李 劍

（東芝扶梯（中國(guó)）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

金屬驅(qū)動(dòng)軸是扶梯的一個(gè)主要部件，它安裝在扶梯的驅(qū)動(dòng)輪與電動(dòng)機(jī)之間，其主要作用是確保扶梯能夠順暢運(yùn)行[1]。眾所周知，金屬驅(qū)動(dòng)軸的平穩(wěn)工作不僅僅影響著扶梯的安全運(yùn)行，同時(shí)它還影響著乘客乘坐扶梯的安全性和舒適性。除此以外，金屬驅(qū)動(dòng)軸是扶梯系統(tǒng)的輸出軸與軸承一同承載著扶梯的運(yùn)行工作，因此，金屬驅(qū)動(dòng)軸的失效或者零件破損不僅會(huì)影響扶梯安全生產(chǎn)，甚至?xí)斐珊艽蟮陌踩鹿蔥2]。為此，本文主要對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂進(jìn)行的全面的分析研究，并在此基礎(chǔ)之上提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。

1 金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效分析研究

1.1 扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的斷口分析

扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的斷口是金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂后金屬表面所出現(xiàn)的一種外觀形貌，它主要是指斷口產(chǎn)生的裂紋或者是斷口擴(kuò)展時(shí)所產(chǎn)生的痕跡，其形狀或者外形直接記錄了扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的起因、斷裂過程以及最終斷裂的相關(guān)信息[3]。通過對(duì)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口的形貌特征進(jìn)行觀察分析研究可以得到有關(guān)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用信息，同時(shí)了解扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的斷面形狀以及斷裂裂紋的擴(kuò)展方向等相關(guān)信息，以此來進(jìn)一步判斷扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的斷裂原因，為進(jìn)一步完善扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸鍛煉失效模式、改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及合理選材等提供優(yōu)化方向。

金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口分析還是金屬驅(qū)動(dòng)軸材料鍛煉失效分析研究的一個(gè)主要內(nèi)容，通過對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口進(jìn)行分析和研究能夠有效的揭示金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的機(jī)理，以此來確定金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效的原因，從而更好的根據(jù)金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效原因分析其優(yōu)化措施。

1.2 扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)分析

扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)分析主要是分析材料的使用特征。金屬材料的抗拉強(qiáng)度與材料的疲勞強(qiáng)度在一定條件下呈正比例關(guān)系。因此，在進(jìn)行扶梯金屬材質(zhì)分析時(shí)要注意材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。有一些金屬驅(qū)動(dòng)軸在生產(chǎn)過程當(dāng)中其材料中摻雜了鋼元素，從而導(dǎo)致金屬驅(qū)動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，從而降低了金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，給扶梯的運(yùn)行帶來極大的隱患。除此以外，金屬驅(qū)動(dòng)軸在其生產(chǎn)加工過程當(dāng)中都要經(jīng)過冶煉、鑄錠以及鍛造等冶金程序，其冶金過程的質(zhì)量高低也直接影響著金屬驅(qū)動(dòng)軸的最終疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和使用壽命。

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析主要是為了研究金屬驅(qū)動(dòng)軸化學(xué)成分當(dāng)中的碳化物和非碳化物所形成的合金元素，這些化學(xué)元素在進(jìn)行熱處理之后能夠提升金屬驅(qū)動(dòng)軸的各項(xiàng)力學(xué)性能。金屬驅(qū)動(dòng)軸在扶梯運(yùn)行過程當(dāng)中承受著各個(gè)各樣的沖擊力和載荷力，因此對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸的材質(zhì)要求也相對(duì)較高。通過相關(guān)的技術(shù)資料查詢可以得知，當(dāng)前我國(guó)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸所選用的材料牌號(hào)主要為42CrMo材料。42CrMo材料作為一種綜合性優(yōu)良的金屬結(jié)構(gòu)鋼材料，其材料當(dāng)中主要包含合金元素Cr與Mo兩種非碳化物所形成的合金元素，其中Cr元素能夠有效的提升金屬的穩(wěn)定性，同時(shí)降低金屬的臨界冷卻速度，從而有效的提升金屬材料的淬透性，確保金屬材料的穩(wěn)定性。

1.4 機(jī)械性能測(cè)試

在扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效分析當(dāng)中，金屬驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械性能測(cè)試主要是為了檢測(cè)金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂零件的材料塑性、材料強(qiáng)度以及材料強(qiáng)度指標(biāo)，即檢測(cè)金屬驅(qū)動(dòng)軸失效抗力指標(biāo)是否達(dá)到指標(biāo)，以此來更好的判斷金屬驅(qū)動(dòng)軸零件材料是否滿足金屬驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行要求以及相關(guān)機(jī)械性能。

為了檢測(cè)金屬驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械性能，進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)和硬度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過拉伸實(shí)驗(yàn)不僅僅可以檢測(cè)金屬材料在靜載荷作用下所形成的載荷與伸長(zhǎng)量的關(guān)系，同時(shí)還能夠獲得靜載條件下金屬驅(qū)動(dòng)軸的材料的延伸率、抗拉強(qiáng)度、屈服極限以及斷面收縮率等相關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)，具體的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，為拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

通過實(shí)驗(yàn)可以得出扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

屈服強(qiáng)度δs＝10055MPa，試件的抗拉強(qiáng)度δb＝12048MPa，斷面伸率δ＝17.55%。

根據(jù)相關(guān)要求，42CrMo材料調(diào)質(zhì)處理后的所產(chǎn)生力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度σb≥1100MPa，其屈服強(qiáng)度σs≥650MPa，斷面延伸率δ≥12%，因此，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析得出，扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的韌性和強(qiáng)度等機(jī)械性均已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 金屬驅(qū)動(dòng)軸失效的改進(jìn)研究

為了提高扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，降低和避免出現(xiàn)金屬驅(qū)動(dòng)軸失效的難題，急需對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案主要有兩種，分別是優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸鏈接方式和金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化，下文對(duì)兩種優(yōu)化方式進(jìn)行全面詳細(xì)的介紹。

2.1 優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸鏈接方式

當(dāng)前，市面上較為常用的機(jī)械回轉(zhuǎn)部件鏈接方式是鍵連接和過盈連接或焊接，其中，鍵連接主要是利用鍵來實(shí)現(xiàn)金屬驅(qū)動(dòng)軸與其軸上零件進(jìn)行負(fù)載傳遞，它屬于機(jī)械傳動(dòng)中使用最廣泛的一種鏈接方式，其具有加工簡(jiǎn)單、拆裝維修方便以及性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是其也存在著一些缺點(diǎn)，比如無法承受重型載荷、削弱連接件的疲勞強(qiáng)度以及降低金屬驅(qū)動(dòng)軸的承載能力和壽命等等。過盈連接與其不同，它主要是通過被連接件之間的過盈配合實(shí)現(xiàn)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸和其軸上零件的鏈接，其優(yōu)點(diǎn)主要是能承受重型載荷和沖擊載荷、傳動(dòng)精度高以及削弱金屬驅(qū)動(dòng)軸連接件疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)缺陷等等。但是它與焊接一樣也存在一定的缺點(diǎn)，比如拆裝及維護(hù)困難，這在一定程度上限制了過盈連接及焊接的應(yīng)用。

2.2 金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化

優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸在去除金屬軸的螺紋孔和縮短鍵槽的長(zhǎng)度后，其所輸出的軸端的應(yīng)力明顯降低，導(dǎo)致疲勞壽命有所提高；然而，此種優(yōu)化方式使軸端階梯處的安全系數(shù)卻明顯偏低，使得疲勞壽命也相應(yīng)降低。于此可知，僅僅優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸外部結(jié)構(gòu)仍無法滿足金屬驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行需求，因此需對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸進(jìn)行優(yōu)化。金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化主要是指對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)軸的軸徑進(jìn)行合理優(yōu)化。為提高扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，通過改變扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的軸徑尺寸來提高金屬驅(qū)動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

總而言之，扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效屬于脆性斷裂的范疇，且在使用過程當(dāng)中不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，且沒有任何的先兆。所以扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂后往往產(chǎn)生災(zāi)難性后果，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)和人員損失。為了降低和避免扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂事件的發(fā)生要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和優(yōu)化，以此來確保扶梯的順利運(yùn)行。