硬齿面减速机高速轴易断裂的原因及预防

硬齿面减速机高速轴易断裂的原因及预防。

生产实践经验告诉我们硬齿面减速机的高速轴容易断裂，国内外减速机使用中断裂的案例很多。论述了减速机高速轴易断裂的6个原因:键槽应力集中和过盈配合、减速机安装使用中的问题、联轴器径向刚度的影响、转动部件对轴的不平衡和质量重力的影响。在此基础上，提出了防止轴断裂的七项改进措施。

高速轴断裂概述

在生产实践中，硬齿面减速机的高速轴容易断裂。例如，减速器的高速轴经常在A和B处断裂(图1):一个在联轴器与高速轴的配合端面(断轴见图2)，另一个在同轴轴承的配合端面(断轴见图3)。国内外有很多类似的案例。

减速机高速轴为什么容易断裂？这是一个值得研究和探讨的问题。

图4为高速轴断裂的断裂形态，从中可以看出疲劳源位于键槽底部的尖角处。断口有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区，高速轴是典型的疲劳断口。

图5为高速轴断裂的断裂形态，也是疲劳断裂，静态断裂区很小，说明轴内名义应力不大。

断裂轴的宏观断裂特征；

1)断裂为疲劳断裂，轴为疲劳断裂。

2)轴的大部分断裂部分位于联轴器和轴之间过盈配合的边缘。

3)最早的疲劳裂纹大多出现在平键键槽的尖角或过渡圆角处。

4)轴的断裂与轴的轴线垂直，基本上是高强度钢的弯扭断裂。

在正常情况下，减速器的高速轴通常只承受扭矩。前面几个断轴案例的疲劳强度计算结果表明，疲劳强度的安全系数通常可以达到2以上，高速轴应该是安全的，轴不可能断裂。被检轴的材质和热处理质量也符合技术要求。但是高速轴经常断裂，可以说是减速机的常见病！

3.高速轴容易断裂的主要原因。

减速机轴为什么容易断裂？经综合调查，可知主要原因如下:

原因之一:键槽应力集中。

观察许多带键槽的断轴断裂(图6为例)，可以看到最早的疲劳裂纹往往出现在平键键槽的尖角处，很明显键槽的应力集中和轴截面积的减小影响了轴的强度。

特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中影响较大。图为某矿减速器高速轴键槽，键槽底部圆角R很小，增加了键槽的应力集中。

当轴承受纯扭转时，键槽和配合边的有效应力集中系数Kτ如图7[1]所示。当重要官员的抗拉强度RM为900 MPa时，键槽的有效应力集中系数Kτ=2。因此，键槽大大削弱了轴。

第二个原因:同轴耦合的过盈配合。

从图1可以看出，轴的断裂部分正好是联轴器同轴过盈配合的边缘，过盈配合对轴的强度影响很大。从图7可以看出，过盈配合H7/r6的应力集中系数可以达到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H7/m6过盈配合的应力集中系数不应小于1.8。因此，高速轴容易在联轴器和轴之间的过盈配合边缘断裂。

干涉连接的应力集中和接触应力分布示例如图8所示。图8a是干涉连接中应力集中的示意图；图8b示出了实心轮盘(齿轮)与轴之间的干涉为50μm时接触应力在纵向上的分布；图8c是示出当阶梯轮盘(齿轮)和轴之间的配合干涉为50 μ m时接触应力在纵向方向上的分布的图。这示出了干涉配合对轴强度的影响。

值得注意的是，虽然上述原因之一(键槽中的应力集中)和第二个原因(过盈连接中的应力集中)对高速轴的强度有影响，但两者在轴的强度设计和安全系数计算中都已经考虑到了因素，所以可以肯定这两者都不是轴容易断裂的决定性原因。高速轴断裂的真正原因是以下人们不重视的原因。

第三个原因:减速机的安装和使用。

硬齿面减速机设计中最难的问题之一就是电机和减速机轴的直径严重不匹配，减速机轴比电机轴细很多。通常，减速器轴的直径d2约为电机轴d1的3/4至1/2，如图9所示。如果电机轴和减速器轴的同轴度差，则会在联轴器上产生额外的径向力f。

由于电机和减速器的轴径不同(d1和d2)，弯曲截面模量不同(弯曲截面模量与直径d成正比)，联轴器附加径向力f引起的两轴危险截面的附加弯矩(应力)也不同[1]。示例如下(尺寸见图9):

轴危险截面的弯曲应力:

电机σ1 = fl1/0.1 D1；轴σ 2 =减速器的fl2/0.1d2。

当l1≈ l2(见图9)时，两个应力之比为σ 2/σ 1 = D1/D2。

如果D2 = 1，D1 = 2，σ2/σ1 =8，应力差很大。

减速器断轴计算实例:

已知减速机高速轴断裂，直径d2=60mm，电机轴直径d1=90mm。

那么σ 2/σ 1 = D1/D2 = 903/603 = 3.375。

因此，总是减速器轴断裂。

附加径向力f的大小取决于电机和减速器两个轴的同轴度。这种同轴度对硬齿面减速器轴的损伤非常敏感。在《机械设计手册》中，对于弹性联轴器，通常规定减速机安装时不同轴的径向位移δ y不应大于0.2 ~ 0.3 mm，这可能适用于齿面较软的减速机，但对于硬齿面减速机，可能过大。然而，大多数现场安装人员和用户并没有注意到这种错位，认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差，这是一种严重的误判。上述计算表明，由于减速器轴比电机轴小得多，所以减速器轴上的弯曲应力比电机轴大得多，减速器轴断裂是不可避免的。

第四个原因:联轴器径向刚度。

联轴器的径向刚度是指弹性联轴器两半的两轴产生单位径向位移δ y所需的径向力，径向刚度越大，产生径向位移的径向力越大，对连接轴强度的不利影响越大。带有非金属弹性元件的挠性联轴器，如弹性套圈销联轴器、梅花形弹性块联轴器、轮胎联轴器等。，具有较小的径向刚度，但它们的径向刚度仍然不同。

一些制造质量差的联轴器径向刚度大。当两轴不对中并有径向位移时，作用在轴上的附加径向力很大，严重影响轴的强度。图10所示的蛇形弹簧联轴器是一个例子。半联轴器上的矩形直齿廓不利于径向位移的调整。

原因5:轴上旋转部件不平衡。

如果旋转部件的静平衡或动平衡不好，旋转部件就会产生离心力，增加轴的附加应力，从而影响轴的强度。图11显示了半联轴器-轴-减速器的配置关系，其中半联轴器的质量有些偏心。

零件偏心旋转质量引起的离心力为:

画

q型——偏心产生的离心力(n)；

R——偏心率(mm)；

N——轴的转速(r/min)；

M——联轴器质量(千克)。

因为离心力与旋转部件质量的平方成正比，质量对离心力的影响很大。

用实例说明。

众所周知，减速器高速轴的速度为n=1500r/min。

假设:偏心率r = 0.1mm毫米；高速轴上旋转部件的质量(如蛇形弹簧联轴器、制动轮等)。)是m=50kg。由此产生的离心力。

画

如果这个离心力的一半由减速器轴承受，轴上的径向载荷可以达到2056.5牛顿。

因为离心力与旋转部件质量的平方成正比，质量对离心力的影响很大。其他条件不变的情况下，比如旋转部件质量m=70kg，那么Q=8062N，也就是离心力几乎翻倍。离心力在轴上造成额外的弯曲应力，这将影响轴的疲劳强度。

原因6:联轴器和制动器的质量重力。

减速器的高速轴上一般都有联轴器或制动轮，它们的自重对齿面较软的减速器的高速轴强度影响不大，因为这类减速器的轴尺寸可以做得更大。但对于硬齿面减速机，由于高速轴上齿轮结构的限制，高速轴的尺寸和安全系数相对较小，联轴器或制动轮的质量重力可与上述离心力叠加。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不可忽视。

例:偏心率r = 0.1mm高速轴上旋转部件的质量为m=50kg，产生的离心力为4113N。如果考虑转动部件质量产生的重力为500N，两者之和可达4613N，相当于离心力增加12%。可以看出，高速轴上旋转部件的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。

针对上述问题，可提出防止高速轴断裂的主要措施:

1)严格控制控制槽的加工质量，特别是槽底圆角半径r，尽量按标准取较大值；

不能使用没有圆角的键槽。

2)安装在高速轴上的联轴器和制动轮应进行静平衡或动平衡试验，以避免过大的附加离心力。

3)尽可能减轻联轴器和制动轮的重量。

4)不要使用制造质量不符合技术要求的联轴器和制动器。

5)减速器和电机底座的底面最好是加工平面；调节垫片应平整，最好有定位措施，如图12所示。

6)定期检查地脚螺栓是否松动、断裂等。，以防止电机或减速器在设备运行一段时间后移动并破坏调整后的同轴度。

7)最重要的是控制减速机安装的同轴度。安装减速器时，应派专业技术人员对电机和减速器的同轴度进行调整和测试。使用快速、简单和经济的激光对中装置(图13)，可以很好地检测两轴的对准情况。

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