn)生徑向位移的徑向力越大，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，如彈性套圈柱銷聯(lián)軸器、梅花形彈性塊聯(lián)軸器、輪胎式聯(lián)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(zhì)量很差的聯(lián)軸器，其徑向剛度很大，當(dāng)兩軸不對中有徑向位移時，軸上的附加徑向力就很大，嚴(yán)重影響軸的強(qiáng)度。圖10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。

原因之五：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(yīng)力，從而影響軸的強(qiáng)度。圖11為半聯(lián)軸器——軸——減速機(jī)的配置關(guān)系，圖中半聯(lián)軸器質(zhì)量有點(diǎn)偏心。

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)。

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。

用實(shí)際計(jì)算例子來說明。

已知:減速機(jī)高速軸的轉(zhuǎn)速為n=1500r/min。

假設(shè):偏心距r =0.1mm; 高速軸上旋轉(zhuǎn)零件（如蛇形彈簧聯(lián)軸器、制動輪等）的質(zhì)量m=50kg。則產(chǎn)生的離心力

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

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。例如，其他條件不變，取旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)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(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，會影響軸的疲勞強(qiáng)度。

原因之六：軸上聯(lián)軸器、制動器的質(zhì)量重力

減速機(jī)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(jī)的高速軸的強(qiáng)度來說，影響并不大，因?yàn)檫@種減速機(jī)軸的尺寸都可以做得比較大。但是，對硬齒面減速機(jī)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(qiáng)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(zhuǎn)零件的質(zhì)量m=50kg，產(chǎn)生的離心力4113N。如果考慮旋轉(zhuǎn)零件質(zhì)量產(chǎn)生的重力500N,兩者疊加可達(dá)4613N，相當(dāng)于離心力增加了12%。 可見高速軸上旋轉(zhuǎn)零件質(zhì)量產(chǎn)生的重力也會影響高速軸的強(qiáng)度。

針對以上出現(xiàn)的問題，可提出防止高速軸斷裂的主要措施：

1）嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)經(jīng)過靜平衡或動平衡試驗(yàn)，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(jī)和電動機(jī)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12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(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，電動機(jī)或減速機(jī)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(jī)安裝的同軸度，安裝減速機(jī)時，應(yīng)派遣掌握技術(shù)的專業(yè)人員，負(fù)責(zé)調(diào)整、檢測電動機(jī)和減速機(jī)的同軸度。采用快速、簡單、經(jīng)濟(jì)的激光對中裝置（圖13），檢測兩軸的對中可能有好的效果。