在生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，硬齒面減速機(jī)高速軸很容易發(fā)生斷裂，如某國外減速機(jī)的高速軸經(jīng)常在兩處發(fā)生斷裂：

圖1 減速機(jī)高速軸斷裂實(shí)例

一處在聯(lián)軸器同高速軸的配合端面部位：

圖2 斷軸A

另一處在軸承同軸的配合端面部位：

圖3 斷軸B

1、減速機(jī)高速軸斷裂原因

圖4 斷軸A的斷口

這是高速軸斷裂的A斷口形貌，從圖中可以看到疲勞源位于鍵槽底部的尖角處。斷口具有疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和靜斷區(qū)，高速軸是典型的疲勞斷裂。

圖5 斷軸B的斷口

這是高速軸斷裂的B斷口形貌,這也是一個疲勞斷裂斷口，靜斷區(qū)很小，說明軸中的名義應(yīng)力并不大。

斷裂軸的斷口特征：

● 斷口是疲勞斷口，軸是疲勞斷裂。

●軸的斷裂部位大部分正好位于聯(lián)軸器與軸過盈配合的邊緣處。

●最早的疲勞裂紋大都發(fā)生在平鍵鍵槽的尖角處或過渡圓角處。

●軸的斷口垂直于軸的軸線，基本上是一種高強(qiáng)度鋼彎曲扭轉(zhuǎn)型斷口。

正常情況下，減速機(jī)高速軸通常僅承受轉(zhuǎn)矩作用。對以往多次斷軸案例進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)通常可達(dá)2以上，高速軸應(yīng)該是安全的，軸不可能斷裂。經(jīng)檢查軸的材料、熱處理質(zhì)量也都符合技術(shù)要求。但是，高速軸還是經(jīng)常斷裂，可以說是減速機(jī)的多發(fā)病了!

原因一：鍵槽的應(yīng)力集中

觀察很多帶鍵槽的斷軸斷口，可以看到最早的疲勞裂紋往往發(fā)生在平鍵鍵槽尖角處，很明顯鍵槽的應(yīng)力集中和軸的截面面積減小影響了軸的強(qiáng)度。特別是鍵槽底部的圓角r(圖6)對應(yīng)力集中的影響很大。圖中所示是某礦用減速機(jī)高速軸的鍵槽，鍵槽底部的圓角r就很小，加大了鍵槽的應(yīng)力集中。

圖6 帶鍵槽的斷軸斷口

軸受純扭轉(zhuǎn)時，鍵槽和配合邊緣處的有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ見圖7所示。當(dāng)軸的抗拉強(qiáng)度Rm=900MPa時，鍵槽的有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=2。因此鍵槽對軸的削弱是很大的。

圖7 過盈連接的應(yīng)力集中和接觸應(yīng)力分布

原因二：聯(lián)軸器同軸的過盈配合

當(dāng)軸斷裂部位正好是聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合對軸的強(qiáng)度影響很大。可見：過盈配合H7/r6 的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2.2以上;過盈配合H7/k6的應(yīng)力集中系數(shù)約為1.77;高速軸常用的過盈配合H7/m6的應(yīng)力集中系數(shù)不會小于1.8。因此，高速軸就容易在聯(lián)軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂了。

過盈連接的應(yīng)力集中和接觸應(yīng)力分布實(shí)例如圖7所示。

值得注意的是，以上原因之一(鍵槽應(yīng)力集中)和原因之二(過盈連接應(yīng)力集中)雖然對高速軸的強(qiáng)度有影響，但是兩者在軸的強(qiáng)度設(shè)計和安全系數(shù)計算中都已經(jīng)計及的因素，因此可以肯定，兩者都不是造成軸容易斷裂的決定性原因。

真正造成高速軸斷裂多發(fā)病的是以下幾個人們不注意的原因：

原因三：減速機(jī)的安裝、使用方面的問題

硬齒面減速機(jī)設(shè)計中的一個老大難問題是電動機(jī)和減速機(jī)軸直徑嚴(yán)重不匹配，減速機(jī)軸比電動機(jī)軸要細(xì)很多。通常，減速機(jī)軸直徑d2是電動機(jī)軸d1的3/4～1/2左右，如圖所示。如果電動機(jī)軸和減速機(jī)軸同軸度很差，就會在聯(lián)軸器上產(chǎn)生附加徑向力F。

圖8 電動機(jī)、聯(lián)軸器和減速機(jī)的配置

由于電動機(jī)與減速機(jī)的軸徑不同(d1、d2)，造成兩者抗彎截面模數(shù)不同(抗彎截面模數(shù)同直徑 d3成正比)，聯(lián)軸器產(chǎn)生的附加徑向力F對兩軸的危險斷面的附加彎矩(應(yīng)力)也不同。

附加徑向力F的大小，取決于電動機(jī)和減速機(jī)兩軸的同軸度。此同軸度對硬齒面齒輪減速機(jī)軸的損傷非常敏感。在《機(jī)械設(shè)計手冊》中，對于彈性聯(lián)軸器通常規(guī)定減速機(jī)的安裝不同軸的徑向位移Δy不得大于0.2～0.3mm。

這對于軟齒面減速機(jī)可能是合適的，而對硬齒面減速機(jī)可能就偏大了。而大多數(shù)現(xiàn)場安裝、使用人員并不重視此不同軸度，認(rèn)為使用彈性聯(lián)軸器可以自動補(bǔ)償誤差，這是嚴(yán)重的誤判。上述計算表明：由于減速機(jī)軸比電動機(jī)軸要小得多，因此減速機(jī)軸上的彎曲應(yīng)力要比電動機(jī)軸大很多，減速機(jī)軸發(fā)生斷裂就是必然了。

原因四：軸上聯(lián)軸器的徑向剛度

所謂聯(lián)軸器的徑向剛度是指聯(lián)軸器兩軸產(chǎn)生每單位徑向位移Δy需要的徑向力。徑向剛度越大，徑向力就越大，對連接軸強(qiáng)度不良影響就越大，非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，如彈性套圓柱銷聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、輪胎式聯(lián)軸器等，其徑向剛度就小。

某些制造質(zhì)量很差的聯(lián)軸器，其徑向剛度很大，當(dāng)兩軸不對中有徑向位移時，軸上的附加徑向力就很大，嚴(yán)重影響軸的強(qiáng)度。圖9所示的蛇形彈簧聯(lián)軸器就是一例。半聯(lián)軸器上的矩形直線齒廓就很不利于徑向位移的調(diào)整。

圖9 蛇形彈簧聯(lián)軸器

原因五：軸上旋轉(zhuǎn)零件的不平衡

旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡或動平衡不好，將會使旋轉(zhuǎn)零件產(chǎn)生離心力，增加了軸的附加應(yīng)力，從而影響軸的強(qiáng)度。圖為半聯(lián)軸器——軸——減速機(jī)的配置關(guān)系，圖中半聯(lián)軸器質(zhì)量有點(diǎn)偏心。

圖10 半聯(lián)軸器—軸—減速機(jī)的配置

旋轉(zhuǎn)零件質(zhì)量偏心引發(fā)的離心力為：

式中 ：Q——由偏心產(chǎn)生的離心力(N);

r——偏心距 (mm);

n——軸的轉(zhuǎn)速 (r/min);

m——聯(lián)軸器的質(zhì)量(kg);

d——軸的直徑(mm)。

由于離心力與旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量平方成正比，因此質(zhì)量對離心力的影響特別大。

原因六：軸上聯(lián)軸器、制動器的質(zhì)量重力

減速機(jī)高速軸上一般都有聯(lián)軸器，或者制動器的制動輪，其自重對于軟齒面減速機(jī)的高速軸的強(qiáng)度來說，影響并不大，因?yàn)檫@種減速機(jī)軸的尺寸都可以做得比較大。但是，對硬齒面減速機(jī)來說，由于受高速軸上齒輪結(jié)構(gòu)尺寸的限制，高速軸的尺寸和安全系數(shù)都比較小，再由于聯(lián)軸器或制動輪的質(zhì)量重力可以同上述的離心力疊加，在這種情況下，聯(lián)軸器或制動輪的質(zhì)量對高速軸強(qiáng)度的影響就不可以忽視了。

2、防止高速軸斷裂的主要措施

1、嚴(yán)格控制鍵槽的加工質(zhì)量，特別是槽底的圓角半徑 r，盡可能按標(biāo)準(zhǔn)取大值;沒有圓角的鍵槽不能使用。

2、安裝在高速軸上的聯(lián)軸器、制動輪等，應(yīng)經(jīng)過靜平衡或動平衡試驗(yàn)，避免過大的附加離心力。

3、盡量減輕聯(lián)軸器、制動輪重量。

4、不能使用制造質(zhì)量不符合技術(shù)要求的聯(lián)軸器、制動器。

5、減速機(jī)和電動機(jī)的底座底面，最好采用經(jīng)過加工的平面;調(diào)整墊片要平整，最好有定位措施，如圖所示。

6、定期檢查地腳螺栓是否有松動、斷裂等，目的是為了防止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，電動機(jī)或減速機(jī)發(fā)生移動，破壞已經(jīng)調(diào)整好的同軸度。

激光對中裝置

7、最重要的是控制減速機(jī)安裝的同軸度，安裝減速機(jī)時，應(yīng)派遣掌握技術(shù)的專業(yè)人員，負(fù)責(zé)調(diào)整、檢測電動機(jī)和減速機(jī)的同軸度。采用快速、簡單、經(jīng)濟(jì)的激光對中裝置，檢測兩軸的對中可能有好的效果。