企业动态 => 硬齿面减速机高速轴容易断裂的原因和预防
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发布日期:[2021-09-13]    共阅[63]次

    2高速轴断裂概述
在生产实践中,硬齿面减速机的高速轴很容易发生断裂,例如:
某减速机的高速轴就经常在A、B两处发生断裂(图1):一处在联
轴器同高速轴的配合端面部位(断轴见图2),另一处在轴承同轴
的配合端面部位(断轴见图3)。国内外类似的案例还很多。
为什么减速机的高速轴很容易断裂?这是很值得研究、讨论的问
题。
是高速轴断裂的A断口形貌,从图中可以看到疲劳源位于键槽底部
的尖角处。断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区,高速轴是
典型的疲劳断裂。
是高速轴断裂的B断口形貌,这也是一个疲劳断裂断口,静断区很
小,说明轴中的名义应力并不大。
断裂轴宏观断口的特征:
1)断口是疲劳断口,轴是疲劳断裂。
2)轴的断裂部位大部分正好位于联轴器与轴过盈配合的边缘处。
3)最早的疲劳裂纹大都发生在平键键槽尖角处,或过渡圆角处。
4)轴的断口垂直于轴的轴线,基本上是一种高强度钢弯曲扭转型
断口。
在正常的情况下,减速机高速轴通常仅承受转矩作用。对以往多
次断轴案例进行疲劳强度计算结果表明,疲劳强度安全系数通常
可达2以上,高速轴应该是安全的,轴不可能断裂。经检查轴的材
料、热处理质量也都符合技术要求。但是,高速轴还是经常断
裂,可以说是减速机的多发病了!
3高速轴容易断裂的主要原因
减速机高速轴为什么容易断裂?经过全面排查后得知其主要原因
如下:
原因之一:键槽的应力集 .
观察很多带键槽的断轴断口(图6为一例),可以看到最早的疲劳
裂纹往往发生在平键键槽尖角处,很明显键槽的应力集中和轴的
截面面积减小影响了轴的强度
特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中的影响很大。图中所示
是某矿用减速机高速轴的键槽,键槽底部的圆角r就很小,加大了
键槽的应力集中。
轴受纯扭转时,键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ见图
7[1]所示。当轴的抗拉强度Rm=900MPa时,键槽的有效应力集中系
数Kτ=2。因此键槽对轴的削弱是很大的。
原因之二:联轴器同轴的过盈配合
在图1中可以看到,轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘
处,过盈配合对轴的强度影响很大。从图7可见:过盈配合H7/r6
的应力集中系数可达2.2以上;过盈配合H7/k6的应力集中系数约
为1.77;高速轴常用的过盈配合H7/m6的应力集中系数不会小于
1.8。因此,高速轴就容易在联轴器与轴过盈配合边缘处断裂了。
过盈连接的应力集中和接触应力分布实例如图8所示。图8a为过盈
连接应力集中示意图;图8b为当实心轮盘(齿轮)与轴的配合过
盈量为50μm时,接触应力在长度方向上的分布图;图8c为当阶梯
轮盘(齿轮)与轴的配合过盈量为50μm时,接触应力在长度方向
上的分布图。由此可见过盈配合对轴强度的影响。
值得注意的是,以上原因之一(键槽应力集中)和原因之二(过
盈连接应力集中)虽然对高速轴的强度有影响,但是两者在轴的
强度设计和安全系数计算中都已经计及的因素,因此可以肯定,
两者都不是造成轴容易断裂的决定性原因。真正造成高速轴断裂
多发病的是以下几个人们不注意的原因。
原因之三:减速机的安装、使用方面的问题
硬齿面减速机设计中的一个老大难问题是电动机和减速机轴直径
严重不匹配,减速机轴比电动机轴要细很多。通常,减速机轴直
径d2是电动机轴d1的3/4~1/2左右,如图9所示。如果电动机轴和
减速机轴同轴度很差,就会在联轴器上产生附加径向力F。
由于电动机与减速机的轴径不同(d1、d2),造成两者抗弯截面
模数不同(抗弯截面模数同直径d3成正比),联轴器产生的附加
径向力F对两轴的危险断面的附加弯矩(应力)也不同[1]。举例
说明如下(尺寸见图9):
轴危险截面的弯曲应力:
电动机轴  σ1=Fl1/0.1d13 ; 减速机轴  σ2=Fl2/0.1d23 
当l1≈ l2时(见图9),两应力比值为 σ2/σ1= d13/ d23 。
如果取d2=1 , d1=2, 则 σ2/σ1 =8,应力差别巨大。
减速机断轴计算实例:
已知:某减速机高速轴断裂,其直径d2=60mm , 电机轴直径
d1=90mm,
则    σ2/σ1=d13/d23 =903/603=3.375。 
因此,断裂的始终是减速机轴。
附加径向力F的大小,取决于电动机和减速机两轴的同轴度。此同
轴度对硬齿面齿轮减速机轴的损伤非常敏感。在《机械设计手
册》中,对于弹性联轴器通常规定减速机的安装不同轴的径向位
移Δy不得大于0.2~0.3mm。这对于软齿面减速机可能是合适的,
而对硬齿面减速机可能就偏大了。而大多数现场安装、使用人员
并不重视此不同轴度,认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差,
这是严重的误判。上述计算表明:由于减速机轴比电动机轴要小
得多,因此减速机轴上的弯曲应力要比电动机轴大很多,减速机
轴发生断裂就是必然了。
原因之四:轴上联轴器的径向刚度
所谓联轴器的径向刚度是指弹性联轴器的两半联轴器的两轴,产
生每单位径向位移Δy需要的径向力。径向刚度越大,产生径向位
移的径向力越大,对连接轴强度不良影响就越大。非金属弹性元
件挠性联轴器,如弹性套圈柱销联轴器、梅花形弹性块联轴器、
轮胎式联轴器等,其径向刚度就较小,但是其径向刚度还是有差
别。
某些制造质量很差的联轴器,其径向刚度很大,当两轴不对中有
径向位移时,轴上的附加径向力就很大,严重影响轴的强度。图
10所示的蛇形弹簧联轴器就是一例。半联轴器上的矩形直线齿廓
就很不利于径向位移的调整。
原因之五:轴上旋转零件的不平衡
旋转零件的静平衡或动平衡不好,将会使旋转零件产生离心力,
增加了轴的附加应力,从而影响轴的强度。图11为半联轴器——
轴——减速机的配置关系,图中半联轴器质量有点偏心.
旋转零件质量偏心引发的离心力为

式中   Q——由偏心产生的离心力(N);

       r——偏心距 (mm);

       n——轴的转速 (r/min);

       m——联轴器的质量(kg)。
由于离心力与旋转零件的质量平方成正比,因此质量对离心力的
影响特别大。
用实际计算例子来说明。
已知:减速机高速轴的转速为n=1500r/min。
假设:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件(如蛇形弹簧联轴器、
制动轮等)的质量m=50kg。则产生的离心力
如果此离心力的一半由减速机轴来承受,轴上受到的径向载荷也
可达2056.5N。
由于离心力与旋转零件的质量平方成正比,因此质量对离心力的
影响特别大。例如,其他条件不变,取旋转零件的质量m=70kg,
则Q=8062N,也就是离心力几乎增加了一倍。离心力Q使轴产生附加
弯曲应力,会影响轴的疲劳强度。
原因之六:轴上联轴器、制动器的质量重力
减速机高速轴上一般都有联轴器,或者制动器的制动轮,其自重
对于软齿面减速机的高速轴的强度来说,影响并不大,因为这种
减速机轴的尺寸都可以做得比较大。但是,对硬齿面减速机来
说,由于受高速轴上齿轮结构尺寸的限制,高速轴的尺寸和安全
系数都比较小,再由于联轴器或制动轮的质量重力可以同上述的
离心力叠加,在这种情况下,联轴器或制动轮的质量对高速轴强
度的影响就不可以忽视了。
例如前例:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件的质量m=50kg,产
生的离心力4113N。如果考虑旋转零件质量产生的重力500N,两者
叠加可达4613N,相当于离心力增加了12%。 可见高速轴上旋转零
件质量产生的重力也会影响高速轴的强度。
4防止高速轴断裂的主要措施
针对以上出现的问题,可提出防止高速轴断裂的主要措施:
1)严格控制键槽的加工质量,特别是槽底的圆角半径 r,尽可能
按标准取大值;
没有圆角的键槽不能使用。
2)安装在高速轴上的联轴器、制动轮等,应经过静平衡或动平衡
试验,避免过大的附加离心力。
3)尽量减轻联轴器、制动轮重量。
4)不能使用制造质量不符合技术要求的联轴器、制动器。
5)减速机和电动机的底座底面,最好采用经过加工的平面;调整
垫片要平整,最好有定位措施.
6)定期检查地脚螺栓是否有松动、断裂等,目的是为了防止设备
运转一段时间后,电动机或减速机发生移动,破坏已经调整好的
同轴度。

7)最重要的是控制减速机安装的同轴度,安装减速机时,应派遣
掌握技术的专业人员,负责调整、检测电动机和减速机的同轴
度。采用快速、简单、经济的激光对中装置(图13),检测两轴
的对中可能有好的效果。

 
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