機(jī)架轉(zhuǎn)軸斷裂失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

閆照鋒， 王孝兵， 韓洪偉

（中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南 洛陽(yáng) 470003）

0 引言

隨著新能源市場(chǎng)的持續(xù)向好，鋰電行業(yè)迎來了空前的發(fā)展，但也面臨著同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)、核心技術(shù)缺乏等問題。三元軟包電池以其體積小、重量輕、能量比高、安全性高、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，獲得了較大的發(fā)展空間，目前配套設(shè)備存在問題較多，存在安全隱患。

圖1是封裝軟包電池采用的夾具升降機(jī)構(gòu)示意圖，通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)夾具升降。前期使用中，機(jī)架轉(zhuǎn)軸于安裝軸承位置突然發(fā)生斷裂，設(shè)備在室溫下工作，每天運(yùn)轉(zhuǎn)20 h，正常工作2個(gè)月，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min，潤(rùn)滑狀況良好，無任何腐蝕環(huán)境，熱處理工藝為正火和回火。為查明轉(zhuǎn)軸斷裂原因，避免類似失效發(fā)生，對(duì)其取樣進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

圖1 夾具升降機(jī)構(gòu)示意圖

1 失效分析

1.1 化學(xué)成分分析

45鋼價(jià)格便宜，來源方便，加工性能好，淬火、調(diào)質(zhì)處理后，能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合力學(xué)性能［1］，因此轉(zhuǎn)軸材料選擇45鋼。在轉(zhuǎn)軸斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，表1所示為樣品化學(xué)分析結(jié)果，可見鍛件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T6397-2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》［2］的規(guī)定。

1.2 工作原理

工作原理：電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩端采用鏈條傳動(dòng)，鏈條中部與軌道采用過渡板連接，過渡板與滑塊、機(jī)架連接，通過鏈條帶動(dòng)其上下移動(dòng)。從圖1可以看出，轉(zhuǎn)軸斷裂主要原因?yàn)椋?）機(jī)架變形，夾具移動(dòng)中卡死；2）鏈輪傳動(dòng)精確度低，兩邊受力不同步；3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不合理，受力不均勻。

表1 樣品化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

在轉(zhuǎn)軸1/2半徑處制取2根20 mm的縱向拉伸試樣，室溫（23℃）進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表2，可見轉(zhuǎn)軸材料各項(xiàng)拉伸性能也均符合JB/T6908-2006對(duì)45鋼的技術(shù)要求［3］。

表2 轉(zhuǎn)軸拉伸測(cè)試

1.4 宏觀分析

根據(jù)斷口的宏觀特征，斷面由平滑區(qū)和粗糙瞬斷區(qū)構(gòu)成［4］，平滑區(qū)域可觀察到波浪型的輝紋，局部出現(xiàn)二次裂紋，瞬斷區(qū)為突然性破壞，呈現(xiàn)出靜斷裂或沖擊斷裂外觀；裂紋源是從軸邊緣開始，然后向中心部擴(kuò)展，最后于中心部位斷裂，斷口平整光亮，有金屬光澤，圖2中A、B、C分別表示裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)［5］。

從光滑區(qū)和粗糙區(qū)面積比例看，粗糙區(qū)約占50%左右，疲勞條帶較多，轉(zhuǎn)軸在扭轉(zhuǎn)、彎曲循環(huán)應(yīng)力作用下，開裂過程中裂紋張合間隙大，說明軸受到較大應(yīng)力作用；A區(qū)與B區(qū)呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)彎刀形，說明裂紋源與瞬斷區(qū)存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，判斷其為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂［6-7］，轉(zhuǎn)軸承受一定的彎曲應(yīng)力，表明其在使用過程中同軸度不高，產(chǎn)生異常彎曲應(yīng)力。疲勞擴(kuò)展至一定深度后，有效承載面積不足，轉(zhuǎn)軸發(fā)生快速斷裂。

圖2 轉(zhuǎn)軸斷口宏觀形貌

2 轉(zhuǎn)軸受力分析

轉(zhuǎn)軸整體對(duì)稱，如圖3所示，總長(zhǎng)為770 mm，鍵槽寬度為5 mm，深度為3 mm，鍵槽將鏈輪與轉(zhuǎn)軸連接，傳遞轉(zhuǎn)矩，中間段軸徑為20 mm，兩端軸徑均為15 mm，長(zhǎng)徑比大于38，為細(xì)長(zhǎng)軸。

由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性很差，車削時(shí)受切削力、切削熱和振動(dòng)等作用和影響，極易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)直線度、圓柱度等加工誤差，對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行受力分析具有重要意義［8］。

圖3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)尺寸

2.1 優(yōu)化前分析

假如從動(dòng)輪受到拉力F為1000 N，從圖4主動(dòng)輪與從動(dòng)輪位置關(guān)系，兩者存在10°夾角，可以得出：

聯(lián)合式（1）、式（3）、式（5）、式（6）得出：FAx=0 N，F(xiàn)Bx=944 N，F(xiàn)Cx=41 N。聯(lián)合式（2）、式（4）、式（7）、式（8）得出：FAy=7.5 N，F(xiàn)By=0 N，F(xiàn)Cx=7.5 N。

綜合分析可以得出：FA=7.5 N，F(xiàn)B=944 N，F(xiàn)C=41.7 N?？梢钥闯鯞點(diǎn)受力占94%，會(huì)引起轉(zhuǎn)軸應(yīng)力集中，進(jìn)而造成斷裂。

圖5 轉(zhuǎn)軸X方向受力示意圖

圖6 轉(zhuǎn)軸Y方向受力示意圖

2.2 優(yōu)化后分析

對(duì)轉(zhuǎn)軸支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加支撐點(diǎn)D，假如從動(dòng)輪受到拉力F為1000 N，由主動(dòng)輪與從動(dòng)輪位置關(guān)系圖4可以得出：

由受力關(guān)系圖7、圖8可以得出：

聯(lián)合式（9）、式（11）、式（13）、式（14）可以得出：FAx=FCx；FBx=FDx；FAx+FBx=492.5 N。

聯(lián)合式（10）、式（12）、式（15）、式（16）可以得出：FAy=FCy；FBy=FDy；FAy+FBy=7.5 N。

圖7 轉(zhuǎn)軸X方向受力示意圖

圖8 轉(zhuǎn)軸Y方向受力示意圖

通過結(jié)果可以看出：假設(shè)A點(diǎn)受力為0 N，B點(diǎn)受力為最大值493 N，占總受力的49%，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，B點(diǎn)受力小于總受力的49%，通過增加支撐點(diǎn)D，轉(zhuǎn)軸受力最大點(diǎn)明顯降低，整體受力相對(duì)穩(wěn)定。

2.3 綜合分析

通過對(duì)比優(yōu)化前后轉(zhuǎn)軸受力分析：1）優(yōu)化前C點(diǎn)受力明顯大于A點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸兩邊傳動(dòng)不同步，會(huì)造成夾具卡死，是造成轉(zhuǎn)軸斷裂的影響因素；2）受力最大點(diǎn)B在優(yōu)化后，減少接近45%，同時(shí)轉(zhuǎn)軸兩邊受力均等，較好保證轉(zhuǎn)軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9為機(jī)架優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)軸增加支撐點(diǎn)，將原支撐受力減少45%，保證轉(zhuǎn)軸整體受力均勻，目前設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，無斷裂現(xiàn)象。

圖9 優(yōu)化后機(jī)架結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文介紹了機(jī)架工作原理，對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了化學(xué)分析和宏觀分析，以及優(yōu)化前后受力分析對(duì)比，得出如下結(jié)論：1）通過宏觀分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸失效為使用過程中同軸度不高引起的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂；2）通過對(duì)轉(zhuǎn)軸優(yōu)化前后受力分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)不合理是造成轉(zhuǎn)軸斷裂的主要因素；3）實(shí)踐證明：對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)軸增加支撐點(diǎn)，使得支撐點(diǎn)受力減少45%，保證其受力均勻性和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行。

［1］ 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)定圖：GB/T1979-2001［S］.

［2］ 大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件：JB/T6397-2006［S］.

［3］ 容積式壓縮機(jī)用鋼鍛件：JB/T6908-2006［S］.

［4］ 孫野，朱榮杰.45號(hào)鋼電機(jī)軸斷裂失效分析［J］.防爆電機(jī)，2012，47（4）：50-53.

［5］ 陳俊健.45 鋼驅(qū)動(dòng)軸斷裂原因分析［J］.機(jī)械工程師，2013（5）：5-7.

［6］ 謝金鵬，鐘振前，馮冉，等.某壓縮機(jī)45鋼轉(zhuǎn)軸斷裂原因分析［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2014，50（12）：919-921.

［7］ 張博，白培謙.重型汽車后橋軸頭斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2004，40（10）：527.

［8］ 趙昌勝，楊峰，崔晴，等.45鋼軸類零件斷裂分析及預(yù)防［J］.金屬加工熱處理，2012（5）：45-47.