一種礦用自卸車電機軸的工藝改善探討

謝添

摘要：某型礦用電動輪自卸車電機發生斷軸事故，造成了不良影響。根據對斷裂位置的分析，發現其倒角處存在應力集中，對其進行了設計改進，對轉軸的生產加工提供有效的指導和借鑒。

關鍵詞：電動輪電機;應力集中;倒角

中圖分類號：U469.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0143-02

0? 引言

電機軸為傳遞扭矩的重要組件，其性能直接影響到電機能否正常運用。自2017年至2018年，經多地礦場反饋某型礦用電動輪自卸車輪邊減速器電機發生斷軸事故，影響了客戶現場的正常安裝、生產。本文選取一臺出現斷軸問題電機進行拆解分析，此拆解電機出廠時間為2017年4月，運行時間為4560小時，斷裂位置在轉軸的花鍵過渡處。

1? 調查分析

針對問題電機，從宏觀分析、化學成分分析和金相檢查等方面出發，調查分析其斷裂原因。首先對斷軸位置做宏觀形貌檢查（見圖1）斷裂面與軸向垂直，位于過渡圓角處。圖2是經清洗后的斷面宏觀形貌，根據斷面紋理和粗糙度可以分為三個區域。圖2中外圈Ⅰ處斷面較平坦，存在明顯的疲勞貝紋弧線，在表面一圈均存在徑向分布的交匯臺階，這是多次裂紋交匯的臺階，這說明該斷口具有應力集中系數較大的多源疲勞斷裂特征。Ⅱ區存在環形紋理，結合轉軸服役情況可以分析該區域屬于扭轉過載斷裂，這是由于前期疲勞擴展導致承載面積變小后無法承載服役過程中的扭轉應力導致的。Ⅲ區斷面呈灰色粗糙紋理，屬于后期彎曲應力導致的過載瞬斷區域。

將電機轉軸斷口經超聲清洗后放入掃描電鏡觀察微觀形貌。疲勞源處未見老舊裂紋或疏松、夾渣等原材料缺陷。過渡角處存在明顯的平行條狀加工刀痕。斷面II區存在環向扭轉蹭痕，III區微觀形貌為撕裂韌窩，說明該區域為最終撕裂區。

對問題電機進行取樣進行化學成分分析，其中各元素均符合GB/T 3077-1999中關于40CrNiMo的相關技術規范。

使用線切割取齒塊進行金相檢查，圖3是齒塊截面低倍形貌照片，根據顏色不同可以發現齒塊表面為感應淬火，感應區域為齒塊頂部和節圓處，沿齒底方向，淬硬層深度逐漸減小，齒根處不存在感應淬硬層。分別對節圓和齒根進行硬度梯度測試，其結果見圖4，齒根處未見明顯硬度降低，這進一步說明齒根處不存在感應淬硬層。對齒塊節圓處截面做微觀形貌和金相組織，該區域未見明顯異常夾雜，表面組織為細馬氏體，根據JB/T 9204-2008可以評定其顯微組織級別為5級無明顯異常。

沿圖2虛線處取截面金相試樣，發現裂紋起源于過渡角處。圖5是斷口截面金相組織，斷面較平，未發現二次裂紋，具有疲勞斷裂特征。過渡角處截面凹凸不平，為加工刀痕的截面。在凹坑底部還存在細小裂紋，裂紋未見分叉。經硝酸乙醇溶液侵蝕后，斷口截面組織為回火索氏體+少量貝氏體，未見明顯氧化脫碳現象。

2? 原因分析

經宏觀形貌檢查，電機轉軸斷裂面與軸向垂直，位于過渡角處。斷面外圈存在明顯的疲勞貝紋弧線，具有應力集中系數較大的多源疲勞斷裂特征。經掃描電鏡形貌檢測，電機轉軸疲勞源處未見老舊裂紋或疏松、夾渣等原材料缺陷。

過渡角處存在明顯的平行條狀加工刀痕;經化學成分檢查其元素符合GB/T 3077-1999中關于40CrNiMo的相關技術規范，排除原材料的缺陷。經常規金相檢查，齒塊表面為感應淬火，感應區域為齒塊頂部和節圓處，沿齒底方向，淬硬層深度逐漸減小，齒根處不存在感應淬硬層。齒塊節圓表面組織為細馬氏體，屬于正常的感應淬火組織，齒根處表層組織為回火索氏體。轉軸基體存在條帶狀偏析，組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，硬度值為295HBW 5/750;經斷口附近截面金相檢查，斷口截面較平，未發現二次裂紋，具有疲勞斷裂特征。過渡角處截面凹凸不平，為加工刀痕的截面，在凹坑底部還存在細小疲勞裂紋。

結合以上分析結果，轉軸斷口具有扭轉疲勞斷裂特征，其應力集中現象明顯。導致轉軸發生疲勞斷裂的原因是在轉軸過渡角處有結構應力集中，過渡角底部周向加工刀痕造成了附加應力集中，在應力集中和服役應力作用下在應力集中處萌生疲勞裂紋并擴展。

3? 改進措施及仿真驗證

通過對其圓角處仿真模擬分析，發現電機軸疲勞壽命最短區域為軸頸過渡倒角，與實際斷裂部位一致;分別對倒角半徑為0.5mm、0.3mm、3mm時的電機軸模型進行疲勞分析，結合實際的粗糙度，疲勞壽命分別為25017～4133小時，與實際的服役時間（4000～8000小時）基本一致，具體計算結果見表1。

由于轉軸過渡角處的應力集中，對過渡處改為R3的過渡圓角。通過對此處更改前后的有限元分析對比發現，更改后此處的應力為更改前的65%。倒圓角改為3mm后電機軸疲勞壽命達5.44E6小時（局部粗糙度為Rz=6.4μm），能滿足設計要求。疲勞壽命最低部位出現在花鍵齒根處，粗糙度對疲勞壽命影響較大，以Rz=100μm時的SN曲線進行疲勞分析，電機軸的壽命為1.332E5小時。因此針對此處倒角增大的更改及表面粗糙度的提高能明顯提高電機軸的使用壽命。（圖6、圖7）

4? 總結

目前跟蹤更改完成工藝改進的電機軸，運行5000小時無異常。根據仿真分析驗算結論，說明此次對電機軸的工藝改進行之有效，有效提高了電機軸的使用壽命，同時對其他軸類產品的生產和加工提供了指導和借鑒，規避了相同的風險。

參考文獻：

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