金属驱动轴断裂失效分析及改进研究

李 剑

（东芝扶梯（中国）有限公司，辽宁 沈阳 110000）

金属驱动轴是扶梯的一个主要部件，它安装在扶梯的驱动轮与电动机之间，其主要作用是确保扶梯能够顺畅运行[1]。众所周知，金属驱动轴的平稳工作不仅仅影响着扶梯的安全运行，同时它还影响着乘客乘坐扶梯的安全性和舒适性。除此以外，金属驱动轴是扶梯系统的输出轴与轴承一同承载着扶梯的运行工作，因此，金属驱动轴的失效或者零件破损不仅会影响扶梯安全生产，甚至会造成很大的安全事故[2]。为此，本文主要对金属驱动轴断裂进行的全面的分析研究，并在此基础之上提出了相关的改进措施。

1 金属驱动轴断裂失效分析研究

1.1 扶梯金属驱动轴断裂的断口分析

扶梯金属驱动轴断裂的断口是金属驱动轴断裂后金属表面所出现的一种外观形貌，它主要是指断口产生的裂纹或者是断口扩展时所产生的痕迹，其形状或者外形直接记录了扶梯金属驱动轴断裂的起因、断裂过程以及最终断裂的相关信息[3]。通过对扶梯金属驱动轴断裂断口的形貌特征进行观察分析研究可以得到有关扶梯金属驱动轴的使用信息，同时了解扶梯金属驱动轴的断面形状以及断裂裂纹的扩展方向等相关信息，以此来进一步判断扶梯金属驱动轴的断裂原因，为进一步完善扶梯金属驱动轴锻炼失效模式、改进设计结构以及合理选材等提供优化方向。

金属驱动轴断裂断口分析还是金属驱动轴材料锻炼失效分析研究的一个主要内容，通过对金属驱动轴断裂断口进行分析和研究能够有效的揭示金属驱动轴断裂的机理，以此来确定金属驱动轴断裂失效的原因，从而更好的根据金属驱动轴断裂失效原因分析其优化措施。

1.2 扶梯金属驱动轴材质分析

扶梯金属驱动轴材质分析主要是分析材料的使用特征。金属材料的抗拉强度与材料的疲劳强度在一定条件下呈正比例关系。因此，在进行扶梯金属材质分析时要注意材质的疲劳强度和抗拉强度。有一些金属驱动轴在生产过程当中其材料中掺杂了钢元素，从而导致金属驱动轴的疲劳强度和抗拉强度降低，从而降低了金属驱动轴的使用寿命，给扶梯的运行带来极大的隐患。除此以外，金属驱动轴在其生产加工过程当中都要经过冶炼、铸锭以及锻造等冶金程序，其冶金过程的质量高低也直接影响着金属驱动轴的最终疲劳强度、抗拉强度和使用寿命。

1.3 化学成分分析

对扶梯金属驱动轴的材料进行化学成分分析主要是为了研究金属驱动轴化学成分当中的碳化物和非碳化物所形成的合金元素，这些化学元素在进行热处理之后能够提升金属驱动轴的各项力学性能。金属驱动轴在扶梯运行过程当中承受着各个各样的冲击力和载荷力，因此对金属驱动轴的材质要求也相对较高。通过相关的技术资料查询可以得知，当前我国扶梯金属驱动轴所选用的材料牌号主要为42CrMo材料。42CrMo材料作为一种综合性优良的金属结构钢材料，其材料当中主要包含合金元素Cr与Mo两种非碳化物所形成的合金元素，其中Cr元素能够有效的提升金属的稳定性，同时降低金属的临界冷却速度，从而有效的提升金属材料的淬透性，确保金属材料的稳定性。

1.4 机械性能测试

在扶梯金属驱动轴断裂失效分析当中，金属驱动轴的机械性能测试主要是为了检测金属驱动轴断裂零件的材料塑性、材料强度以及材料强度指标，即检测金属驱动轴失效抗力指标是否达到指标，以此来更好的判断金属驱动轴零件材料是否满足金属驱动轴运行要求以及相关机械性能。

为了检测金属驱动轴的机械性能，进行了拉伸实验和硬度检测实验。通过拉伸实验不仅仅可以检测金属材料在静载荷作用下所形成的载荷与伸长量的关系，同时还能够获得静载条件下金属驱动轴的材料的延伸率、抗拉强度、屈服极限以及断面收缩率等相关的力学性能指标，具体的拉伸实验结构图如图1所示，为拉伸实验结构图。

图1 拉伸实验结构图

通过实验可以得出扶梯金属驱动轴拉伸实验结果如下所示。

屈服强度δs＝10055MPa，试件的抗拉强度δb＝12048MPa，断面伸率δ＝17.55%。

根据相关要求，42CrMo材料调质处理后的所产生力学性能为抗拉强度σb≥1100MPa，其屈服强度σs≥650MPa，断面延伸率δ≥12%，因此，将实验数据与国家标准数据进行比较分析得出，扶梯金属驱动轴的韧性和强度等机械性均已达到国家标准要求。

2 金属驱动轴失效的改进研究

为了提高扶梯金属驱动轴的使用寿命，降低和避免出现金属驱动轴失效的难题，急需对金属驱动轴的设计进行优化。本文设计的优化方案主要有两种，分别是优化金属驱动轴链接方式和金属驱动轴轴径尺寸优化，下文对两种优化方式进行全面详细的介绍。

2.1 优化金属驱动轴链接方式

当前，市面上较为常用的机械回转部件链接方式是键连接和过盈连接或焊接，其中，键连接主要是利用键来实现金属驱动轴与其轴上零件进行负载传递，它属于机械传动中使用最广泛的一种链接方式，其具有加工简单、拆装维修方便以及性能好等优点，但是其也存在着一些缺点，比如无法承受重型载荷、削弱连接件的疲劳强度以及降低金属驱动轴的承载能力和寿命等等。过盈连接与其不同，它主要是通过被连接件之间的过盈配合实现扶梯金属驱动轴和其轴上零件的链接，其优点主要是能承受重型载荷和冲击载荷、传动精度高以及削弱金属驱动轴连接件疲劳强度的结构缺陷等等。但是它与焊接一样也存在一定的缺点，比如拆装及维护困难，这在一定程度上限制了过盈连接及焊接的应用。

2.2 金属驱动轴轴径尺寸优化

优化金属驱动轴在去除金属轴的螺纹孔和缩短键槽的长度后，其所输出的轴端的应力明显降低，导致疲劳寿命有所提高；然而，此种优化方式使轴端阶梯处的安全系数却明显偏低，使得疲劳寿命也相应降低。于此可知，仅仅优化金属驱动轴外部结构仍无法满足金属驱动轴运行需求，因此需对金属驱动轴轴径尺寸进行优化。金属驱动轴轴径尺寸优化主要是指对金属驱动轴的轴径进行合理优化。为提高扶梯金属驱动轴的使用寿命，通过改变扶梯金属驱动轴的轴径尺寸来提高金属驱动轴的疲劳强度。

3 结束语

总而言之，扶梯金属驱动轴断裂失效属于脆性断裂的范畴，且在使用过程当中不会产生塑性变形，且没有任何的先兆。所以扶梯金属驱动轴断裂后往往产生灾难性后果，导致巨大的经济和人员损失。为了降低和避免扶梯金属驱动轴断裂事件的发生要及时对其进行检测和优化，以此来确保扶梯的顺利运行。