機架轉軸斷裂失效分析及結構優化

閆照鋒， 王孝兵， 韓洪偉

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 470003）

0 引言

隨著新能源市場的持續向好，鋰電行業迎來了空前的發展，但也面臨著同質化競爭、核心技術缺乏等問題。三元軟包電池以其體積小、重量輕、能量比高、安全性高、設計靈活等優點，獲得了較大的發展空間，目前配套設備存在問題較多，存在安全隱患。

圖1是封裝軟包電池采用的夾具升降機構示意圖，通過電機帶動轉軸轉動，帶動夾具升降。前期使用中，機架轉軸于安裝軸承位置突然發生斷裂，設備在室溫下工作，每天運轉20 h，正常工作2個月，電機轉速1000 r/min，潤滑狀況良好，無任何腐蝕環境，熱處理工藝為正火和回火。為查明轉軸斷裂原因，避免類似失效發生，對其取樣進行檢驗和分析。

圖1 夾具升降機構示意圖

1 失效分析

1.1 化學成分分析

45鋼價格便宜，來源方便，加工性能好，淬火、調質處理后，能獲得較高的強度和韌性等綜合力學性能［1］，因此轉軸材料選擇45鋼。在轉軸斷口附近取樣進行化學成分分析，表1所示為樣品化學分析結果，可見鍛件的化學成分符合標準JB/T6397-2006《大型碳素結構鋼鍛件技術條件》［2］的規定。

1.2 工作原理

工作原理：電機帶動轉軸轉動，兩端采用鏈條傳動，鏈條中部與軌道采用過渡板連接，過渡板與滑塊、機架連接，通過鏈條帶動其上下移動。從圖1可以看出，轉軸斷裂主要原因為：1）機架變形，夾具移動中卡死；2）鏈輪傳動精確度低，兩邊受力不同步；3）傳動機構不合理，受力不均勻。

表1 樣品化學成分質量分數分析

1.3 力學性能測試

在轉軸1/2半徑處制取2根20 mm的縱向拉伸試樣，室溫（23℃）進行拉伸力學性能試驗，結果見表2，可見轉軸材料各項拉伸性能也均符合JB/T6908-2006對45鋼的技術要求［3］。

表2 轉軸拉伸測試

1.4 宏觀分析

根據斷口的宏觀特征，斷面由平滑區和粗糙瞬斷區構成［4］，平滑區域可觀察到波浪型的輝紋，局部出現二次裂紋，瞬斷區為突然性破壞，呈現出靜斷裂或沖擊斷裂外觀；裂紋源是從軸邊緣開始，然后向中心部擴展，最后于中心部位斷裂，斷口平整光亮，有金屬光澤，圖2中A、B、C分別表示裂紋源、擴展區和瞬斷區［5］。

從光滑區和粗糙區面積比例看，粗糙區約占50%左右，疲勞條帶較多，轉軸在扭轉、彎曲循環應力作用下，開裂過程中裂紋張合間隙大，說明軸受到較大應力作用；A區與B區呈現細長彎刀形，說明裂紋源與瞬斷區存在相對旋轉滑動，判斷其為旋轉彎曲疲勞斷裂［6-7］，轉軸承受一定的彎曲應力，表明其在使用過程中同軸度不高，產生異常彎曲應力。疲勞擴展至一定深度后，有效承載面積不足，轉軸發生快速斷裂。

圖2 轉軸斷口宏觀形貌

2 轉軸受力分析

轉軸整體對稱，如圖3所示，總長為770 mm，鍵槽寬度為5 mm，深度為3 mm，鍵槽將鏈輪與轉軸連接，傳遞轉矩，中間段軸徑為20 mm，兩端軸徑均為15 mm，長徑比大于38，為細長軸。

由于細長軸剛性很差，車削時受切削力、切削熱和振動等作用和影響，極易產生變形，出現直線度、圓柱度等加工誤差，對轉軸進行受力分析具有重要意義［8］。

圖3 轉軸結構尺寸

2.1 優化前分析

假如從動輪受到拉力F為1000 N，從圖4主動輪與從動輪位置關系，兩者存在10°夾角，可以得出：

聯合式（1）、式（3）、式（5）、式（6）得出：FAx=0 N，FBx=944 N，FCx=41 N。聯合式（2）、式（4）、式（7）、式（8）得出：FAy=7.5 N，FBy=0 N，FCx=7.5 N。

綜合分析可以得出：FA=7.5 N，FB=944 N，FC=41.7 N?？梢钥闯鯞點受力占94%，會引起轉軸應力集中，進而造成斷裂。

圖5 轉軸X方向受力示意圖

圖6 轉軸Y方向受力示意圖

2.2 優化后分析

對轉軸支撐結構進行優化，增加支撐點D，假如從動輪受到拉力F為1000 N，由主動輪與從動輪位置關系圖4可以得出：

由受力關系圖7、圖8可以得出：

聯合式（9）、式（11）、式（13）、式（14）可以得出：FAx=FCx；FBx=FDx；FAx+FBx=492.5 N。

聯合式（10）、式（12）、式（15）、式（16）可以得出：FAy=FCy；FBy=FDy；FAy+FBy=7.5 N。

圖7 轉軸X方向受力示意圖

圖8 轉軸Y方向受力示意圖

通過結果可以看出：假設A點受力為0 N，B點受力為最大值493 N，占總受力的49%，結構優化后，B點受力小于總受力的49%，通過增加支撐點D，轉軸受力最大點明顯降低，整體受力相對穩定。

2.3 綜合分析

通過對比優化前后轉軸受力分析：1）優化前C點受力明顯大于A點，轉軸兩邊傳動不同步，會造成夾具卡死，是造成轉軸斷裂的影響因素；2）受力最大點B在優化后，減少接近45%，同時轉軸兩邊受力均等，較好保證轉軸正常運轉。

3 機架結構優化

圖9為機架優化后的結構，通過對機架轉軸增加支撐點，將原支撐受力減少45%，保證轉軸整體受力均勻，目前設備穩定運行，無斷裂現象。

圖9 優化后機架結構

4 結論

本文介紹了機架工作原理，對轉軸進行了化學分析和宏觀分析，以及優化前后受力分析對比，得出如下結論：1）通過宏觀分析發現，轉軸失效為使用過程中同軸度不高引起的旋轉彎曲疲勞斷裂；2）通過對轉軸優化前后受力分析對比，發現機架結構不合理是造成轉軸斷裂的主要因素；3）實踐證明：對機架轉軸增加支撐點，使得支撐點受力減少45%，保證其受力均勻性和穩定性，結構優化可行。

［1］ 結構鋼低倍組織缺陷評定圖：GB/T1979-2001［S］.

［2］ 大型碳素結構鋼鍛件技術條件：JB/T6397-2006［S］.

［3］ 容積式壓縮機用鋼鍛件：JB/T6908-2006［S］.

［4］ 孫野，朱榮杰.45號鋼電機軸斷裂失效分析［J］.防爆電機，2012，47（4）：50-53.

［5］ 陳俊健.45 鋼驅動軸斷裂原因分析［J］.機械工程師，2013（5）：5-7.

［6］ 謝金鵬，鐘振前，馮冉，等.某壓縮機45鋼轉軸斷裂原因分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2014，50（12）：919-921.

［7］ 張博，白培謙.重型汽車后橋軸頭斷裂分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2004，40（10）：527.

［8］ 趙昌勝，楊峰，崔晴，等.45鋼軸類零件斷裂分析及預防［J］.金屬加工熱處理，2012（5）：45-47.