一种快速修复机械压力机主传动轴的方法

文/阮兴家·一汽解放汽车有限公司卡车厂

一种快速修复机械压力机主传动轴的方法

文/阮兴家·一汽解放汽车有限公司卡车厂

大型机械压力机主传动轴的结构形式多为齿轮轴或渐开线花键轴，因其在设备上所处位置及功能决定其设计寿命至少等同于压力机的寿命周期，所以一般设备使用单位不将其列为易损备件而储备，这是符合设备的设计、制造理念的。但近几年，我厂六十年代从英国进口的S-1250t单点动压力机和八十年代末从日本小松公司进口的E2S-4000MB（公称压力4000t）双点卡车纵梁生产用压力机，这两种压力机的离合器主轴，在不同的时间节点均出现了离合器轴被扭断的异常现象。S-1250t离合器轴在制动器端出现的扭断情况，如图1所示；4000t压力机离合器主轴扭断情况，如图2所示。

任何设备维修单位以正常的维修思路出发，发生传动轴断裂事故，都会通过制作新轴予以更换，这是一个正确的解决方法。然而，生产企业要面临市场竞争，抢占市场就要与时间赛跑，如果因事先估计不足，既无轴的制造图纸又没有现成的备件，加工新轴的时间过长，在生产不允许长时间停歇的情况下，就只能另辟蹊径，采取迂回措施，想办法在短时间内恢复设备运转。S-1250t单点压力机和E2S-4000MB双点压力机的离合器轴就是在这样的背景下实施断轴连接的。因二者修理方案基本一致，下文仅以S-1250t压力机主轴修复为例进行说明。

图1 S-1250t离合器轴制动器端扭断情况

图2 4000t压力机离合器主轴扭断情况

断轴连接方案的确定

连接断轴的方法有很多，可以采用键连接、销连接或焊接、过盈连接来实现，而每种连接方法各有利弊。

⑴键连接，可以采用双平键连接或花键连接。双平键连接加工简单，依靠键的两个侧面传递扭矩，采用过渡配合，需要加工过渡钢套将两根半轴联成一体，装配容易，半轴零件之间及半轴与套之间均存在间隙。花键连接传递扭矩大，定心精度好，但加工也十分困难，且成本较高。其工艺特点决定了其齿侧和径向均存在一定装配间隙。这两类键连接的特点是：其定心精度低于一体轴，在设备运行时不仅会出现轴的径向跳动和轴向窜动，还会导致设备出现振动和噪声，对设备上的轴承等其他零部件的精度和寿命均存在不利影响。

⑵销连接或焊接。这两种连接的特点是传递扭矩很小，无法达到轴传递工作扭矩的要求。焊接还存在焊后需要再加工和不可拆卸的缺点。

⑶过盈连接。该连接方法加工简单，安装容易，对中性好，对轴的强度削弱小，但对配合面的尺寸精度要求严格，对包容与被包容件的加热温度和膨胀量需要精准把控，设计人员需要掌握理论力学、材料力学等方面基础理论，而且过盈量的计算要求准确。过盈量过大，连接轴承受的径向负荷大，会产生塑性变形甚至胀裂；过盈量过小，传递的扭矩不足，在轴没有达到额定扭矩的数值下，便会产生连接件的相对转动。

图3 预加工短轴

图4 新加工短轴

综合考虑，在我厂现有人员的理论水平和机械加工、装配手段等方面的现状下，曾经有过此类成功的设计和制造案例，有可供借鉴的相关经验，故决定采用断轴过盈连接方案。

断轴连接方案的实施

确定断轴连接方案后，在轴的什么位置连接易于加工，安装方便；断轴连接处需要产生多大摩擦扭矩及其最小危险截面积，选择多大的过盈量，既可以保证传递足够的摩擦扭矩，又不会产生塑性变形；选择怎样的装配方式，易于操作，能一次装配成功，这是此项目实施前，保证项目万无一失必须要考虑的三个重要环节。

确定连接位置

在原断裂处连接，这是一种最简单的连接方式。如图3所示，将短轴端重新制造，长度上增加，包含过盈配合的部分，并加工出φ140mm的孔；将长轴端端头修整，至过盈连接后轴的总长度不变，待配合处加工成φ140mm的轴径。完成两段连接后，新连接轴与原轴各部位尺寸完全相当，安装方便，但离合器传递扭矩的托盘安装在此位置，不仅承受设备额定扭矩，还承受一定的弯矩，综合受力情况较为复杂，而且此位置原轴最大外径φ170mm，内孔加工成φ140mm（原断裂位置外径φ135mm，再小会影响强度）壁厚太小，过盈连接恐怕会引起塑性变形，因此原断裂处不是最佳连接位置。选择受力情况单一，与轴上其他零件无装配关系，轴径稍大的位置进行过盈连接是明智之举。如图4所示，在距离短轴端1491mm处，只承受扭矩，无配合零件，轴径可放大到φ196mm，这是技术组首肯的位置，最终的断轴连接就选定在此位置。

计算过盈量

鉴于厂内设备维修技术员的专业技术水平和工作性质的限制，我们如果从压力机的主电机经过皮带到飞轮，再通过离合器传到轴，依次地计算出各部分的传递扭矩，步步分解计算很困难，而且，用于验算扭矩的很多计算用参数和系数我们也无从得到，那么离合器轴所需的抗扭强度如何确定呢？首先我们假定，传动系统设计之初，所能承受的最大扭矩足够，且安全系数为2，那么断轴连接的过盈配合面所应承受的扭矩只要大于φ135mm轴径（扭断处直径）所承受的扭矩，就足够满足传动要求。

通过对这根轴实际使用工况的确认和查阅了《材料力学》教材和《机械设计》手册后，我们采用第四强度理论计算轴所承受的扭矩为5.2×107N·m，标准配合可能产生的最大过盈量δmax为273μm；最小过盈量为δmin为223μm。

校核过盈连接零件的许用强度

已知所选配合的最大过盈量为273μm，但因采用膨胀法装配，不考虑配合表面微观峰尖被擦去，故装配后可能产生的最大径向应力Pmax为96.31MPa。再由手册查取45钢的屈服强度σs1＝280MPa，则求得最大许用径向应力：Pmax1为140MPa，Pmax2为75.96MPa。

选择过盈装配方法

过盈配合最实用的安装方法是温差装配法，即利用金属的热胀冷缩特性，将轴降低到一定温度冷缩或将孔升高到一定温度热胀，或者两者兼用，使被装配的轴和孔产生间隙，然后快速安装冷却到室温，完成过盈装配的方法。

温差装配法的两个关键问题：一是轴与孔之间多少温差能够产生足够的间隙以顺利装配。二是在装配温度下，零件的金相组织是否会发生改变，这将会影响到配合件的力学性能，经计算确定装配的温度为319℃。根据计算所需的加热温度，已有的装备情况，现场的作业环境和工件的形状及尺寸，采用氧炔火焰加热的方法比较可行，但温度不好准确控制，所以在实际操作时，采用边加热边测量热胀量的方法得到的结果更为准确。

装配过程

为了顺利安装，对加工后待装配的轴和孔进行预先处理，清擦去除杂物，如图5所示。将新加工的短轴孔朝上固定在地面上，将长轴焊上吊耳，用天车吊着准备安装。使用氧气乙炔火焰加热地面上的短轴，10min后开始间断测量，大约经过40min后，测得内孔热胀量达到600μm，长轴顺利地装入到短轴孔中，为了防止轴在热胀冷缩的条件下出现变形，轴在自然冷却至室温之前，始终用天车垂直吊着。轴冷却之后，将轴装在卧式车床上进行同轴度检测，对轴的超差部位实施加工，直至满足精度要求为止。断轴连接后的效果如图6所示。

图5 装配前的预处理图

图6 断轴连接后的效果图

结束语

主轴修复后自投入使用到现在已有两年多时间，尚未出现轴扭断、磨损及开裂现象。这是用理论指导实践的一次成功案例。在这项实践活动中，我们积累了宝贵的机械零件强度验算和实际安装经验，为今后大型零件的低成本应急维修提供了可借鉴的宝贵经验。