一種礦用自卸車電機(jī)軸的工藝改善探討

謝添

摘要：某型礦用電動(dòng)輪自卸車電機(jī)發(fā)生斷軸事故，造成了不良影響。根據(jù)對(duì)斷裂位置的分析，發(fā)現(xiàn)其倒角處存在應(yīng)力集中，對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，對(duì)轉(zhuǎn)軸的生產(chǎn)加工提供有效的指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)輪電機(jī);應(yīng)力集中;倒角

中圖分類號(hào)：U469.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0143-02

0? 引言

電機(jī)軸為傳遞扭矩的重要組件，其性能直接影響到電機(jī)能否正常運(yùn)用。自2017年至2018年，經(jīng)多地礦場(chǎng)反饋某型礦用電動(dòng)輪自卸車輪邊減速器電機(jī)發(fā)生斷軸事故，影響了客戶現(xiàn)場(chǎng)的正常安裝、生產(chǎn)。本文選取一臺(tái)出現(xiàn)斷軸問題電機(jī)進(jìn)行拆解分析，此拆解電機(jī)出廠時(shí)間為2017年4月，運(yùn)行時(shí)間為4560小時(shí)，斷裂位置在轉(zhuǎn)軸的花鍵過渡處。

1? 調(diào)查分析

針對(duì)問題電機(jī)，從宏觀分析、化學(xué)成分分析和金相檢查等方面出發(fā)，調(diào)查分析其斷裂原因。首先對(duì)斷軸位置做宏觀形貌檢查（見圖1）斷裂面與軸向垂直，位于過渡圓角處。圖2是經(jīng)清洗后的斷面宏觀形貌，根據(jù)斷面紋理和粗糙度可以分為三個(gè)區(qū)域。圖2中外圈Ⅰ處斷面較平坦，存在明顯的疲勞貝紋弧線，在表面一圈均存在徑向分布的交匯臺(tái)階，這是多次裂紋交匯的臺(tái)階，這說明該斷口具有應(yīng)力集中系數(shù)較大的多源疲勞斷裂特征。Ⅱ區(qū)存在環(huán)形紋理，結(jié)合轉(zhuǎn)軸服役情況可以分析該區(qū)域?qū)儆谂まD(zhuǎn)過載斷裂，這是由于前期疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致承載面積變小后無法承載服役過程中的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致的。Ⅲ區(qū)斷面呈灰色粗糙紋理，屬于后期彎曲應(yīng)力導(dǎo)致的過載瞬斷區(qū)域。

將電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口經(jīng)超聲清洗后放入掃描電鏡觀察微觀形貌。疲勞源處未見老舊裂紋或疏松、夾渣等原材料缺陷。過渡角處存在明顯的平行條狀加工刀痕。斷面II區(qū)存在環(huán)向扭轉(zhuǎn)蹭痕，III區(qū)微觀形貌為撕裂韌窩，說明該區(qū)域?yàn)樽罱K撕裂區(qū)。

對(duì)問題電機(jī)進(jìn)行取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中各元素均符合GB/T 3077-1999中關(guān)于40CrNiMo的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

使用線切割取齒塊進(jìn)行金相檢查，圖3是齒塊截面低倍形貌照片，根據(jù)顏色不同可以發(fā)現(xiàn)齒塊表面為感應(yīng)淬火，感應(yīng)區(qū)域?yàn)辇X塊頂部和節(jié)圓處，沿齒底方向，淬硬層深度逐漸減小，齒根處不存在感應(yīng)淬硬層。分別對(duì)節(jié)圓和齒根進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，其結(jié)果見圖4，齒根處未見明顯硬度降低，這進(jìn)一步說明齒根處不存在感應(yīng)淬硬層。對(duì)齒塊節(jié)圓處截面做微觀形貌和金相組織，該區(qū)域未見明顯異常夾雜，表面組織為細(xì)馬氏體，根據(jù)JB/T 9204-2008可以評(píng)定其顯微組織級(jí)別為5級(jí)無明顯異常。

沿圖2虛線處取截面金相試樣，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于過渡角處。圖5是斷口截面金相組織，斷面較平，未發(fā)現(xiàn)二次裂紋，具有疲勞斷裂特征。過渡角處截面凹凸不平，為加工刀痕的截面。在凹坑底部還存在細(xì)小裂紋，裂紋未見分叉。經(jīng)硝酸乙醇溶液侵蝕后，斷口截面組織為回火索氏體+少量貝氏體，未見明顯氧化脫碳現(xiàn)象。

2? 原因分析

經(jīng)宏觀形貌檢查，電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂面與軸向垂直，位于過渡角處。斷面外圈存在明顯的疲勞貝紋弧線，具有應(yīng)力集中系數(shù)較大的多源疲勞斷裂特征。經(jīng)掃描電鏡形貌檢測(cè)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸疲勞源處未見老舊裂紋或疏松、夾渣等原材料缺陷。

過渡角處存在明顯的平行條狀加工刀痕;經(jīng)化學(xué)成分檢查其元素符合GB/T 3077-1999中關(guān)于40CrNiMo的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，排除原材料的缺陷。經(jīng)常規(guī)金相檢查，齒塊表面為感應(yīng)淬火，感應(yīng)區(qū)域?yàn)辇X塊頂部和節(jié)圓處，沿齒底方向，淬硬層深度逐漸減小，齒根處不存在感應(yīng)淬硬層。齒塊節(jié)圓表面組織為細(xì)馬氏體，屬于正常的感應(yīng)淬火組織，齒根處表層組織為回火索氏體。轉(zhuǎn)軸基體存在條帶狀偏析，組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，硬度值為295HBW 5/750;經(jīng)斷口附近截面金相檢查，斷口截面較平，未發(fā)現(xiàn)二次裂紋，具有疲勞斷裂特征。過渡角處截面凹凸不平，為加工刀痕的截面，在凹坑底部還存在細(xì)小疲勞裂紋。

結(jié)合以上分析結(jié)果，轉(zhuǎn)軸斷口具有扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂特征，其應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸發(fā)生疲勞斷裂的原因是在轉(zhuǎn)軸過渡角處有結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，過渡角底部周向加工刀痕造成了附加應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中和服役應(yīng)力作用下在應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展。

3? 改進(jìn)措施及仿真驗(yàn)證

通過對(duì)其圓角處仿真模擬分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸疲勞壽命最短區(qū)域?yàn)檩S頸過渡倒角，與實(shí)際斷裂部位一致;分別對(duì)倒角半徑為0.5mm、0.3mm、3mm時(shí)的電機(jī)軸模型進(jìn)行疲勞分析，結(jié)合實(shí)際的粗糙度，疲勞壽命分別為25017～4133小時(shí)，與實(shí)際的服役時(shí)間（4000～8000小時(shí)）基本一致，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

由于轉(zhuǎn)軸過渡角處的應(yīng)力集中，對(duì)過渡處改為R3的過渡圓角。通過對(duì)此處更改前后的有限元分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，更改后此處的應(yīng)力為更改前的65%。倒圓角改為3mm后電機(jī)軸疲勞壽命達(dá)5.44E6小時(shí)（局部粗糙度為Rz=6.4μm），能滿足設(shè)計(jì)要求。疲勞壽命最低部位出現(xiàn)在花鍵齒根處，粗糙度對(duì)疲勞壽命影響較大，以Rz=100μm時(shí)的SN曲線進(jìn)行疲勞分析，電機(jī)軸的壽命為1.332E5小時(shí)。因此針對(duì)此處倒角增大的更改及表面粗糙度的提高能明顯提高電機(jī)軸的使用壽命。（圖6、圖7）

4? 總結(jié)

目前跟蹤更改完成工藝改進(jìn)的電機(jī)軸，運(yùn)行5000小時(shí)無異常。根據(jù)仿真分析驗(yàn)算結(jié)論，說明此次對(duì)電機(jī)軸的工藝改進(jìn)行之有效，有效提高了電機(jī)軸的使用壽命，同時(shí)對(duì)其他軸類產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工提供了指導(dǎo)和借鑒，規(guī)避了相同的風(fēng)險(xiǎn)。

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