硬齿面减速机高速轴容易断裂的原因和预防

生产实践经验告知，硬齿面减速机的高速轴很容易断裂，国内外减速机在使用中都有不少断裂的案例。本文论述减速机高速轴很容易断裂6方面的原因 ：键槽和过盈配合的应力集中、减速机安装使用中的问题、轴上联轴器径向刚度的影响、轴上旋转零部件的不平衡和质量重力的影响。在此分析的基础上，提出预防轴断裂的7项改进措施。

1. 高速轴断裂概述

在生产实践中，硬齿面减速机的高速轴很容易发生断裂，例如：某减速机的高速轴就经常在A、B两处发生断裂（图1）：一处在联轴器同高速轴的配合端面部位（断轴见图2），另一处在轴承同轴的配合端面部位（断轴见图3）。国内外类似的案例还很多。

为什么减速机的高速轴很容易断裂？这是很值得研究、讨论的问题。

图1 减速机高速轴断裂实例   

图2 断轴A

        图3 断轴B

图4是高速轴断裂的A断口形貌，从图中可以看到疲劳源位于键槽底部的尖角处。断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区，高速轴是典型的疲劳断裂。

图5是高速轴断裂的B断口形貌,这也是一个疲劳断裂断口，静断区很小，说明轴中的名义应力并不大。

图4 断轴A的断口

图5 断轴B的断口

断裂轴宏观断口的特征：

1）断口是疲劳断口，轴是疲劳断裂。

2）轴的断裂部位大部分正好位于联轴器与轴过盈配合的边缘处。

3）最早的疲劳裂纹大都发生在平键键槽尖角处，或过渡圆角处。

4）轴的断口垂直于轴的轴线，基本上是一种高强度钢弯曲扭转型断口。

在正常的情况下，减速机高速轴通常仅承受转矩作用。对以往多次断轴案例进行疲劳强度计算结果表明，疲劳强度安全系数通常可达2以上，高速轴应该是安全的，轴不可能断裂。经检查轴的材料、热处理质量也都符合技术要求。但是，高速轴还是经常断裂，可以说是减速机的多发病了！

2. 高速轴容易断裂的主要原因

减速机高速轴为什么容易断裂？经过全面排查后得知其主要原因如下：

原因之一：键槽的应力集中

观察很多带键槽的断轴断口（图6为一例），可以看到最早的疲劳裂纹往往发生在平键键槽尖角处，很明显键槽的应力集中和轴的截面面积减小影响了轴的强度。特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中的影响很大。图中所示是某矿用减速机高速轴的键槽,键槽底部的圆角r就很小，加大了键槽的应力集中。

图6 带键槽的断轴断口

轴受纯扭转时，键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ见图7[1]所示。当轴的抗拉强度Rm=900MPa时，键槽的有效应力集中系数Kτ=2。因此键槽对轴的削弱是很大的。

原因之二：联轴器同轴的过盈配合

在图1中可以看到，轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘处，过盈配合对轴的强度影响很大。从图7可见：过盈配合H7/r6 的应力集中系数可达2.2以上；过盈配合H7/k6的应力集中系数约为1.77；高速轴常用的过盈配合H7/m6的应力集中系数不会小于1.8。因此，高速轴就容易在联轴器与轴过盈配合边缘处断裂了。

过盈连接的应力集中和接触应力分布实例如图8所示。

图8 过盈连接的应力集中和接触应力分布

值得注意的是，以上原因之一（键槽应力集中）和原因之二（过盈连接应力集中）虽然对高速轴的强度有影响，但是两者在轴的强度设计和安全系数计算中都已经计及的因素，因此可以肯定，两者都不是造成轴容易断裂的决定性原因。真正造成高速轴断裂多发病的是以下几个人们不注意的原因。

原因之三：减速机的安装、使用方面的问题

硬齿面减速机设计中的一个老大难问题是电动机和减速机轴直径严重不匹配，减速机轴比电动机轴要细很多。通常，减速机轴直径d2是电动机轴d1的3/4～1/2左右，如图9所示。如果电动机轴和减速机轴同轴度很差，就会在联轴器上产生附加径向力F。

图9 电动机、联轴器和减速机的配置

由于电动机与减速机的轴径不同（d1、d2），造成两者抗弯截面模数不同（抗弯截面模数同直径 d3成正比），联轴器产生的附加径向力F对两轴的危险断面的附加弯矩（应力）也不同[1]。举例说明如下（尺寸见图9）：

轴危险截面的弯曲应力：

电动机轴 σ1=Fl1/0.1d13 ; 减速机轴 σ2=Fl2/0.1d23

当l1≈ l2时（见图9），两应力比值为 σ2/σ1= d13/ d23。

如果取d2=1 , d1=2, 则 σ2/σ1 =8，应力差别巨大。

减速机断轴计算实例:

已知：某减速机高速轴断裂，其直径d2=60mm , 电机轴直径 d1=90mm,

则 σ2/σ1 =d13/d23=903/603=3.375。

因此，断裂的始终是减速机轴。

附加径向力F的大小，取决于电动机和减速机两轴的同轴度。此同轴度对硬齿面齿轮减速机轴的损伤非常敏感。在《机械设计手册》中，对于弹性联轴器通常规定减速机的安装不同轴的径向位移Δy不得大于0.2～0.3mm。这对于软齿面减速机可能是合适的，而对硬齿面减速机可能就偏大了。而大多数现场安装、使用人员并不重视此不同轴度，认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差，这是严重的误判。上述计算表明：由于减速机轴比电动机轴要小得多，因此减速机轴上的弯曲应力要比电动机轴大很多，减速机轴发生断裂就是必然了。

原因之四：轴上联轴器的径向刚度

所谓联轴器的径向刚度是指弹性联轴器的两半联轴器的两轴，产生每单位径向位移Δy需要的径向力。径向刚度越大，产生径向位移的径向力越大，对连接轴强度不良影响就越大。非金属弹性元件挠性联轴器，如弹性套圈柱销联轴器、梅花形弹性块联轴器、轮胎式联轴器等，其径向刚度就较小，但是其径向刚度还是有差别。

某些制造质量很差的联轴器，其径向刚度很大，当两轴不对中有径向位移时，轴上的附加径向力就很大，严重影响轴的强度。图10所示的蛇形弹簧联轴器就是一例。半联轴器上的矩形直线齿廓就很不利于径向位移的调整。

图10 蛇形弹簧联轴器

原因之五：轴上旋转零件的不平衡

旋转零件的静平衡或动平衡不好，将会使旋转零件产生离心力，增加了轴的附加应力，从而影响轴的强度。图11为半联轴器——轴——减速机的配置关系，图中半联轴器质量有点偏心。

图11 半联轴器—轴—减速机的配置

旋转零件质量偏心引发的离心力为

式中 Q——由偏心产生的离心力(N)；

r——偏心距 (mm);

n——轴的转速 (r/min);

m——联轴器的质量(kg)。

由于离心力与旋转零件的质量平方成正比，因此质量对离心力的影响特别大。

用实际计算例子来说明。

已知:减速机高速轴的转速为n=1500r/min。

假设:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件（如蛇形弹簧联轴器、制动轮等）的质量m=50kg。则产生的离心力

如果此离心力的一半由减速机轴来承受，轴上受到的径向载荷也可达2056.5N。

由于离心力与旋转零件的质量平方成正比，因此质量对离心力的影响特别大。例如，其他条件不变，取旋转零件的质量m=70kg, 则Q=8062N,也就是离心力几乎增加了一倍。离心力Q使轴产生附加弯曲应力，会影响轴的疲劳强度。

原因之六：轴上联轴器、制动器的质量重力

减速机高速轴上一般都有联轴器，或者制动器的制动轮，其自重对于软齿面减速机的高速轴的强度来说，影响并不大，因为这种减速机轴的尺寸都可以做得比较大。但是，对硬齿面减速机来说，由于受高速轴上齿轮结构尺寸的限制，高速轴的尺寸和安全系数都比较小，再由于联轴器或制动轮的质量重力可以同上述的离心力叠加，在这种情况下，联轴器或制动轮的质量对高速轴强度的影响就不可以忽视了。

例如前例:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件的质量m=50kg，产生的离心力4113N。如果考虑旋转零件质量产生的重力500N,两者叠加可达4613N，相当于离心力增加了12%。 可见高速轴上旋转零件质量产生的重力也会影响高速轴的强度。

3. 防止高速轴断裂的主要措施

针对以上出现的问题，可提出防止高速轴断裂的主要措施：

1）严格控制键槽的加工质量，特别是槽底的圆角半径 r，尽可能按标准取大值；没有圆角的键槽不能使用。

2）安装在高速轴上的联轴器、制动轮等，应经过静平衡或动平衡试验，避免过大的附加离心力。

3）尽量减轻联轴器、制动轮重量。

4）不能使用制造质量不符合技术要求的联轴器、制动器。

5）减速机和电动机的底座底面，zui好采用经过加工的平面；调整垫片要平整，zui好有定位措施，如12所示。

图12

6）定期检查地脚螺栓是否有松动、断裂等，目的是为了防止设备运转一段时间后，电动机或减速机发生移动，破坏已经调整好的同轴度。

7）最重要的是控制减速机安装的同轴度，安装减速机时，应派遣掌握技术的专业人员，负责调整、检测电动机和减速机的同轴度。采用快速、简单、经济的激光对中装置（图 13），检测两轴的对中可能有好的效果。

图13 激光对中装置

来源：齿轮传动

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