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    淺談機械疲勞故障失效分析方法

    2019-07-10 07:32:56喬云鵬邵麗國
    中國設(shè)備工程 2019年11期
    關(guān)鍵詞:動軸斷軸軸面

    喬云鵬,邵麗國

    (格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000)

    生產(chǎn)線下線設(shè)備的載重板鏈流水線從動軸斷裂,流水線塌陷,臨時焊接斷裂處以作補救措施,同步安排加工備件待更換。

    在現(xiàn)場的拆裝及粗略分析過程中,發(fā)現(xiàn)流水線負載并不是很大,且沒有發(fā)現(xiàn)卡阻及受力異常的現(xiàn)象,所以軸斷裂偶然突發(fā)可能性不大,為從根源上深入分析其斷裂機理,采取有效措施,避免下次再次發(fā)生,為此對斷軸進行受力分析、斷面金相分析及結(jié)構(gòu)仿真分析,以確定實際的失效原因。

    1 負載分析

    針對設(shè)備正常使用情況下的不同工況,進行受力的分析及對比。設(shè)備正常狀態(tài)通常有3種運行情況,空載、負載工藝板(60kg)、負載工藝板及產(chǎn)品(最大400kg),驅(qū)動三相電機型號CH28-750-36S,額定功率0.75kW,額定頻率50Hz,工作頻率調(diào)整為20Hz,其中電壓和電流為現(xiàn)場實測值。

    空載時,輸出功率:

    負載工藝板(60kg)時,輸出功率:

    負載工藝板及產(chǎn)品(最大400kg)時,輸出功率:

    對比三種運行狀態(tài)的實際電機輸出功率,流水線不同負載時驅(qū)動力變化不大,對主軸沖擊波動較小,同時反映出設(shè)備在空載運行時負載功率明顯偏大,說明機械運轉(zhuǎn)機構(gòu)阻力異常是斷軸的主要原因。

    2 斷面分析

    (1)斷軸截面發(fā)生在平鍵槽靠近軸向中心側(cè),該處正是全軸受力最為集中的地方。

    (2)軸的材料對比,經(jīng)對斷軸取樣分析洛氏硬度,平均硬度12HRC,若按照45#鋼用作軸類零件需調(diào)質(zhì)23~28HRC,該軸熱處理不符合要求。

    (3)斷面金相分析,在斷軸垂直軸向取金相試樣,經(jīng)磨拋侵蝕后采用光學(xué)顯微鏡金相組織觀察,斷口表面金相組織為珠光體和呈網(wǎng)狀分布的鐵素體;符合45#鋼的金相組織。見圖1。

    斷口區(qū)域疲勞區(qū)表面裂紋呈現(xiàn)均勻密集的波浪紋,而瞬間斷裂區(qū)表面裂紋呈現(xiàn)平緩的波浪紋,內(nèi)部伴有網(wǎng)狀式的暗裂紋。

    圖1 金相組織圖

    斷口呈現(xiàn)典型的疲勞裂紋特征,宏觀可見明顯的貝紋特征,微觀可見疲勞斷裂形貌及暗裂紋特征。由以上特征判斷該驅(qū)動軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

    3 機械結(jié)構(gòu)受力分析

    從現(xiàn)在安裝方式對比,從動軸的張緊機構(gòu)設(shè)計極不合理,不利于調(diào)整板鏈的松緊度,也不利于調(diào)節(jié)兩軸的平行度。板鏈上層采用導(dǎo)軌支撐,下層采用懸空式安裝,由于從動軸張緊過大,將會導(dǎo)致下層板鏈自重對軸產(chǎn)生極大的作用力。

    由于斷裂軸為從動軸,電機驅(qū)動時,從動軸主要克服自身兩端軸承的摩擦力,因此使用空載輸出功率推算從動軸受到的驅(qū)動力。圖2為從動軸受力組成圖,圖3為從動軸應(yīng)力分析圖。

    板鏈自重計算:板鏈線由72塊板組成(重量1.8kg/塊,鏈條節(jié)距P=50.8mm),使用圓弧逼近下層板鏈的懸掛形狀,懸掛末端切線與水平夾角7.5°。下層板鏈數(shù)量31塊,重量G=31×1.8×10=558N,平均分配到四個鏈輪上,即為140N。

    圖2 從動軸受力組成圖

    圖3 從動軸應(yīng)力分析圖

    軸材料力學(xué)性能參數(shù):

    危險軸面處的彎矩計算:

    危險軸面處的彎曲應(yīng)力計算:

    危險軸面處的扭矩計算:

    危險軸面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計算:

    軸彎扭合成強度校核:

    以上參考危險截面安全系數(shù)S的校核公式和許用安全系數(shù)SP。

    4 結(jié)語及改善措施

    鑒于軸的設(shè)計存在缺陷,且零件熱處理也達不到要求,決定從3個方面進行改善。

    (1)優(yōu)化從動軸設(shè)計及加工工藝,增大軸危險斷面的抗彎截面系數(shù),增大軸表面加工系數(shù),材質(zhì)采用45#鋼調(diào)質(zhì)處理,23~28HRC。

    (2)優(yōu)化鏈輪設(shè)計,在鏈輪轂上開減載槽,避免應(yīng)力集中。

    (3)改善軸受力結(jié)構(gòu),在板鏈下層增加托架,減少水平分力對軸的附加荷載。

    通過分析及改善,重新加工安裝從動軸及鏈輪,并增加板鏈下層托架后,電機負載有明顯改善,設(shè)備運行穩(wěn)定。上述案例的分析及改善,是生產(chǎn)設(shè)備維保過程中機械故障分析的常用方法,可以較好地指導(dǎo)基層技術(shù)人員快速從根源上判斷問題,作出較好的改善對策。

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