螺旋輸送機(jī)減速電動(dòng)機(jī)連接軸的斷裂失效分析

蔡小亮

（維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司,江蘇常州213000）

0 引 言

螺旋輸送機(jī)作為提升和運(yùn)輸材料的主要輸送裝置，主要由減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、螺旋軸、螺旋殼體等組成。而驅(qū)動(dòng)部分主要由減速電動(dòng)機(jī)、連接軸、軸承座幾部分組成，在螺旋輸送機(jī)中起到關(guān)鍵的作用，其可靠性直接影響到整機(jī)的使用穩(wěn)定性，所以驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)合理性至關(guān)重要。近期，在某項(xiàng)目現(xiàn)場出現(xiàn)減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)連接軸接連斷軸的問題，對(duì)整個(gè)減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了拆解、檢測，發(fā)現(xiàn)斷裂部位位于減速電動(dòng)機(jī)輸出端空心軸與連接軸軸肩連接處。據(jù)悉，該項(xiàng)目有多條螺旋輸送機(jī)采用相同的設(shè)計(jì)方法，如果存在設(shè)計(jì)缺陷或者材料和熱處理不合格，那么其他的螺旋輸送機(jī)也會(huì)存在類似的斷軸風(fēng)險(xiǎn)。為了盡快解決這些問題，需要從源頭分析并作出合理判斷，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，徹底解決這個(gè)問題。

1 連接軸斷裂面形貌

減速機(jī)輸出軸為空心軸，連接軸為實(shí)心軸，材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240～280 HBW。連接軸插入減速機(jī)空心軸并在減速機(jī)尾部通過緊定套固定。圖1給出了驅(qū)動(dòng)部分原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，圖2是實(shí)物斷裂照片，圖3是軸受轉(zhuǎn)矩的理論斷裂面，斷面居中。觀察斷裂面，發(fā)現(xiàn)斷口存在偏心和撕裂的形狀，說明連接軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在徑向載荷和彎扭，長期交變載荷造成疲勞斷裂。

2 連接軸材料成分和硬度檢測

對(duì)斷軸取樣，按照GB/T699-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45鋼成分的要求對(duì)樣件進(jìn)行成分分析，對(duì)樣件3處位置測定布氏硬度，檢測結(jié)果為162、161、162 HBW。

從表1和硬度檢測數(shù)據(jù)可以看出，化學(xué)成分上，Si、Mn、P三種元素均超標(biāo)，材料成分不合格；硬度未達(dá)到240～280 HBW，熱處理硬度不合格，相當(dāng)于沒有進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

表1 材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測表 %

3 連接軸的有限元分析

圖4給出了連接軸的結(jié)構(gòu)外形圖，材料45鋼性能如下：抗拉強(qiáng)度不小于600 MPa；屈服強(qiáng)度不小于355 MPa；延伸率不小于16%；斷面收縮率不小于40%；布氏硬度不大于197 HB。

對(duì)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，對(duì)軸最大靜應(yīng)力有限元分析的輸入條件：按照電動(dòng)機(jī)工頻狀態(tài)下，功率P=15 kW,輸出轉(zhuǎn)速n=38 r/min，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩T=3770 N·m，取整，按照3800 N·m計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

由圖5最大靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果看出，減速電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)轉(zhuǎn)矩下，軸所受最大靜應(yīng)力為373.3 MPa，大于45鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，結(jié)合表1實(shí)測數(shù)據(jù)，說明軸的性能是不滿足要求的。

減速電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過程中要求可以調(diào)速，調(diào)速范圍在10～85 Hz范圍內(nèi)，如果是恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，則減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)更大。如果在兩倍工頻狀態(tài)轉(zhuǎn)矩下工作，即輸入轉(zhuǎn)矩為7600 N·m，計(jì)算最大靜應(yīng)力如圖6所示。

由圖6分析，軸所受最大靜應(yīng)力為622.1 MPa。在取軸的強(qiáng)度安全裕度達(dá)到2倍的情況下，軸的屈服強(qiáng)度至少在622.1 MPa以上。

所以，經(jīng)過最大靜應(yīng)力分析，受軸材料成分和熱處理性能不合格的影響，軸材料性能不能滿足使用要求。

4 驅(qū)動(dòng)部分的受力分析

圖7給出了螺旋輸送機(jī)的安裝外形和驅(qū)動(dòng)部分的空間位置，螺旋輸送機(jī)與地面成47°角，驅(qū)動(dòng)部分在上部。

根據(jù)圖1和圖7，對(duì)驅(qū)動(dòng)部分受力分析，圖8所示為驅(qū)動(dòng)部分剖分及受力示意圖。

分析如下：1）減速機(jī)軸與水平面成47°角，電動(dòng)機(jī)尾部朝上安裝，M1位置并沒有固定，整個(gè)減速電動(dòng)機(jī)的重力G有2個(gè)分力：沿軸徑向的力Fτ，沿47°軸方向的力Fr。其中：Fτ方向與軸線垂直，F(xiàn)r方向與軸平行。減速電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，質(zhì)量約500 kg，若減速電動(dòng)機(jī)沒有支撐固定，此時(shí)，會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔檬┘佑谳S端彎矩，且Fτ會(huì)施加剪切力，作用區(qū)域?yàn)閳D1所示Ⅰ區(qū)域，在運(yùn)動(dòng)過程中，連接軸既承受減速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，又承受減速電動(dòng)機(jī)的重力給予的彎矩，還有重力作用的剪切力，在復(fù)雜的受力狀況下，軸在承受交變載荷，長時(shí)間作用下，會(huì)造成疲勞。2）從傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)上來分析，此處軸有多處軸向固定，由于制造和安裝誤差，連接軸與減速電動(dòng)機(jī)空心軸在安裝時(shí)會(huì)存在不同軸問題，對(duì)于軸的回轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響，所以此處不建議采用剛性連接，宜采用撓性連接，如采用彈性聯(lián)軸節(jié)。

5 結(jié) 語

1）經(jīng)過材料成分和有限元分析，材料性能不合格是導(dǎo)致軸斷裂的直接原因；2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，電動(dòng)機(jī)沒有固定安裝，連接軸在承受轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，承載了剪切力和彎扭是連接軸疲勞斷裂的根本原因；3）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上，減速機(jī)軸與連接軸之間宜采用柔性連接，減速電動(dòng)機(jī)需固定安裝；4）在材料選用上宜采用性能更高的材料，適當(dāng)?shù)臒崽幚恚谠O(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，保證一定的安全裕度。