吳超

(福建省三明市三鋼礦山開發(fā)公司,福建三明 365000)

廢鋼車間行車大車減速機輸出軸頻繁斷裂分析

吳超

(福建省三明市三鋼礦山開發(fā)公司,福建三明 365000)

針對近期車間行車大車減速機輸出軸頻繁斷裂的情況,根據(jù)設(shè)計目的、斷裂軸的力學(xué)性能、化學(xué)性能、金相組織進行分析,結(jié)果顯示負載量大、減速機輸出軸成份為未經(jīng)過熱處理是導(dǎo)致車間行車大車減速機輸出軸頻繁斷裂的原因。通過降低電機輸出轉(zhuǎn)矩、降低大車打反車的頻率及加強操作工的技能培訓(xùn)可改進輸出軸的斷裂情況。

輸出軸 減速機 頻繁斷裂

眾所周知，輸出軸是非常重要的動力輸出裝置。針對車間近三年來行車大車減速機更換的情況，進行了統(tǒng)一的整理和匯總，結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，減速機更換的主要原因是反應(yīng)車間行車大車減速機輸出軸頻繁斷裂。下面將針對輸出軸的頻繁斷裂情況，進行簡單的分析。

1 減速機輸出軸的斷裂過程分析

為了更深刻的弄清楚廢鋼車間行車大車減速機輸出軸頻繁斷裂的情況，對車間內(nèi)曾將斷裂的輸出軸進行了認真的考察分析。發(fā)現(xiàn)輸出軸的斷裂過程主要分為裂紋的萌生與裂紋的擴展過程。輸出軸斷裂的位置主要位于輸出軸與聯(lián)軸器相互連接的軸頸具有過度作用的肩處，因為這個部位是輸出軸上所有作用力的集中部位，同時也發(fā)現(xiàn)輸出軸上的斷口位置位于距離軸上鍵槽2-4mm的位置。根據(jù)輸出軸斷口的外觀進行分析，結(jié)果顯示對輸出軸斷裂初步判斷為反復(fù)加載過多物品導(dǎo)致的斷裂。輸出軸上斷裂位置源裂紋大多位于輸出軸表面承受外力的集中部位。在使用過程中，電機的交變轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致了輸出軸上裂紋由軸的表面部位朝向輸出軸的中心承受力的部分發(fā)生擴展，大量的微裂紋在中心承受力部分交接最終形成了具有反射性作用的撕裂愣，進而導(dǎo)致了輸出軸承受外力有效承載面積的降低，輸出軸的強度減弱導(dǎo)致了輸出軸的斷裂。根據(jù)斷裂過程性質(zhì)進行分析，輸出軸的斷了過程分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂為輸出軸的金屬材料在發(fā)生斷裂之前有明顯的變形，通常情況下是輸出軸金屬材料斷裂時外觀變形大于10%。這一斷裂過程的特點是輸出軸在發(fā)生斷裂事件之前有不規(guī)則的變形，輸出軸斷裂面的表面多為暗黑色的纖維狀外貌形態(tài)。脆性斷裂為輸出軸的金屬材料在斷裂之前沒有發(fā)生外觀形態(tài)的變化，通常情況下是輸出軸金屬材料斷裂時外觀變形小于5%。這一斷裂的過程的特點為輸出軸的斷裂口沒有明顯的形態(tài)變化，一般多為從斷裂面的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致斷裂的源紋，輸出軸斷裂面比較平直并且能發(fā)現(xiàn)到人字或者放射樣的條紋形貌。脆性斷裂發(fā)生時多為輸出軸承受比材料所能承受最大作用力。

2 減速機輸出軸的斷裂原因分析

2.1 減速機輸出軸承載量問題的分析

廢鋼二工段50t行車在進行設(shè)計之初考慮到當時鋼廠的生產(chǎn)力情況，且需裝載的廢鋼量又可能超重，故根據(jù)當時的負載情況在大車傳動設(shè)計上一定程度的放大傳動電機的功率，存在著大馬拉小車的情況。按扭轉(zhuǎn)強度條件確定的減速機低速軸最小直徑：

式中：P為軸所傳遞的功率(KW);n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min);Ao為計算系數(shù)。

經(jīng)計算所需輸出軸軸徑：dmin=φ104mm＞φ80mm或φ95mm(現(xiàn)有減速機輸出軸徑)。

另根據(jù)國標《減速機標準樣本》在輸入軸n=750r/min，減速機速比31.5時，減速機承載能力即輸出軸的轉(zhuǎn)矩為6210.3N.M，而22KW大車電機額定功率時，減速機輸出軸的轉(zhuǎn)矩為8222.2N.M，故啟動或制動時，低速軸存在強度不足的問題。

為了更精確的分析輸出軸斷裂的原因，對現(xiàn)場二工段1#行車減速機的輸出軸的斷軸進行了力學(xué)性能分析、化學(xué)性能分析及金相組織分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示輸出軸的屈服強度、延伸率、斷面伸縮率均滿足國家標準(GB/T699—1999)?；瘜W(xué)性能分析，化學(xué)成分均滿足國家標準(GB/T699—1999)?；灲Y(jié)果顯示輸出軸的金屬材料多為那些未經(jīng)過熱處理的鋼，而二工段1#行車ZQA500減速機為中硬齒面減速機顯而不符合國標規(guī)定輸出軸必須要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，因此熱處理不到位導(dǎo)致軸強度減小是軸斷裂的一個原因。金相組織分析顯示輸出軸斷裂面主要發(fā)生在離輸出軸變徑6.5mm處，斷口的位置與輸出軸上所承受的作用力方向垂直。斷口沒有頸縮現(xiàn)象，，輸出軸斷裂的方向為由輸出軸中心向四周放射狀擴散發(fā)展，屬于典型的脆性斷裂。

2.2 造成的減速機輸出軸頻繁斷裂的其他原因

對于生產(chǎn)比較忙碌的周期來說，車間發(fā)生廢鋼車輛事故較多，因此4#行車由原來的吊斗行車改為磁力吸盤行車(負載轉(zhuǎn)矩降低)，用于卸車與廢鋼倒堆，因生產(chǎn)區(qū)域受限，行車運行時需經(jīng)常大車電機打反車來進行制動或反向啟動，大車電機打反車可以分為兩個過程。

(1)反接制動：通過改變電動機電源相序，使定子繞組產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋向相反的旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩即反接制動，來克服大車停車過程中的慣性力矩和摩擦力矩，反接制動電路增加了限流電阻R(即高速檔接入電路的阻值比低速檔接入電路的阻值小)，產(chǎn)生的電流較大，電機制動轉(zhuǎn)矩約為啟動轉(zhuǎn)矩1.4倍，故對減速機的輸出軸產(chǎn)生一個較大的反向轉(zhuǎn)矩。

(2)反向啟動：當負載停止運行后，若電機的反向輸出轉(zhuǎn)矩大于摩擦力矩時，行車開始反向運動。

因此頻繁的打反車相當于電機頻繁的啟動，減速機輸出軸頻繁受到交變雙向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，故輸出軸容易疲勞斷裂。

3 降低減速機輸出軸斷裂的改進方

3.1 降低減速機輸出軸電機實際輸出轉(zhuǎn)矩

降低電機實際輸出轉(zhuǎn)矩，增大反接制動過程的串聯(lián)電阻R，如反接制動時接入低檔位的電阻或串聯(lián)電阻，降低行車打反車時的制動力矩;在確保生產(chǎn)的前提下，降低大車速度，如大車檔位由1-5檔改為1-4或1-3檔，減小負載轉(zhuǎn)矩，降低輸出軸的實際轉(zhuǎn)矩，減小減速機輸出軸的雙向疲勞沖擊。

3.2 改變減速機輸出軸的零部件

現(xiàn)有的型號為PM500-Ⅲ-1z/2z或ZQA500-Ⅲ-1z/2z的減速機輸出軸，減速機輸出軸為φ80mm和φ95mm，將其改為速比23.34，減速機輸出軸為φ95mm，更換減速機零部件，增強其疲勞強度，改為硬齒面或中硬齒面的減速機。

3.3 降低大車打反車的頻率

降低大車打反車的頻率，在停車之間進行預(yù)算，充分利用大車檔位降速，避免在高速檔的條件下直接打反車，需保證反接制動時串聯(lián)電阻R，打反車時應(yīng)由低速檔-零位-低速檔或高速檔-零位-低速檔。

3.4 加強對操作工的技能培訓(xùn)

加強對操作工的技能培訓(xùn)，提高操作工的裝斗準確性和吊斗的穩(wěn)定性，能有效的降低行車的使用頻率，降低了輸出軸減速機相的疲勞程度，從而提高輸出軸減速機的使用壽命。

4 結(jié)語

減速機輸出軸是非常重要的動力輸出裝置。針對車間近三年來行車大車減速機更換的情況，進行了統(tǒng)一的整理和匯總。根據(jù)設(shè)計目的、斷裂軸的力學(xué)性能、化學(xué)性能、金相組織進行分析，通過降低電機輸出轉(zhuǎn)矩、降低大車打反車的頻率及加強操作工的技能培訓(xùn)可改進輸出軸的的斷裂情況。

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