電機(jī)軸的失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、、兒刖百隨著科技的突非猛進(jìn)系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，功能不斷提高，機(jī)械零件的不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對(duì)故障的分析研究工作亦越來越受到世界各國的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭(zhēng)的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)榧词购教祜w機(jī)這么先進(jìn)的運(yùn)載工具也可能發(fā)生故障，如美國的價(jià)值12億美元的“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)，在1986年1月28號(hào)第11次升空時(shí)突然爆炸，使7名宇航員遇難，這一慘痛悲劇再次告戒人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條案件下所做的一次最真實(shí)做可靠的學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；通過失效分析判斷失效模式，找出失

2、效的原因和影響因素，也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而改進(jìn)有關(guān)部門的工作。提高產(chǎn)品質(zhì)量。失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一；是安全工程的重要技術(shù)保障之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。在機(jī)械、冶金、石油、煤炭、化學(xué)、航空、交通、農(nóng)業(yè)以及其他各種工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用著。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，需要采用各種各樣的控制電機(jī)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的元件，人造衛(wèi)星的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)也是不可缺少的。此外在國防、文教、醫(yī)療及日常生活中（現(xiàn)代化的家電工業(yè)中）電動(dòng)機(jī)也愈來愈廣泛地應(yīng)用起多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)為主，而軸是電動(dòng)機(jī)中不可缺少的重要零件

3、之一，也是最常見的失效零件。為此，我們對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出軸的斷裂原因進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析：軸的宏、微觀分析和結(jié)構(gòu)分析，了解該軸的應(yīng)力分布情況，找出應(yīng)力集中部位，分析該類軸斷裂的原因。在此基礎(chǔ)上充分利用PRO/E技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力分析，以驗(yàn)證宏、微觀分析結(jié)果，再利用PRO/E技術(shù)進(jìn)行軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到改進(jìn)軸的目的。使減速器的工作性能達(dá)到最優(yōu)。這樣既能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，有很高的實(shí)用價(jià)值，而且為軸失效問題的分析可提供有效的參考資料。Pro/ENGINE虛1985年美國波士頓PTC公司開發(fā)出來的參數(shù)化建模軟件，目前已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEERW

4、ILDFIRE3.O它包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。而且Pro/ENGINEE時(shí)提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，本文所進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)分析就是基于Pro/ENGINEEF一軟件。第1章失效（斷裂）分析1.1 失效（分析）的概念失效，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB3187-82可靠性基本詞術(shù)語及定義，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對(duì)可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障”。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，叫做“失效分析”。失效分析是按一定的思路和方法判斷失效性質(zhì)、分析

5、失效原因、研究失效事故處理方法和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)及管理活動(dòng)。美國金屬手冊(cè)認(rèn)為，機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時(shí)，就可定義為失效：當(dāng)它完全不能工作時(shí)：仍然可以工作，但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí)；受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備拆下來進(jìn)行修理或更換時(shí)。機(jī)械產(chǎn)品及零部件常見的失效類型包括變形失效、損傷失效和斷裂失效三大類。本論文所研究的就是斷裂失效。1.2 失效（分析）的發(fā)展早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們對(duì)產(chǎn)品失效就有了宏觀認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴(yán)重的危害，則是從100多年前的工業(yè)革命開始的。當(dāng)蒸汽機(jī)動(dòng)力和大機(jī)器生產(chǎn)給人類社會(huì)帶來巨大進(jìn)步的同時(shí)，產(chǎn)品失效也給人類

6、帶來了前所未有的災(zāi)難性事故。因而1862年，英國建立了世界上第一個(gè)蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國家中，對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行分析的各種機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。在1938-1945年間，美國質(zhì)量管理學(xué)會(huì)發(fā)起“失效廢品檢驗(yàn)規(guī)劃”，號(hào)召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進(jìn)入到一個(gè)新的階段。到六十年代，人們更開始了機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來，失效物理和失效分析在這種認(rèn)識(shí)推動(dòng)下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)

7、量，在國民經(jīng)濟(jì)中有重要作用和意義。1.3 失效分析的目的失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防的總?cè)蝿?wù)就是不斷降低產(chǎn)品或裝備的失效率，提高可靠性,防止重大失效事故的發(fā)生，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來看，失效分析的具體任務(wù)可歸納為：失效性質(zhì)的判斷；失效原因的分析：采取措施，提高材料或產(chǎn)品的失效抗力。產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確，而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。通過失效分析，找到造成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因，從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標(biāo)與措施，特別是確定這種失效抗力指標(biāo)隨材料成分、組織和狀態(tài)變化

8、的規(guī)律，運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、工程力學(xué)等方面的研究成果，提出增強(qiáng)失效抗力的改進(jìn)措施。既能得到提高產(chǎn)品或裝備承載能力和使用壽命，又可做到充分發(fā)揮產(chǎn)品或裝備的使用潛力，使材盡其用，這是產(chǎn)品或裝備失效分析、預(yù)測(cè)預(yù)防研究的重要目的與內(nèi)容材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。近半個(gè)世紀(jì)所積累的失效分析知識(shí)與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識(shí)的總和。但這種知識(shí)必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展。雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)

9、重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。1.4 失效（斷裂）分析的方法失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測(cè)試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強(qiáng)度計(jì)算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，它包括三個(gè)方面：1 .事前故障的預(yù)測(cè)技術(shù)，如可靠度計(jì)算、故障率評(píng)價(jià)和可靠性分析法（故障樹分析FTA,故障模式和影響分析FMEA,事件樹分析ETA）;2 .事中故障診斷技術(shù)（應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測(cè)及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強(qiáng)度、故障性能定量化技術(shù)及劣化定量化技術(shù)等）；3 .事后失效分析（壽命預(yù)測(cè)技術(shù)、故障機(jī)理、失效模式的測(cè)定技術(shù)、失效評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)

10、、維修技術(shù)等）。上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌發(fā)生后的檢測(cè)和分析，以便找到失效的部位、原因和機(jī)理；掌握產(chǎn)品的改進(jìn)線索或修復(fù)方法，防止問題重復(fù)發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。1.5 失效分析的思路失效分析及失效的防止好比醫(yī)生治病，正確的診斷、配合對(duì)癥下藥才能將病治好，這是緊密聯(lián)系的兩個(gè)方面。其基本思路是：1 .具體服役條件下的零部件進(jìn)行具體分析，從中找出主要的失效形式及主要失效抗力指標(biāo)。2 .用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)和斷裂物理、化學(xué)、力學(xué)的研究成果，深入分析各種失效現(xiàn)象的本質(zhì)，以主要失效抗力指標(biāo)與材料

11、成分、組織、狀態(tài)的關(guān)系，提出改進(jìn)措施。3 .據(jù)“不同服役條件要求材料強(qiáng)度和塑性、韌性的合理配合”這一規(guī)律，分析研究失效零部件現(xiàn)行的選材、用材技術(shù)條件是否合理，是否受舊的傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀念束縛。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技術(shù)條件規(guī)定，如果把它當(dāng)成金科玉律，則會(huì)犯分析上的錯(cuò)誤，對(duì)防止零部件失效不利。4 .用局部復(fù)合強(qiáng)化，克服零部件上的薄弱環(huán)節(jié)，爭(zhēng)取達(dá)到材料的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。5 .進(jìn)行失效分析和提出防止失效的措施時(shí)，還應(yīng)做到幾個(gè)結(jié)合：（1）材料、工藝相結(jié)合，即對(duì)形狀、尺寸、材料、成型加工和強(qiáng)化工藝統(tǒng)一考慮（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（力學(xué)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析）與材料強(qiáng)度相結(jié)合，試棒試驗(yàn)與實(shí)際零部件臺(tái)架模擬試驗(yàn)相

12、結(jié)合；(3)客觀規(guī)律與微觀機(jī)理相結(jié)合，宏觀斷口和微觀斷口分析相結(jié)合，宏觀與顯微、亞顯微組織分析相結(jié)合；(4)實(shí)驗(yàn)室規(guī)律性試驗(yàn)研究與生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合。1.6 失效分析的程序進(jìn)行失效分析，對(duì)于具體零部件要具體對(duì)待，不能企求有統(tǒng)一的方法。在整個(gè)失效分析過程中，應(yīng)重點(diǎn)抓住以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1 .收集失效件的背景數(shù)據(jù)除了解失效零部件在機(jī)器中的部位和作用、材料牌號(hào)、處理狀態(tài)等基本情況外，應(yīng)著重收集下面兩方面的資料：(1)失效件全部制造工藝歷史。從取得有關(guān)圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始，了解冶煉、鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理、化學(xué)熱處理、拋光、磨削、各種表面強(qiáng)化和表面處理及裝配、潤(rùn)滑情況；(2)失效件的服役條件及服役歷史

13、。除了解載荷性質(zhì)、加載次序、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、工作溫度外，應(yīng)特別注意環(huán)境細(xì)節(jié)和異常工況，如突發(fā)超載、溫度變化、溫度梯度和偶然與腐蝕介質(zhì)的接觸等。2 .失效零部件及全部碎片的外觀檢查在進(jìn)行任何清洗之前都應(yīng)經(jīng)過徹底的外觀檢查，用攝相等方法詳細(xì)做好記錄。重點(diǎn)檢查內(nèi)容為：(1)觀察整個(gè)零部件的變形情況，看是否有鍛粗、下陷、內(nèi)孔擴(kuò)大、彎曲、頸縮等；(2)觀察零部件表面冷熱加工質(zhì)量，如有無過燒、折疊、斑疤等熱加工缺陷，有無刀痕、刮傷等機(jī)加工缺陷，有無冷熱加工造成的裂紋；(3)觀察斷裂部位是否在鍵槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等應(yīng)力集中處；(4)觀察零部件表面有無氧化、腐蝕、氣蝕、咬蝕、磨損、龜裂、麻點(diǎn)

14、或其它損傷；(5)觀察相鄰零部件或配偶件的情況；(6)觀察零部件表面有無附著物。3 .試驗(yàn)室檢驗(yàn)在檢驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目和順序、取樣部位、取樣方法、試樣數(shù)量等均應(yīng)全面、周密地考慮。一般采用的分析手段有下列各項(xiàng)：(1)化學(xué)分析目的是鑒定零部件用材料是否符合原定要求，有無用錯(cuò)材料或成分出格，必要時(shí)可分析微量元素或進(jìn)行微區(qū)成分分析。當(dāng)表面有腐蝕產(chǎn)物時(shí)，也應(yīng)分析腐蝕產(chǎn)物成分；(2)宏觀(低倍)分析主要用于檢查原材料或零部件質(zhì)量，揭示各種宏觀缺陷；(3)斷口分析對(duì)于斷裂失效零部件，斷口分析是最重要的一環(huán)。斷口形貌真實(shí)地反映了斷裂過程中材料抵抗外力的能力，記錄了對(duì)材料斷裂起決定作用的主裂縫所留下的痕跡。通過對(duì)

15、斷口形貌特征的分析，不僅可以得到有關(guān)零部件使用條件和失效特點(diǎn)的資料，還可以了解斷口附近材料的性質(zhì)和狀況，進(jìn)而可以判明斷裂源、裂紋擴(kuò)展方向和斷裂順序，確定斷裂的性質(zhì)，從而找出斷裂的主要原因。斷口分析先用肉眼或低倍實(shí)體顯微鏡和立體顯微鏡從各個(gè)角度來觀察斷口表面的紋理和特征，然后用電子顯微鏡(特別是掃描電鏡)對(duì)有代表性的部位進(jìn)行深入觀察，以了解斷口的微觀特征；(4)微觀組織分析即用金相顯微鏡、電子顯微鏡鑒定失效分析的顯微組織觀察非金屬夾雜物，分析組織對(duì)性能的影響，檢查鑄、鍛、焊和熱處理等工藝是否恰當(dāng)，從而由材料的內(nèi)在因素分析導(dǎo)致失效的原因；(5)力學(xué)性能試驗(yàn)在必要時(shí)可以進(jìn)行某些項(xiàng)目的力學(xué)性能試驗(yàn)，包

16、括斷裂韌性試驗(yàn)，以校驗(yàn)該零部件的實(shí)際性能是否符合技術(shù)要求；(6)其它檢測(cè)項(xiàng)目如用X射線衍射儀進(jìn)行定性(如(T相)或定量(如殘余奧氏體含量)分析，對(duì)受力復(fù)雜的零部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等等。4 .判定失效原因進(jìn)行上述環(huán)節(jié)后，把所得的資料進(jìn)行綜合分析，搞清失效的過程和規(guī)律，這是失效分析的重要環(huán)節(jié)。斷裂失效原因的分析過程見圖2.1o一般要從影響零部件失效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素、材料因素、工藝因素、裝配因素和服役條件因素中進(jìn)行全面分析，真正找到導(dǎo)致該零部件早期失效的主導(dǎo)因素。重大的失效分析項(xiàng)目，在初步確定失效原因后，還應(yīng)及時(shí)進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn)（模擬試驗(yàn)），以驗(yàn)證初步結(jié)論的可靠性。貴舁證痛m封1_2nr網(wǎng)典甌維修ttr

17、li隹祉而狀況變形特產(chǎn)二十?dāng)嗔?#169;A費(fèi)蚊獷廨干ZL握斷區(qū)斷裂而力異常外6皮力計(jì)WJ卻I力注上諭厘介1M峻余應(yīng)力h廉爆的*林1推理事儀斷裳的機(jī)韌喻裂失效的因分析再現(xiàn)試監(jiān)T5 .分析結(jié)果的反饋積極的失效分析，其目的不僅在于失效性質(zhì)和原因的分析判斷，更重要的是反饋到生產(chǎn)實(shí)踐中去。也就是從失效分析的結(jié)論中獲得反饋信息，據(jù)以確定提高失效抗力的途徑（形成反饋試驗(yàn)方案）,并通過試驗(yàn)選擇出最佳改進(jìn)措施。反饋的結(jié)果可能是改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝、現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程，也可能是綜合改進(jìn)。對(duì)于軸等機(jī)械零部件，應(yīng)著重于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝方面的反饋，特別是結(jié)構(gòu)、材料、工藝上的綜合反饋，例如在某些情況下，通過

18、改進(jìn)零部件的形狀、尺寸來提高其失效抗力較之改進(jìn)材料和工藝更為有效。而當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)受到限制時(shí)，零部件的應(yīng)力水平、應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)又要求制造零部件的材料和工藝與之相適應(yīng)（例如幾何形狀復(fù)雜、應(yīng)力狀態(tài)較硬的零部件，要求材料有足夠的塑韌性；帶有尖銳缺口的零部件，要求材料有較低的缺口敏感度等等）。由此可見，在提高零部件的失效抗力時(shí)，零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料、工藝是相互滲透，相互依賴的。第2章電動(dòng)機(jī)輸曲軸的斷裂分析電動(dòng)機(jī)輸出軸簡(jiǎn)圖由作用在肋板上的拉力、軸兩端的拉力、軸頸處的重力引起，這些應(yīng)力隨運(yùn)行過程不斷發(fā)生變化，一旦過載、突然啟動(dòng)和制動(dòng)、多次重載荷沖擊，減速器軸的某些局部位置可能發(fā)生低周大應(yīng)變疲勞開裂

19、和扭轉(zhuǎn)過載塑性斷裂。斷軸情況主要發(fā)生在負(fù)荷側(cè)，如軸承支承處、有明顯的刀痕處、肋板與主軸的結(jié)合處、軸肩處及有槽的地方。電機(jī)軸在設(shè)計(jì)和工藝上經(jīng)常有槽、階梯過渡處和軸肩等結(jié)構(gòu)，如果槽結(jié)構(gòu)不合理或不均勻、過渡圓角太小、軸徑變化較大等，電機(jī)軸在交變應(yīng)力的作用下，這些部位的應(yīng)力分布會(huì)極不均勻，在應(yīng)力特別高的部位逐步形成微觀裂紋且逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致突然脆性斷裂。這是減速器軸斷裂最常見的原因。另一方面，電機(jī)軸的非配合面在加工時(shí)經(jīng)常被忽視，軸表面和軸肩過渡圓角處常留有刀痕，表面粗糙度過大，這樣會(huì)引起狀態(tài)系數(shù)B降低，使軸的抗疲勞能力降低而引起折斷。2.2 性能檢查齒輪軸的宏觀檢查要研究零件的失效問題，首要問題就是對(duì)零

20、件進(jìn)行宏觀檢查，斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎(chǔ)，查找斷裂源區(qū)是宏觀分析的最重要環(huán)節(jié)。我們對(duì)斷軸進(jìn)行了實(shí)地考察，電機(jī)軸斷口，斷面灰且較亮，粗晶區(qū)很大，在一側(cè)邊緣人字紋隱約可辯，極似最后撕裂的少量痕跡，纖維區(qū)和剪切唇很不明顯，沒有腐蝕的痕跡，斷源在上放，貝紋量甚少且不明顯，屬“結(jié)晶狀”斷口。冉綜合徑向觀察，斷裂處不是出現(xiàn)在連接處，而是前面的一小段距離的地方，觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂處原始就有一圈深度為1mnH弧溝。有此可知：此斷口屬脆性斷口，起始于離拐軸連接處大概1m的圓弧溝槽。2.3 電機(jī)軸的性能檢查在此同時(shí)，我們從該軸的設(shè)計(jì)圖紙得到：該軸應(yīng)采用30CrMo材料，要求該軸表面的硬度HRC38-43(

21、HBC280-320),采用整體調(diào)質(zhì)工藝。我們對(duì)斷裂電機(jī)軸原件進(jìn)行檢驗(yàn)和實(shí)際調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該軸實(shí)際生產(chǎn)時(shí)與設(shè)計(jì)有較大的出入，采用35CrMo材料，而采用30CrMo整體調(diào)質(zhì)。我們對(duì)材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分、機(jī)械性能等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)，并列表與設(shè)計(jì)中采用的材質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比，具體情況如下表2.1-2.3所示。表2.1材料化學(xué)成分()分材料CMnSiCrMo30CrMo（設(shè)計(jì)）0.26-0.340.400.700.170.370.170.370.32-0.4035CrMo（實(shí)物）0.32-0.400.400.700.200.400.80-1.100.150.35表2.2材料的機(jī)械性能材1料力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度(Tb(

22、MPa屈服點(diǎn)(TS(MPa伸長(zhǎng)率6s(%斷面收縮率山(為沖擊韌度ak（J/cm2）30CrMo（設(shè)計(jì)）93078512508035CrMo（實(shí)物）980835124580由上表可知：設(shè)計(jì)中該軸采用30CrMo#料，但該軸生產(chǎn)時(shí)實(shí)際采用35CrMo材料，采用30CrMo整體調(diào)質(zhì)。通過軸的能譜分析，實(shí)際材質(zhì)基本合格，但在加工和熱處理后是否滿足設(shè)計(jì)要求有待研究。2.3.1 電動(dòng)機(jī)的微觀分析在對(duì)某廠60因疲勞斷裂的電機(jī)軸進(jìn)行金相組織分析中，從圖1軸心部位金相組織X75圖2軸表層金相組織X75軸心部位金相組織(圖1所示)和軸表層金相組織(圖2所示)照片分析表明,該軸形成了沿圓周分布的環(huán)狀裂紋，在循環(huán)的交

23、變應(yīng)力作用下，該部位形成連續(xù)的沿周向分布的環(huán)狀裂紋，進(jìn)而裂紋區(qū)擴(kuò)大，最后整個(gè)軸斷裂，造成事故,2.3.2 小結(jié)1 .由該軸材質(zhì)的材料化學(xué)成分分析報(bào)告表明合格。2 .由該軸材料的機(jī)械性能結(jié)果可知，材料的機(jī)械性能合格。3 .由斷軸的金相分析結(jié)果得出，該軸材料的金相組織合格。4 .由掃描電鏡可看出，試件內(nèi)部存在解理斷裂和沿晶斷裂，說明選材不當(dāng)此自卸車上拐軸的材料為30CrMo,不能用35CrMo材料(30CrMo整體調(diào)質(zhì))代替，實(shí)際中采用30CrMo淬火工藝使該處的缺陷成為了裂紋源，因而發(fā)生脆性斷裂破壞，這也就是拐軸斷裂的主要原因之一，原因如下：(1)由于該大型軸的階梯截面部位的較大幾何形狀因素，使

24、工件局部截面冷卻速度急劇變化，截面小的部位在淬火時(shí)先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后截面粗的部位發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，在截面粗細(xì)交界處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，因而在大型軸階梯截面部位出現(xiàn)淬火裂紋。35CrMo鋼對(duì)裂紋十分敏感，在外力作用下發(fā)生低應(yīng)力斷裂。(2)該大型軸屬于淬不透的大型軸，在其階梯截面部位內(nèi)部有冶金缺陷(白點(diǎn)、夾雜、疏松、縮孔殘余等)，這些缺陷破壞了工件的連續(xù)性，在淬火應(yīng)力作用下這些缺陷成為產(chǎn)生裂紋的起源點(diǎn)。在產(chǎn)生裂紋的工件中發(fā)現(xiàn)有白點(diǎn)，這是由于在殘余應(yīng)力作用下，氫含量過高并向應(yīng)力集中處擴(kuò)散，產(chǎn)生氫脆開裂。這主要是由于淬火操作不當(dāng)或回火不及時(shí)致使工件中存在過大的殘余應(yīng)力所致。(3)35C

25、rMo是中淬透性鋼，淬火加高溫回火處理能獲得優(yōu)良機(jī)械性能的回火索氏體組織。該鋼材的淬透性比較好，應(yīng)采用較慢的冷卻速度淬火，一般用油淬，以避免出現(xiàn)熱處理缺陷(35CrMo調(diào)質(zhì)工藝850860c油淬、540c回火；30CrMo調(diào)質(zhì)工藝860870c水淬、540c回火)。由于該軸采用35CrMo鋼，而采用了30CrMo整體調(diào)質(zhì)工藝，使該軸冷卻速度較大，再加上該軸截面急劇變化部位溫差較大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。注：冷卻介質(zhì)的冷卻能力越大，材料的冷卻速度越大，越容易超過該材料的臨界淬火溫度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深，但是，冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易于使工件產(chǎn)生變形或開裂。水的冷卻特性很不

26、理想，在需要快冷650400c區(qū)間，其冷卻速度很小，不超過200C/s。而在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又很大，在340c最大冷卻速度高達(dá)775c/s,很容易造成淬火工件的變形或開裂。水溫升高，高溫區(qū)冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高，適用于尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳鋼淬火。其次，由于蒸汽膜階段會(huì)延長(zhǎng)很長(zhǎng)，隨著淬火水溫的升高，助長(zhǎng)了蒸汽膜的停留時(shí)間，使階段延長(zhǎng)，造成硬度不變。油的主要優(yōu)點(diǎn)是在低溫區(qū)的冷卻速度比水小很多，從而可大大降低淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形或開裂的傾向。第3章輸曲軸的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析采用的軟件為ANSYS9.Q它是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲

27、學(xué)于一體的大型通用CAEt件，它由總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡ANSYS司開發(fā)，于197Q年由JohnSwanson博士創(chuàng)建而成的，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航空航天、汽車交通、電子、土木工程、水利、鐵道、日用家電、生物醫(yī)學(xué)等眾工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究。本文所做的內(nèi)容是關(guān)于軸斷裂失效問題，發(fā)生斷裂失效的軸件中有8Q%|疲勞斷裂，疲勞斷裂的原因主要是應(yīng)力集中，應(yīng)力集中往往又出現(xiàn)在軸結(jié)構(gòu)中軸徑變化大的地方（如越程槽、卸載槽等、階梯過渡處和軸肩），所以很有必要對(duì)軸結(jié)構(gòu)（特別是軸徑變化大的部位）進(jìn)行應(yīng)力分析。為此，我們利用ANSY馱件對(duì)實(shí)際軸和圖紙上的設(shè)計(jì)軸進(jìn)行應(yīng)力、位移情況進(jìn)行比較和研究

28、，能較合理的分析出斷軸的原因，并在此經(jīng)常上再利用ANSY馱件提出合理的改進(jìn)意見，這不但能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，而且可提供一套較完整的關(guān)于軸的有限元失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)參考，具有很高的實(shí)用價(jià)值。通過對(duì)斷軸的實(shí)際幾何尺寸的測(cè)繪，我們得到以下電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，電機(jī)軸的結(jié)才主要由若干塊（6-8）肋板焊接在主軸上組合而成，硅片和線圈繞在肋板上，利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流來工作。在電機(jī)的工作中，肋板和軸的結(jié)合處由于電磁力的周期作用出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，加上軸的常規(guī)設(shè)計(jì)和一般的工藝缺陷，會(huì)產(chǎn)生了疲勞裂紋，最終導(dǎo)致了零件的斷裂失效。3.1 PRO/E建模利用Pro-E軟件，作出階梯軸零件

29、圖，如下圖3.2-3.4所示。在PRO/Et模中，由于要進(jìn)行有限元分析，為減少小尺寸的影響，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，減速器軸的實(shí)際受力過程是不斷運(yùn)動(dòng)的，為便于分析起見，在受力等效的原則下，通過施加約束轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜力分析模型。圖3.2主軸零件圖的建模圖3.3肋板的建模圖3.4焊縫的建模圖3.5電機(jī)軸的建模3.2 ANSYS分析3.2.1 網(wǎng)格劃分本文采用ANSYS9.Q將Pro/E中電機(jī)軸的建模調(diào)入其中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在有限元的劃分上，采用了ANSYS勺SOLID45單元來劃分網(wǎng)格，利用分層和多次剖切的方法，將全軸用映射網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時(shí)特意將軸肩處劃的較密，這樣既采用了形態(tài)較

30、好的六面體網(wǎng)格，又使網(wǎng)格疏密有致，保證了較高的計(jì)算精度。劃分的結(jié)果如下圖3.6所示。3.2.2 加載求解施加載荷的大小是以材料的屈服強(qiáng)度為依據(jù)，取試件的屈服強(qiáng)度計(jì)算值的8Q%;施加的載荷，具體的計(jì)算如下：N=bsXAX8Q%N：施加的載荷；0-s:材料的抗拉強(qiáng)度；A：試件的橫截面積。35CrMo的抗拉強(qiáng)度(rs=835MPa解得：N=9Q噸，即在加載面積上的應(yīng)施加的F=9Q噸。3.2.3 查看求解結(jié)果3.2.3.1 應(yīng)力分布圖3.7是幾何模型的應(yīng)力分布圖，表達(dá)了該軸的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力的位置和數(shù)值。從圖中我們更清楚的看出軸節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大位置在圓圈中MX處即拐軸的連接處，最大值為-0.746

31、81E7兆帕a)節(jié)點(diǎn)受力圖及放大圖圖片b)單元受力圖(橫向)及放大圖圖片Q單元受力TDQ-LELXIXHTMLTT1HI從應(yīng)力最集中處可以看到與實(shí)際斷裂處一致，說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符?；旧峡梢哉J(rèn)為肋板與軸的結(jié)合處的形狀轉(zhuǎn)折過大，容易造成應(yīng)力集中。因此應(yīng)該選擇過渡曲線平滑的形狀，并焊透以抵抗抵抗應(yīng)力的強(qiáng)度。3.3電機(jī)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然采用ANSYSa件進(jìn)行軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)所做的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證，達(dá)到減少應(yīng)力集中，提高零件及設(shè)備的使用壽命。3.3.1 建立目標(biāo)函數(shù)經(jīng)過對(duì)實(shí)際軸和設(shè)計(jì)軸的分析，可以應(yīng)力最大主要是發(fā)生在軸端連接處，在保證其它的基本尺寸不變的情況下，對(duì)連接處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，

32、用有限元的方法在加載和約束等條件不變的情況下，對(duì)它進(jìn)行分析，達(dá)到減小最大應(yīng)力，消除應(yīng)力集中，符合工況要求。3.3.2 改進(jìn)后軸結(jié)構(gòu)在軸端連接處用R25的圓弧光滑過渡，如下圖3.10-3.11所示，并且在加工過程中不能出現(xiàn)圓弧溝等加工刀痕，消除由于加工的原因而增加斷裂的因素。圖3.10優(yōu)化后的肋板零件圖圖3.11改進(jìn)之后的裝配圖3.3.3 改進(jìn)模型的有限元分析按以上同樣的約束條件，同樣的加載大小和方式，通過ANSY馱件處理，得到以下結(jié)果（圖3.12應(yīng)力分布）。a）單元受力情況圖b）應(yīng)力分布圖圖3.12改進(jìn)模型的應(yīng)力分布圖從圖3.12中看出，軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以后，在應(yīng)力分布最大處，應(yīng)力過渡平穩(wěn)，用

33、新的零件將應(yīng)力最大值從-0.74681E7降低到-0.48453E6符合使用應(yīng)力?？梢钥闯鲈趦?yōu)化之后應(yīng)力集中的狀況有了非常大的改善。所以優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的3.3.4 小結(jié)在上述兩種情況的比較中可以看出，最大應(yīng)力均發(fā)生在軸肩附近，說明該處有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，是斷裂最先發(fā)生區(qū)，這與兩斷軸均在該處斷開、裂紋擴(kuò)展連線最長(zhǎng)這一現(xiàn)象是一致的。結(jié)論通過電機(jī)軸材料的宏觀、微觀、斷口、力學(xué)性能、有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究得出以下結(jié)論：1 .結(jié)論(1)由斷軸材料化學(xué)成分分析報(bào)告、機(jī)械性能結(jié)果及金相實(shí)驗(yàn)報(bào)告表明，該材質(zhì)的成分和機(jī)械性能合格，整個(gè)斷口新鮮，無氧化和腐蝕現(xiàn)象，沒有塑性變形痕跡，說明裂紋從產(chǎn)生到斷裂是有

34、較短的時(shí)間內(nèi)完成的，可斷定該軸裂紋為典型的脆性斷裂特征。(2)選材中采用35CrMo(30CrMoS體調(diào)質(zhì))代替了設(shè)計(jì)中的30CrMo材料，使軸根部在采用30CrM泌火工藝中出現(xiàn)缺陷成為了裂紋源，這就是發(fā)生脆性斷裂的主要原因之一。雖然35CrMo(30CrMo整體調(diào)質(zhì))在化學(xué)成分和機(jī)械性能方面基本達(dá)到要求，但在實(shí)際的制作上，以水淬代替了油淬，增大了軸冷卻速度，加上淬火操作不當(dāng)或回火不及時(shí)致使工件中存在過大的殘余應(yīng)力，在該軸截面急劇變化部位產(chǎn)生了較大的溫差，引起較大的熱應(yīng)力。裂紋的產(chǎn)生主要是以下過程：起源點(diǎn)(階梯截面部位的冶金缺陷)一一淬火裂紋一一氫脆開裂(氫含量過高)應(yīng)力集中處一一脆性斷裂。(3)軸結(jié)構(gòu)上由于有一道半徑約為1MM曹的存在使該位置變成了危險(xiǎn)截面，即為軸斷裂的地方。由該軸的應(yīng)力和位移分布狀態(tài)的力學(xué)分析報(bào)告中得知，應(yīng)力和位移在此處最大，超過正常情況很多。(4)利用ANSYST限元分析軟件對(duì)軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在軸端連接處用R25的圓弧光滑過渡，結(jié)果表明，應(yīng)力的最