废钢车间行车大车减速机输出轴频繁断裂分析

吴超

(福建省三明市三钢矿山开发公司,福建三明 365000)

废钢车间行车大车减速机输出轴频繁断裂分析

吴超

(福建省三明市三钢矿山开发公司,福建三明 365000)

针对近期车间行车大车减速机输出轴频繁断裂的情况,根据设计目的、断裂轴的力学性能、化学性能、金相组织进行分析,结果显示负载量大、减速机输出轴成份为未经过热处理是导致车间行车大车减速机输出轴频繁断裂的原因。通过降低电机输出转矩、降低大车打反车的频率及加强操作工的技能培训可改进输出轴的断裂情况。

输出轴 减速机 频繁断裂

众所周知，输出轴是非常重要的动力输出装置。针对车间近三年来行车大车减速机更换的情况，进行了统一的整理和汇总，结果分析发现，减速机更换的主要原因是反应车间行车大车减速机输出轴频繁断裂。下面将针对输出轴的频繁断裂情况，进行简单的分析。

1 减速机输出轴的断裂过程分析

为了更深刻的弄清楚废钢车间行车大车减速机输出轴频繁断裂的情况，对车间内曾将断裂的输出轴进行了认真的考察分析。发现输出轴的断裂过程主要分为裂纹的萌生与裂纹的扩展过程。输出轴断裂的位置主要位于输出轴与联轴器相互连接的轴颈具有过度作用的肩处，因为这个部位是输出轴上所有作用力的集中部位，同时也发现输出轴上的断口位置位于距离轴上键槽2-4mm的位置。根据输出轴断口的外观进行分析，结果显示对输出轴断裂初步判断为反复加载过多物品导致的断裂。输出轴上断裂位置源裂纹大多位于输出轴表面承受外力的集中部位。在使用过程中，电机的交变转矩导致了输出轴上裂纹由轴的表面部位朝向输出轴的中心承受力的部分发生扩展，大量的微裂纹在中心承受力部分交接最终形成了具有反射性作用的撕裂愣，进而导致了输出轴承受外力有效承载面积的降低，输出轴的强度减弱导致了输出轴的断裂。根据断裂过程性质进行分析，输出轴的断了过程分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂为输出轴的金属材料在发生断裂之前有明显的变形，通常情况下是输出轴金属材料断裂时外观变形大于10%。这一断裂过程的特点是输出轴在发生断裂事件之前有不规则的变形，输出轴断裂面的表面多为暗黑色的纤维状外貌形态。脆性断裂为输出轴的金属材料在断裂之前没有发生外观形态的变化，通常情况下是输出轴金属材料断裂时外观变形小于5%。这一断裂的过程的特点为输出轴的断裂口没有明显的形态变化，一般多为从断裂面的内部发现导致断裂的源纹，输出轴断裂面比较平直并且能发现到人字或者放射样的条纹形貌。脆性断裂发生时多为输出轴承受比材料所能承受最大作用力。

2 减速机输出轴的断裂原因分析

2.1 减速机输出轴承载量问题的分析

废钢二工段50t行车在进行设计之初考虑到当时钢厂的生产力情况，且需装载的废钢量又可能超重，故根据当时的负载情况在大车传动设计上一定程度的放大传动电机的功率，存在着大马拉小车的情况。按扭转强度条件确定的减速机低速轴最小直径：

式中：P为轴所传递的功率(KW);n为轴的转速(r/min);Ao为计算系数。

经计算所需输出轴轴径：dmin=φ104mm＞φ80mm或φ95mm(现有减速机输出轴径)。

另根据国标《减速机标准样本》在输入轴n=750r/min，减速机速比31.5时，减速机承载能力即输出轴的转矩为6210.3N.M，而22KW大车电机额定功率时，减速机输出轴的转矩为8222.2N.M，故启动或制动时，低速轴存在强度不足的问题。

为了更精确的分析输出轴断裂的原因，对现场二工段1#行车减速机的输出轴的断轴进行了力学性能分析、化学性能分析及金相组织分析。力学性能分析结果显示输出轴的屈服强度、延伸率、断面伸缩率均满足国家标准(GB/T699—1999)。化学性能分析，化学成分均满足国家标准(GB/T699—1999)。化验结果显示输出轴的金属材料多为那些未经过热处理的钢，而二工段1#行车ZQA500减速机为中硬齿面减速机显而不符合国标规定输出轴必须要经过调质处理，因此热处理不到位导致轴强度减小是轴断裂的一个原因。金相组织分析显示输出轴断裂面主要发生在离输出轴变径6.5mm处，断口的位置与输出轴上所承受的作用力方向垂直。断口没有颈缩现象，，输出轴断裂的方向为由输出轴中心向四周放射状扩散发展，属于典型的脆性断裂。

2.2 造成的减速机输出轴频繁断裂的其他原因

对于生产比较忙碌的周期来说，车间发生废钢车辆事故较多，因此4#行车由原来的吊斗行车改为磁力吸盘行车(负载转矩降低)，用于卸车与废钢倒堆，因生产区域受限，行车运行时需经常大车电机打反车来进行制动或反向启动，大车电机打反车可以分为两个过程。

(1)反接制动：通过改变电动机电源相序，使定子绕组产生与转子旋向相反的旋转磁场而产生制动转矩即反接制动，来克服大车停车过程中的惯性力矩和摩擦力矩，反接制动电路增加了限流电阻R(即高速档接入电路的阻值比低速档接入电路的阻值小)，产生的电流较大，电机制动转矩约为启动转矩1.4倍，故对减速机的输出轴产生一个较大的反向转矩。

(2)反向启动：当负载停止运行后，若电机的反向输出转矩大于摩擦力矩时，行车开始反向运动。

因此频繁的打反车相当于电机频繁的启动，减速机输出轴频繁受到交变双向扭转应力作用，故输出轴容易疲劳断裂。

3 降低减速机输出轴断裂的改进方

3.1 降低减速机输出轴电机实际输出转矩

降低电机实际输出转矩，增大反接制动过程的串联电阻R，如反接制动时接入低档位的电阻或串联电阻，降低行车打反车时的制动力矩;在确保生产的前提下，降低大车速度，如大车档位由1-5档改为1-4或1-3档，减小负载转矩，降低输出轴的实际转矩，减小减速机输出轴的双向疲劳冲击。

3.2 改变减速机输出轴的零部件

现有的型号为PM500-Ⅲ-1z/2z或ZQA500-Ⅲ-1z/2z的减速机输出轴，减速机输出轴为φ80mm和φ95mm，将其改为速比23.34，减速机输出轴为φ95mm，更换减速机零部件，增强其疲劳强度，改为硬齿面或中硬齿面的减速机。

3.3 降低大车打反车的频率

降低大车打反车的频率，在停车之间进行预算，充分利用大车档位降速，避免在高速档的条件下直接打反车，需保证反接制动时串联电阻R，打反车时应由低速档-零位-低速档或高速档-零位-低速档。

3.4 加强对操作工的技能培训

加强对操作工的技能培训，提高操作工的装斗准确性和吊斗的稳定性，能有效的降低行车的使用频率，降低了输出轴减速机相的疲劳程度，从而提高输出轴减速机的使用寿命。

4 结语

减速机输出轴是非常重要的动力输出装置。针对车间近三年来行车大车减速机更换的情况，进行了统一的整理和汇总。根据设计目的、断裂轴的力学性能、化学性能、金相组织进行分析，通过降低电机输出转矩、降低大车打反车的频率及加强操作工的技能培训可改进输出轴的的断裂情况。

[1]冶金工业部钢铁研究院,北京钢厂,齐齐哈尔钢厂.合金钢断口分析金相图谱[M].北京：科学出版社,2010.

[2]刘正义,吴连生,许麟康,张静江.机械装备失效分析图谱[M].广州：广东科技出版社,2011.

[3]王晓青,夏水华.轴断裂影响因素及影响机制研究[J].煤矿机械,2010,31(07)：82-83.