廢鋼車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂分析

吳超

(福建省三明市三鋼礦山開(kāi)發(fā)公司,福建三明 365000)

廢鋼車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂分析

吳超

(福建省三明市三鋼礦山開(kāi)發(fā)公司,福建三明 365000)

針對(duì)近期車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂的情況,根據(jù)設(shè)計(jì)目的、斷裂軸的力學(xué)性能、化學(xué)性能、金相組織進(jìn)行分析,結(jié)果顯示負(fù)載量大、減速機(jī)輸出軸成份為未經(jīng)過(guò)熱處理是導(dǎo)致車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂的原因。通過(guò)降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、降低大車打反車的頻率及加強(qiáng)操作工的技能培訓(xùn)可改進(jìn)輸出軸的斷裂情況。

輸出軸 減速機(jī) 頻繁斷裂

眾所周知，輸出軸是非常重要的動(dòng)力輸出裝置。針對(duì)車間近三年來(lái)行車大車減速機(jī)更換的情況，進(jìn)行了統(tǒng)一的整理和匯總，結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，減速機(jī)更換的主要原因是反應(yīng)車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂。下面將針對(duì)輸出軸的頻繁斷裂情況，進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

1 減速機(jī)輸出軸的斷裂過(guò)程分析

為了更深刻的弄清楚廢鋼車間行車大車減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂的情況，對(duì)車間內(nèi)曾將斷裂的輸出軸進(jìn)行了認(rèn)真的考察分析。發(fā)現(xiàn)輸出軸的斷裂過(guò)程主要分為裂紋的萌生與裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。輸出軸斷裂的位置主要位于輸出軸與聯(lián)軸器相互連接的軸頸具有過(guò)度作用的肩處，因?yàn)檫@個(gè)部位是輸出軸上所有作用力的集中部位，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)輸出軸上的斷口位置位于距離軸上鍵槽2-4mm的位置。根據(jù)輸出軸斷口的外觀進(jìn)行分析，結(jié)果顯示對(duì)輸出軸斷裂初步判斷為反復(fù)加載過(guò)多物品導(dǎo)致的斷裂。輸出軸上斷裂位置源裂紋大多位于輸出軸表面承受外力的集中部位。在使用過(guò)程中，電機(jī)的交變轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致了輸出軸上裂紋由軸的表面部位朝向輸出軸的中心承受力的部分發(fā)生擴(kuò)展，大量的微裂紋在中心承受力部分交接最終形成了具有反射性作用的撕裂愣，進(jìn)而導(dǎo)致了輸出軸承受外力有效承載面積的降低，輸出軸的強(qiáng)度減弱導(dǎo)致了輸出軸的斷裂。根據(jù)斷裂過(guò)程性質(zhì)進(jìn)行分析，輸出軸的斷了過(guò)程分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂為輸出軸的金屬材料在發(fā)生斷裂之前有明顯的變形，通常情況下是輸出軸金屬材料斷裂時(shí)外觀變形大于10%。這一斷裂過(guò)程的特點(diǎn)是輸出軸在發(fā)生斷裂事件之前有不規(guī)則的變形，輸出軸斷裂面的表面多為暗黑色的纖維狀外貌形態(tài)。脆性斷裂為輸出軸的金屬材料在斷裂之前沒(méi)有發(fā)生外觀形態(tài)的變化，通常情況下是輸出軸金屬材料斷裂時(shí)外觀變形小于5%。這一斷裂的過(guò)程的特點(diǎn)為輸出軸的斷裂口沒(méi)有明顯的形態(tài)變化，一般多為從斷裂面的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致斷裂的源紋，輸出軸斷裂面比較平直并且能發(fā)現(xiàn)到人字或者放射樣的條紋形貌。脆性斷裂發(fā)生時(shí)多為輸出軸承受比材料所能承受最大作用力。

2 減速機(jī)輸出軸的斷裂原因分析

2.1 減速機(jī)輸出軸承載量問(wèn)題的分析

廢鋼二工段50t行車在進(jìn)行設(shè)計(jì)之初考慮到當(dāng)時(shí)鋼廠的生產(chǎn)力情況，且需裝載的廢鋼量又可能超重，故根據(jù)當(dāng)時(shí)的負(fù)載情況在大車傳動(dòng)設(shè)計(jì)上一定程度的放大傳動(dòng)電機(jī)的功率，存在著大馬拉小車的情況。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件確定的減速機(jī)低速軸最小直徑：

式中：P為軸所傳遞的功率(KW);n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min);Ao為計(jì)算系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算所需輸出軸軸徑：dmin=φ104mm＞φ80mm或φ95mm(現(xiàn)有減速機(jī)輸出軸徑)。

另根據(jù)國(guó)標(biāo)《減速機(jī)標(biāo)準(zhǔn)樣本》在輸入軸n=750r/min，減速機(jī)速比31.5時(shí)，減速機(jī)承載能力即輸出軸的轉(zhuǎn)矩為6210.3N.M，而22KW大車電機(jī)額定功率時(shí)，減速機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩為8222.2N.M，故啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，低速軸存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

為了更精確的分析輸出軸斷裂的原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二工段1#行車減速機(jī)的輸出軸的斷軸進(jìn)行了力學(xué)性能分析、化學(xué)性能分析及金相組織分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示輸出軸的屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面伸縮率均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T699—1999)。化學(xué)性能分析，化學(xué)成分均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T699—1999)。化驗(yàn)結(jié)果顯示輸出軸的金屬材料多為那些未經(jīng)過(guò)熱處理的鋼，而二工段1#行車ZQA500減速機(jī)為中硬齒面減速機(jī)顯而不符合國(guó)標(biāo)規(guī)定輸出軸必須要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，因此熱處理不到位導(dǎo)致軸強(qiáng)度減小是軸斷裂的一個(gè)原因。金相組織分析顯示輸出軸斷裂面主要發(fā)生在離輸出軸變徑6.5mm處，斷口的位置與輸出軸上所承受的作用力方向垂直。斷口沒(méi)有頸縮現(xiàn)象，，輸出軸斷裂的方向?yàn)橛奢敵鲚S中心向四周放射狀擴(kuò)散發(fā)展，屬于典型的脆性斷裂。

2.2 造成的減速機(jī)輸出軸頻繁斷裂的其他原因

對(duì)于生產(chǎn)比較忙碌的周期來(lái)說(shuō)，車間發(fā)生廢鋼車輛事故較多，因此4#行車由原來(lái)的吊斗行車改為磁力吸盤(pán)行車(負(fù)載轉(zhuǎn)矩降低)，用于卸車與廢鋼倒堆，因生產(chǎn)區(qū)域受限，行車運(yùn)行時(shí)需經(jīng)常大車電機(jī)打反車來(lái)進(jìn)行制動(dòng)或反向啟動(dòng)，大車電機(jī)打反車可以分為兩個(gè)過(guò)程。

(1)反接制動(dòng)：通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源相序，使定子繞組產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩即反接制動(dòng)，來(lái)克服大車停車過(guò)程中的慣性力矩和摩擦力矩，反接制動(dòng)電路增加了限流電阻R(即高速檔接入電路的阻值比低速檔接入電路的阻值小)，產(chǎn)生的電流較大，電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩1.4倍，故對(duì)減速機(jī)的輸出軸產(chǎn)生一個(gè)較大的反向轉(zhuǎn)矩。

(2)反向啟動(dòng)：當(dāng)負(fù)載停止運(yùn)行后，若電機(jī)的反向輸出轉(zhuǎn)矩大于摩擦力矩時(shí)，行車開(kāi)始反向運(yùn)動(dòng)。

因此頻繁的打反車相當(dāng)于電機(jī)頻繁的啟動(dòng)，減速機(jī)輸出軸頻繁受到交變雙向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，故輸出軸容易疲勞斷裂。

3 降低減速機(jī)輸出軸斷裂的改進(jìn)方

3.1 降低減速機(jī)輸出軸電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩

降低電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，增大反接制動(dòng)過(guò)程的串聯(lián)電阻R，如反接制動(dòng)時(shí)接入低檔位的電阻或串聯(lián)電阻，降低行車打反車時(shí)的制動(dòng)力矩;在確保生產(chǎn)的前提下，降低大車速度，如大車檔位由1-5檔改為1-4或1-3檔，減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩，降低輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，減小減速機(jī)輸出軸的雙向疲勞沖擊。

3.2 改變減速機(jī)輸出軸的零部件

現(xiàn)有的型號(hào)為PM500-Ⅲ-1z/2z或ZQA500-Ⅲ-1z/2z的減速機(jī)輸出軸，減速機(jī)輸出軸為φ80mm和φ95mm，將其改為速比23.34，減速機(jī)輸出軸為φ95mm，更換減速機(jī)零部件，增強(qiáng)其疲勞強(qiáng)度，改為硬齒面或中硬齒面的減速機(jī)。

3.3 降低大車打反車的頻率

降低大車打反車的頻率，在停車之間進(jìn)行預(yù)算，充分利用大車檔位降速，避免在高速檔的條件下直接打反車，需保證反接制動(dòng)時(shí)串聯(lián)電阻R，打反車時(shí)應(yīng)由低速檔-零位-低速檔或高速檔-零位-低速檔。

3.4 加強(qiáng)對(duì)操作工的技能培訓(xùn)

加強(qiáng)對(duì)操作工的技能培訓(xùn)，提高操作工的裝斗準(zhǔn)確性和吊斗的穩(wěn)定性，能有效的降低行車的使用頻率，降低了輸出軸減速機(jī)相的疲勞程度，從而提高輸出軸減速機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

減速機(jī)輸出軸是非常重要的動(dòng)力輸出裝置。針對(duì)車間近三年來(lái)行車大車減速機(jī)更換的情況，進(jìn)行了統(tǒng)一的整理和匯總。根據(jù)設(shè)計(jì)目的、斷裂軸的力學(xué)性能、化學(xué)性能、金相組織進(jìn)行分析，通過(guò)降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、降低大車打反車的頻率及加強(qiáng)操作工的技能培訓(xùn)可改進(jìn)輸出軸的的斷裂情況。

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