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

摘要:生产经验告诉我们硬齿面减速机的高速轴容易断裂，国内外在用减速机断裂的案例很多。论述了减速器高速轴易断的六个原因:键槽应力集中和过盈配合、减速器安装和使用中的问题、联轴器径向刚度的影响、轴上转动部件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。

关键词:减速器高速轴断裂的预防

1前言

2016年11月，中国通用机械工业协会减速器分会在上海举办了“2016中国减速器技术论坛”。论坛上，沃德传动(天津)有限公司首席齿轮技术专家、北京科技大学教授朱作了题为“减速机的多发病、疑难杂症及预防”的报告。报告内容均来自生产实践，讲解通俗易懂，击中要害，受到欢迎。根据报告的部分内容，本文被整理成文件，经朱教授同意，交《减速器》杂志发表。本文的主要内容是:探讨硬齿面减速机高速轴断裂的断裂特征、频繁断裂的原因以及防止高速轴断裂的改进措施。

高速轴断裂综述

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、B两个地方发生断裂(图1):一个是在联轴器与高速轴的配合端面处(断轴见图2)，另一个是在轴承的同轴配合端面处(断轴见图3)。国内外类似案例很多。

为什么减速机高速轴容易断？这是一个值得研究和探讨的问题。

一张高速轴断裂的断口形貌，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、疲劳扩展区和静态断裂区，高速轴是典型的疲劳断口。

高速轴断裂的B断口形貌，也是疲劳断裂，有一个很小的静态断裂区，说明轴内名义应力不大。

轴的宏观断裂特征；

1)断裂为疲劳断裂，轴为疲劳断裂。

2)轴的断裂部位大多正好在联轴器与轴过盈配合的边缘。

3)大多数最早的疲劳裂纹发生在平键键槽的尖角或过渡圆角处。

4)轴的断裂垂直于轴的轴线，基本上是高强度钢的弯扭断裂。

一般情况下，减速器的高速轴通常只承受扭矩。以往多例断轴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，轴断是不可能的。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，可以说是减速机的通病！

3.高速轴容易断裂的主要原因

为什么高速减速机轴容易断？经综合调查，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)，可以看出最早的疲劳裂纹往往发生在平键键槽的尖角处。显然，键槽的应力集中和轴横截面积的减小会影响轴的强度。

特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中影响很大。图为某矿用减速器高速轴的键槽。键槽底部的圆角R很小，增加了键槽的应力集中。

当轴受到纯扭转时，键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ如图7所示[1]。当重要官方抗拉强度Rm=900MPa时，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:联轴器同轴的过盈配合

从图1可以看出，轴的断裂位置正好在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；高速轴常用的过盈配合H7/m6的应力集中系数不小于1.8。因此，高速轴在联轴器与轴过盈配合的边缘处容易断裂。

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是过盈连接的应力集中示意图；图8b示出了当实心轮盘(齿轮)与轴之间的过盈量为50μm时，接触应力在纵向上的分布；图8c示出了当阶梯盘(齿轮)和轴之间的干涉为50微米时，接触应力在纵向上的分布..这表明了过盈配合对轴强度的影响。

值得注意的是，上述原因之一(键槽应力集中)和第二个原因(过盈联接应力集中)虽然对高速轴的强度有影响，但在轴的强度设计和安全系数计算中已经考虑到了，所以可以肯定的是二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几个人们不重视的原因。

第三个原因:减速机的安装和使用。

硬齿面减速机设计中长期存在的一个问题是电机和减速机轴直径严重不匹配，减速机轴比电机轴细很多。通常减速器轴径d2约为电机轴d1的3/4 ~ 1/2，如图9所示。如果电机轴和减速机轴同轴度差，联轴器上会产生附加径向力F。

由于电机和减速器的轴径(d1，d2)不同，弯曲截面的模数也不同(弯曲截面的模数与直径D成正比)，联轴器产生的附加径向力F在两个轴的危险截面上有不同的附加弯矩(应力)[1]。示例如下(尺寸见图9):

轴危险截面的弯曲应力:

电机的轴σ1 = fl1/0.1d 1；减速器轴σ 2 = FL2/0.1d2

当l1≈ l2时(见图9)，两个应力的比值为σ 2/σ 1 = D1/D2。

如果D2 = 1，D1 = 2，σ2/σ1 =8，应力差是巨大的。

减速器断轴计算实例:

已知某减速机高速轴断裂，直径d2=60mm，电机轴直径d1=90mm。

那么σ 2/σ 1 = D1/D2 = 903/603 = 3.375。

所以，断的总是减速机轴。

附加径向力F的大小取决于电机和减速器两轴的同轴度。这种同轴度对硬齿面减速器轴的损坏非常敏感。在机械设计手册中，弹性联轴器通常规定不同轴的径向位移δy不得大于0.2 ~ 0.3 mm，用于减速器的安装。这可能适用于软齿面减速器，而硬齿面减速机可能过大。但大多数现场安装人员和用户并不重视这种不对中，认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差，这是严重的误判。以上计算表明，由于减速机轴比电机轴小得多，减速机轴上的弯曲应力比电机轴上的弯曲应力大得多，减速机轴断裂在所难免。

第四个原因: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也越大。非金属弹性元件挠性联轴器，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很大。当两轴不对中和有径向位移时，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就是一个例子。半联轴器上的矩形直齿廓不利于径向位移的调整。

第五个原因:轴上旋转部件不平衡。

旋转部件的静平衡或动平衡不好，会引起旋转部件的离心力，增加轴的附加应力，从而影响轴的强度。图11是半联轴器-轴-减速器的配置关系，半联轴器质量有点偏心。

旋转部件的偏心质量引起的离心力为

画

其中q——偏心距产生的离心力(n)；

R——偏心率(毫米)；

N——轴的转速(转/分)；

M——联轴器的质量(千克)。

因为离心力与旋转部件质量的平方成正比，所以质量对离心力的影响很大。

通过实际计算实例加以说明。

已知减速机高速轴的转速为n = 1500r转/分。

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

画

如果离心力的一半由减速器轴承受，轴上的径向载荷可达2056.5N。

因为离心力与旋转部件质量的平方成正比，所以质量对离心力的影响很大。举个例子，其他东西相等的情况下，如果旋转部分的质量m=70kg，那么Q=8062N，也就是离心力几乎增加了一倍。离心力Q在轴上引起额外的弯曲应力，这将影响轴的疲劳强度。

第六个原因:联轴器和制动器的质量重力。

一般在高速减速机轴上，或者制动器的制动轮上有一个联轴器。其自重对软齿减速器高速轴的强度影响很小，因为减速器轴的尺寸可以做得更大。但对于硬齿面减速机，由于高速轴上齿轮结构尺寸的限制，高速轴的尺寸和安全系数都比较小，而且由于联轴器或制动轮的质量重力可以与上面提到的离心力叠加，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是不可忽略的。

例子: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。如果考虑旋转部件质量产生的重力为500N，两者叠加可达4613N，相当于离心力增加12%。可以看出，高速轴上旋转零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

针对以上问题，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，尤其是槽底圆角半径R，按标准尽量取较大值；

不能使用没有圆角的键槽。

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

3)尽量减轻联轴器和制动轮的重量。

4)制造质量不符合技术要求的联轴器和制动器不能使用。

5)减速器和电机底座的底面最好是机加工平面；调整垫片要光滑，最好有定位措施，如图12所示。

画

6)定期检查地脚螺栓是否松动或断裂等。，以防止设备运行一段时间后，电机或减速机移动，损坏调整后的同轴度。

7)最重要的是控制好减速机安装的同轴度。安装减速器时，应派掌握技术的专业人员对电机和减速器的同轴度进行调整和检测。使用快速、简单和经济的激光对中装置(图13)来检测两个轴的对准可能会有很好的效果。

作者:沃德传动(天津)有限公司

马·艾霞·王永会

参考资料:

[1]吴主编。机械设计者手册(第二卷)[M]。北京:中国机械工业出版社，2009: 1524

[2]李主编，。Yb/050-1993:冶金设备用YNK齿轮减速器标准宣传读本[M]。北京:中国标准出版社，1994: 66-68。

[3]第11页