蔡小亮

（維爾利環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司,江蘇常州213000）

0 引 言

螺旋輸送機作為提升和運輸材料的主要輸送裝置，主要由減速電動機驅動部分、螺旋軸、螺旋殼體等組成。而驅動部分主要由減速電動機、連接軸、軸承座幾部分組成，在螺旋輸送機中起到關鍵的作用，其可靠性直接影響到整機的使用穩(wěn)定性，所以驅動部分的設計合理性至關重要。近期，在某項目現(xiàn)場出現(xiàn)減速電動機驅動連接軸接連斷軸的問題，對整個減速電動機驅動部分進行了拆解、檢測，發(fā)現(xiàn)斷裂部位位于減速電動機輸出端空心軸與連接軸軸肩連接處。據(jù)悉，該項目有多條螺旋輸送機采用相同的設計方法，如果存在設計缺陷或者材料和熱處理不合格，那么其他的螺旋輸送機也會存在類似的斷軸風險。為了盡快解決這些問題，需要從源頭分析并作出合理判斷，最終優(yōu)化設計和制造工藝，徹底解決這個問題。

1 連接軸斷裂面形貌

減速機輸出軸為空心軸，連接軸為實心軸，材料為45鋼，調質處理，硬度為240～280 HBW。連接軸插入減速機空心軸并在減速機尾部通過緊定套固定。圖1給出了驅動部分原設計的結構圖，圖2是實物斷裂照片，圖3是軸受轉矩的理論斷裂面，斷面居中。觀察斷裂面，發(fā)現(xiàn)斷口存在偏心和撕裂的形狀，說明連接軸在運轉過程中存在徑向載荷和彎扭，長期交變載荷造成疲勞斷裂。

2 連接軸材料成分和硬度檢測

對斷軸取樣，按照GB/T699-2015標準對45鋼成分的要求對樣件進行成分分析，對樣件3處位置測定布氏硬度，檢測結果為162、161、162 HBW。

從表1和硬度檢測數(shù)據(jù)可以看出，化學成分上，Si、Mn、P三種元素均超標，材料成分不合格；硬度未達到240～280 HBW，熱處理硬度不合格，相當于沒有進行調質處理。

表1 材料成分質量分數(shù)檢測表 %

3 連接軸的有限元分析

圖4給出了連接軸的結構外形圖，材料45鋼性能如下：抗拉強度不小于600 MPa；屈服強度不小于355 MPa；延伸率不小于16%；斷面收縮率不小于40%；布氏硬度不大于197 HB。

對軸結構進行簡化，對軸最大靜應力有限元分析的輸入條件：按照電動機工頻狀態(tài)下，功率P=15 kW,輸出轉速n=38 r/min，計算輸出轉矩T=3770 N·m，取整，按照3800 N·m計算，結果如圖5所示。

由圖5最大靜應力計算結果看出，減速電動機在工頻狀態(tài)轉矩下，軸所受最大靜應力為373.3 MPa，大于45鋼的屈服強度355 MPa，結合表1實測數(shù)據(jù)，說明軸的性能是不滿足要求的。

減速電動機在實際使用過程中要求可以調速，調速范圍在10～85 Hz范圍內，如果是恒功率運轉，則減速機輸出轉矩會更大。如果在兩倍工頻狀態(tài)轉矩下工作，即輸入轉矩為7600 N·m，計算最大靜應力如圖6所示。

由圖6分析，軸所受最大靜應力為622.1 MPa。在取軸的強度安全裕度達到2倍的情況下，軸的屈服強度至少在622.1 MPa以上。

所以，經(jīng)過最大靜應力分析，受軸材料成分和熱處理性能不合格的影響，軸材料性能不能滿足使用要求。

4 驅動部分的受力分析

圖7給出了螺旋輸送機的安裝外形和驅動部分的空間位置，螺旋輸送機與地面成47°角，驅動部分在上部。

根據(jù)圖1和圖7，對驅動部分受力分析，圖8所示為驅動部分剖分及受力示意圖。

分析如下：1）減速機軸與水平面成47°角，電動機尾部朝上安裝，M1位置并沒有固定，整個減速電動機的重力G有2個分力：沿軸徑向的力Fτ，沿47°軸方向的力Fr。其中：Fτ方向與軸線垂直，F(xiàn)r方向與軸平行。減速電動機按照設定轉速運轉，質量約500 kg，若減速電動機沒有支撐固定，此時，會因為重力作用施加于軸端彎矩，且Fτ會施加剪切力，作用區(qū)域為圖1所示Ⅰ區(qū)域，在運動過程中，連接軸既承受減速電動機的轉矩，又承受減速電動機的重力給予的彎矩，還有重力作用的剪切力，在復雜的受力狀況下，軸在承受交變載荷，長時間作用下，會造成疲勞。2）從傳動鏈結構上來分析，此處軸有多處軸向固定，由于制造和安裝誤差，連接軸與減速電動機空心軸在安裝時會存在不同軸問題，對于軸的回轉產生不利影響，所以此處不建議采用剛性連接，宜采用撓性連接，如采用彈性聯(lián)軸節(jié)。

5 結 語

1）經(jīng)過材料成分和有限元分析，材料性能不合格是導致軸斷裂的直接原因；2）設計結構上，電動機沒有固定安裝，連接軸在承受轉矩的同時，承載了剪切力和彎扭是連接軸疲勞斷裂的根本原因；3）傳動結構上，減速機軸與連接軸之間宜采用柔性連接，減速電動機需固定安裝；4）在材料選用上宜采用性能更高的材料，適當?shù)臒崽幚?，在設計計算時，保證一定的安全裕度。