TZX5特種銑頭電機軸斷裂原因及改造

來延峰，李貴鵬

（一拖（洛陽）柴油機有限公司裝備部，河南洛陽471000）

TZX5特種銑頭電機軸斷裂原因及改造

來延峰，李貴鵬

（一拖（洛陽）柴油機有限公司裝備部，河南洛陽471000）

TZX5特種銑頭電機輸出軸為懸臂梁式支撐結構，且受力點距離支撐點較遠，結構強度不足，易出現軸斷裂故障，改為簡支梁結構提高結構強度。

懸臂梁；結構強度；斷裂；結構可靠性

1 問題

TZX5通用型特種銑頭，刀盤直徑500 mm，適用于大平面銑削加工。設計結構緊湊，安裝定位簡單，通用性強，適配廣泛。在使用過程中發現，該銑頭動力箱電機軸易出現彎曲甚至斷裂故障，且漏油嚴重。

2 原因分析

（1）觀察電機軸斷口發現，斷裂口面積45%為較早傷口，剩余為新斷裂口，紋路為典型的疲勞斷裂裂紋。根據損壞前銑頭運轉時有周期性敲擊噪聲，由此推斷電機軸齒輪存在偏心，檢查銑頭動力箱發現齒輪內孔鍵槽深度2.5 mm屬不合格，齒輪內孔孔徑38+0.05 mm超差，電機軸頸磨損至Φ38-0.1 mm超差，鍵頂接觸并擠死導致齒輪偏心，機床運轉時形成強烈的周期性沖擊載荷。

（2）銑頭電機為立軸下置式安裝，需采用骨架油封對電機軸進行密封，密封可靠性不高，且電機安裝困難，容易損壞骨架油封；齒輪偏心加劇密封圈磨損失效漏油，導致系統長時間處于無潤滑運行狀態。實測在無潤滑時，電機輸入功率達到10.8 kW。

（3）電機軸齒輪為懸臂梁式支撐結構，電機軸受彎矩較大，結構強度不足導致電機軸易出現疲勞斷裂。經計算，采取懸臂梁式支撐，電機以額定功率7.5 kW滿負載運行時，電機軸危險截面位于前端軸承處，應力σb=45.5 MPa小于許用應力[σ∞]=75 MPa，安全系數為0.64；潤滑不足時，應力σb=65.5 MPa略低于許用應力[σ∞]=75 MPa，安全系數為0.15，在沖擊載荷作用下導致電機軸疲勞斷裂。

3 改進措施

3.1 軸支撐結構改造

將電機軸齒輪改為齒輪軸，在軸兩端安裝軸承支撐。在負載不變的情況下，齒輪所受徑向力F不變，軸上最大彎矩僅為改造前的1/3。該結構在額定負載運行時，軸的危險截面位于齒輪兩側，應力σb=9.1 MPa遠小于許用應力[σ∞]=75 MPa；

3.2 電機安裝方式改進

電機由立軸下置安裝改為立軸上置安裝，并采用軸直插式連接實現動力傳遞。此結構應用廣泛可靠，例如C518A及其系列大立車刀架電機采用水平軸側置安裝，連接形式為主從動軸直插式連接。

電機上置安裝避免了骨架油封的動密封結構，改為盲孔端蓋密封，密封可靠性高，降低了電機安裝難度，便于日常維修維護。

3.3 電機輸出軸常見連接形式性能分析

（1）彈性聯軸節連接。優點是該結構允許一定的安裝誤差，聯軸節可以吸收沖擊，傳動平穩；缺點是軸向及徑向尺寸較大，整體結構占用空間大。

圖1 改造前后結構對比及受力彎矩分布

（2）剛性套連接。指主從動軸采用剛性套連接實現動力傳遞。優點是軸只承受負載扭矩，結構強度高，結構簡單緊湊；缺點是屬于剛性連接，存在過定位，對同軸度要求極高。

（3）主從動軸直插式連接。指主動軸直接插到被動軸孔內（或被動軸直接插到主動軸孔內）實現動力傳遞。優點是結構較剛性套連接更加緊湊；缺點是屬于剛性連接，存在過定位，對同軸度要求極高。

（4）皮帶連接。皮帶連接采用開式結構，軸多設計為懸臂梁式結構，電機軸受扭矩載荷及彎矩載荷，設計過程中應使皮帶輪受力點盡量靠近電機前端軸承支撐，并進行嚴格的強度校核。優點是該結構允許一定的安裝誤差，皮帶可以吸收沖擊，傳動平穩；缺點是整體結構占用空間大。

（5）齒輪連接。該結構中電機軸直接安裝齒輪并伸入動力箱內通過齒輪嚙合實現拖動。

優點是結構簡緊湊，動力傳遞平穩；缺點是與皮帶連接類似設計過程中應使齒輪盡量靠近電機前端軸承支撐，并進行嚴格的強度校核；由于齒輪傳動需要潤滑，需設計相應的密封結構，密封可靠性不高，易出現漏油現象，且安裝相當困難，可用在電機立軸上置結構中，避免密封結構。

電機安裝齒輪直接拖動式結構應用廣泛，結構已相當成熟，設計中應是齒輪靠近電機前端軸承，并進行嚴格的強度校核。客觀條件限制無法靠近時可在齒輪附近加裝軸承支撐，例如Z3040搖臂鉆主軸電機，齒輪距離電機前端軸承100 mm，在齒輪后側加裝軸承。電機軸直插式連接方式應用也是相當成熟，如C518A大立車走刀電機采用了該結構，安裝方式為水平軸安裝。該結構兼具齒輪直連結構的緊湊性，安裝維護容易，可靠性高。

4 結語

TZX5特種銑頭結構電機下置式安裝雖然整體結構緊湊，但密封結構的可靠性較低，故障頻繁，且安裝維護困難。因此，動力箱在設計過程中應充分考慮可安裝性及日常的維修維護便捷性，設計優先級由高至低順序為：①目標功能實現；②結構可靠性；③安裝維護便利性；④結構緊湊性。

〔編輯 李波〕

TM303.5

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.23