拉網傳動軸斷裂分析與改進措施

朱慶中

（安徽省楚源工貿有限公司 安徽淮南）

一、引言

公司錨網廠有3臺焊網機，其中1臺焊網機型號GWC1700，焊接鋼筋網最大寬度1700 mm，網格尺寸縱向最小80 mm，橫向最小 25 mm，焊接鋼筋直徑，縱筋 6～8 mm，橫筋6～10 mm。具有22個焊點，焊接頻率40次/min。PLC編程控制，伺服電機驅動。每天24 h連續運行，每年運行約350 d。運行不到1年時間內，發生過2次拉網小車軸斷裂事故，對生產影響較大。

傳動軸配套SEW公司的變速箱，型號KH67B/A。變速箱由伺服電機驅動，伺服電機為奧地利貝克萊公司生產，型號8LSA74.E2030D000-0。伺服電機的扭矩通過伺服變速箱的鎖緊盤傳遞給傳動軸，帶動軸旋轉。傳動軸直徑40 mm，材料40Cr調質處理。軸結構采用3段式設計，法蘭連接，帶座外球面球軸承（UCF208）支承定位，圓柱齒輪驅動拉網小車。2次斷裂均發生在中間一段且靠近伺服變速箱處。

二、軸斷裂面的分析

從宏觀分析可以看出，斷口沒有具體的塑性變形如韌窩等，屬脆性斷裂。外貌表現出同一性，端口表面呈明顯的山脊狀花樣，且與軸中心線成45°夾角。表面規則，金屬組織正常，沒有夾雜物，可斷定軸斷裂的原因應屬于扭轉疲勞造成的斷裂失效。細微分析，斷面可分為3部分：①疲勞源發生處，沿軸周緣處分布，且有多處，斷口平坦光滑，有細微的條紋；且紋理比較清晰，指向軸斷面的中心。②疲勞擴展區，表面比較光滑，大致呈現出山脊狀花樣，所占斷面面積較大，約占總斷面面積的1/2～2/3。③瞬間斷裂區，位于軸斷面的中心，約占斷面面積的1/5且非常粗糙。表明該軸是在高應力和大的應力集中條件下斷裂的，耐疲勞壽命較短。斷裂面照片見圖1、圖2。

三、泵軸徑的校核計算

泵軸材料為40Cr鋼且通過調質熱處理，斷裂位置位于減速機空心軸鎖緊盤處，該段軸徑40 mm。主要承受扭矩，根據軸所傳遞的轉矩，按扭轉強度條件初步估算軸的直徑d，見式（1）。

式中T——減速器傳遞的額定轉矩

[τ]——40Cr材料的許用切應力

經查T=24 N·m，[τ]為（40～52）/N·mm-2，這里取 40 N·mm-2，計算后d≥15 mm，遠遠低于40 mm的設計直徑，強度設計沒有問題。

圖1 拉網軸斷裂面照片

四、軸的結構設計和安裝精度分析

拉網小車結構軸采用3段式設計，中間軸通過鎖緊盤傳遞扭矩，2根端軸和中間軸靠法蘭盤將扭矩傳遞到齒輪，帶動齒輪旋轉，靠齒輪和齒條的相對運動拖動小車運動。安裝工藝為：安裝拉網小車機架、調水平→安裝伺服變速箱→安裝中間軸、鎖緊→安裝兩端軸承座、軸、齒輪→通過墊片厚度調整3根軸的水平和齒輪間隙→焊接法蘭盤→精調整→鎖緊螺栓。

從安裝工藝可以看出，法蘭盤和軸的連接，只能在其他工序完成后，現場焊接，不可避免地存在焊接變形和安裝誤差，且法蘭盤屬剛性連接，沒有調整余地。由此可以確定3根軸存在同心度誤差，兩端齒輪不同心，齒輪旋轉時受到齒輪間隙的影響，軸承受較大的扭矩，扭矩應力首先在軸的表面形成裂紋，逐步擴展到內部，直至斷裂。

圖2 典型扭轉疲勞軸斷裂面

五、改進措施

根據以上分析可知，拉網小車軸斷裂的原因為該軸在結構設計上存在缺陷，造成兩端齒輪不同心，導致軸承受較大的扭矩力。為此對軸進行改進，將3段軸結構形式改為1根長軸。在加工過程中，嚴格控制軸的軸承段、鎖緊段、齒輪段的同心度誤差，確保誤差控制在0.02 mm內。重新調整齒條的直線度、水平度和相互之間的平行度，確保齒輪始終間隙一致。經過改進后的軸，運行1年內未再出現軸斷裂現象。