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      TZX5特種銑頭電機軸斷裂原因及改造

      2017-06-01 12:53:59來延峰李貴鵬
      設(shè)備管理與維修 2017年1期
      關(guān)鍵詞:插式銑頭彎矩

      來延峰,李貴鵬

      (一拖(洛陽)柴油機有限公司裝備部,河南洛陽471000)

      TZX5特種銑頭電機軸斷裂原因及改造

      來延峰,李貴鵬

      (一拖(洛陽)柴油機有限公司裝備部,河南洛陽471000)

      TZX5特種銑頭電機輸出軸為懸臂梁式支撐結(jié)構(gòu),且受力點距離支撐點較遠,結(jié)構(gòu)強度不足,易出現(xiàn)軸斷裂故障,改為簡支梁結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)強度。

      懸臂梁;結(jié)構(gòu)強度;斷裂;結(jié)構(gòu)可靠性

      1 問題

      TZX5通用型特種銑頭,刀盤直徑500 mm,適用于大平面銑削加工。設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊,安裝定位簡單,通用性強,適配廣泛。在使用過程中發(fā)現(xiàn),該銑頭動力箱電機軸易出現(xiàn)彎曲甚至斷裂故障,且漏油嚴重。

      2 原因分析

      (1)觀察電機軸斷口發(fā)現(xiàn),斷裂口面積45%為較早傷口,剩余為新斷裂口,紋路為典型的疲勞斷裂裂紋。根據(jù)損壞前銑頭運轉(zhuǎn)時有周期性敲擊噪聲,由此推斷電機軸齒輪存在偏心,檢查銑頭動力箱發(fā)現(xiàn)齒輪內(nèi)孔鍵槽深度2.5 mm屬不合格,齒輪內(nèi)孔孔徑38+0.05 mm超差,電機軸頸磨損至Φ38-0.1 mm超差,鍵頂接觸并擠死導(dǎo)致齒輪偏心,機床運轉(zhuǎn)時形成強烈的周期性沖擊載荷。

      (2)銑頭電機為立軸下置式安裝,需采用骨架油封對電機軸進行密封,密封可靠性不高,且電機安裝困難,容易損壞骨架油封;齒輪偏心加劇密封圈磨損失效漏油,導(dǎo)致系統(tǒng)長時間處于無潤滑運行狀態(tài)。實測在無潤滑時,電機輸入功率達到10.8 kW。

      (3)電機軸齒輪為懸臂梁式支撐結(jié)構(gòu),電機軸受彎矩較大,結(jié)構(gòu)強度不足導(dǎo)致電機軸易出現(xiàn)疲勞斷裂。經(jīng)計算,采取懸臂梁式支撐,電機以額定功率7.5 kW滿負載運行時,電機軸危險截面位于前端軸承處,應(yīng)力σb=45.5 MPa小于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa,安全系數(shù)為0.64;潤滑不足時,應(yīng)力σb=65.5 MPa略低于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa,安全系數(shù)為0.15,在沖擊載荷作用下導(dǎo)致電機軸疲勞斷裂。

      3 改進措施

      3.1 軸支撐結(jié)構(gòu)改造

      將電機軸齒輪改為齒輪軸,在軸兩端安裝軸承支撐。在負載不變的情況下,齒輪所受徑向力F不變,軸上最大彎矩僅為改造前的1/3。該結(jié)構(gòu)在額定負載運行時,軸的危險截面位于齒輪兩側(cè),應(yīng)力σb=9.1 MPa遠小于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa;

      3.2 電機安裝方式改進

      電機由立軸下置安裝改為立軸上置安裝,并采用軸直插式連接實現(xiàn)動力傳遞。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛可靠,例如C518A及其系列大立車刀架電機采用水平軸側(cè)置安裝,連接形式為主從動軸直插式連接。

      電機上置安裝避免了骨架油封的動密封結(jié)構(gòu),改為盲孔端蓋密封,密封可靠性高,降低了電機安裝難度,便于日常維修維護。

      3.3 電機輸出軸常見連接形式性能分析

      (1)彈性聯(lián)軸節(jié)連接。優(yōu)點是該結(jié)構(gòu)允許一定的安裝誤差,聯(lián)軸節(jié)可以吸收沖擊,傳動平穩(wěn);缺點是軸向及徑向尺寸較大,整體結(jié)構(gòu)占用空間大。

      圖1 改造前后結(jié)構(gòu)對比及受力彎矩分布

      (2)剛性套連接。指主從動軸采用剛性套連接實現(xiàn)動力傳遞。優(yōu)點是軸只承受負載扭矩,結(jié)構(gòu)強度高,結(jié)構(gòu)簡單緊湊;缺點是屬于剛性連接,存在過定位,對同軸度要求極高。

      (3)主從動軸直插式連接。指主動軸直接插到被動軸孔內(nèi)(或被動軸直接插到主動軸孔內(nèi))實現(xiàn)動力傳遞。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較剛性套連接更加緊湊;缺點是屬于剛性連接,存在過定位,對同軸度要求極高。

      (4)皮帶連接。皮帶連接采用開式結(jié)構(gòu),軸多設(shè)計為懸臂梁式結(jié)構(gòu),電機軸受扭矩載荷及彎矩載荷,設(shè)計過程中應(yīng)使皮帶輪受力點盡量靠近電機前端軸承支撐,并進行嚴格的強度校核。優(yōu)點是該結(jié)構(gòu)允許一定的安裝誤差,皮帶可以吸收沖擊,傳動平穩(wěn);缺點是整體結(jié)構(gòu)占用空間大。

      (5)齒輪連接。該結(jié)構(gòu)中電機軸直接安裝齒輪并伸入動力箱內(nèi)通過齒輪嚙合實現(xiàn)拖動。

      優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡緊湊,動力傳遞平穩(wěn);缺點是與皮帶連接類似設(shè)計過程中應(yīng)使齒輪盡量靠近電機前端軸承支撐,并進行嚴格的強度校核;由于齒輪傳動需要潤滑,需設(shè)計相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu),密封可靠性不高,易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,且安裝相當困難,可用在電機立軸上置結(jié)構(gòu)中,避免密封結(jié)構(gòu)。

      電機安裝齒輪直接拖動式結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛,結(jié)構(gòu)已相當成熟,設(shè)計中應(yīng)是齒輪靠近電機前端軸承,并進行嚴格的強度校核??陀^條件限制無法靠近時可在齒輪附近加裝軸承支撐,例如Z3040搖臂鉆主軸電機,齒輪距離電機前端軸承100 mm,在齒輪后側(cè)加裝軸承。電機軸直插式連接方式應(yīng)用也是相當成熟,如C518A大立車走刀電機采用了該結(jié)構(gòu),安裝方式為水平軸安裝。該結(jié)構(gòu)兼具齒輪直連結(jié)構(gòu)的緊湊性,安裝維護容易,可靠性高。

      4 結(jié)語

      TZX5特種銑頭結(jié)構(gòu)電機下置式安裝雖然整體結(jié)構(gòu)緊湊,但密封結(jié)構(gòu)的可靠性較低,故障頻繁,且安裝維護困難。因此,動力箱在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮可安裝性及日常的維修維護便捷性,設(shè)計優(yōu)先級由高至低順序為:①目標功能實現(xiàn);②結(jié)構(gòu)可靠性;③安裝維護便利性;④結(jié)構(gòu)緊湊性。

      〔編輯 李波〕

      TM303.5

      B

      10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.23

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