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工程事故分析电梯传动轴的事故分析摘要在本研究中队电梯传动轴的事故分析作了详细的介绍。事故发生在轴的键槽上。微观结构、力学、和轴的化学特性已经定了。对断裂表面做出视觉调查以后得出结论断裂的产生是由于扭转的弯曲疲劳。疲劳裂纹已开始在键槽边缘。考虑到电梯以及驱动系统、力和力矩已决定作用在轴上；在失效面上的压力事故须进行计算。压力分析的实现还利用有限元法（FEM）和结果与计算值的比较。耐力极限和疲劳安全系数的计算，轴的疲劳周期分析进行了估计。失效原因的研究及分析得出破裂的发生是由于设计错误或键槽的制造（键槽角落较低的曲率半径造成高切口效应）。总之，曲率半径的变化对压力分别的影响可以用FEM解释，且必须采取预防措施防止透明的类似的失效。1. 简介本文研究的电梯传动轴已经被使用了30年。电梯驱动系统安装在建筑物的底部（图1）。据报道，在运行过程中无维护应用在轴上。电梯用于一个8层和16个套间组成的建筑里。电梯具有承载4个人（320kg）的能力。就在事故发生后，两个人离开了电梯，由于轴的突然断裂，皮带轮和电动发电机的连接被打破，从而导致发电机的制动系统失败。由于平衡重量变重，电梯以巨速上升。在事故中无人员受伤。2. 电梯驱动系统的分析在电梯驱动系统的分析得出转矩是由一个电动马达产生的，由螺旋轮传输给轴。电动发动机产生6.5HP，是1500转的旋转和螺旋轮的减速比为28.6。轴关键通过皮带轮旋转。电梯的四个主要绳索放在滑轮上且通过在驱动轴和滑轮方向旋转，电梯上下移动。电梯的服务速度是0.6m/s。轴是由三个方向上径向轴承的形式支撑的（图2）。3. 断口的视觉调查初级视觉调查后发现断裂发生在轴上皮带轮固定的键槽处（图3）。在分析断口（图4），检测到一个典型的扭转弯曲疲劳断裂面1。疲劳裂纹开始发生在键槽的角落，然后移动到差不多整个表面。脆性断裂面的小面积表明一个低的作用应力。检测到的疲劳线仅在脆性断裂地区。这可能由于摩擦表面的相互分离，导致形成疲劳线消失。4. 原料的特性由于没有有关可用化学成分轴材料的信息，事故分析的首要任务是材料的鉴定。确定轴材料、化学成分、机械性能和显微结构分析的进行。4.1. 化学分析轴的化学分析采用原子吸收光谱法，如表1报告。4.2. 微观结构轴材料的微观结构是由蚀刻，金刚石抛光后，用2%的Nitral溶解并在显微镜下观察（图5）。铁素体，珠光体和细晶粒结构可以清楚地看到。4.3. 机械性能拉伸和硬度试验来确定轴的机械特性，见表2。考虑到机械、化学和微观结构分析结果，轴材料估计为St52.0。张力，屈服，伸长率和硬度值依照DIN1629都是适合于St52.0的目录值2。5. 压力分析通过压力分析，调查发现最大和最小正常和剪切压力值发生在操作过程中的断裂面。起初，力和力矩作用在确定的轴上。通过分析最小压力值，只有空舱的重量（420kg）和平衡重量（580kg）考虑在内。在这种情况下，反作用力在断裂面处瞬间引起437.4 N m的弯曲度，作为20.6MPa的正压力值。剪切力，由于空舱、绳索和平衡重量的负载引起，形成了3.5MPa的剪切压力。通过分析最大压力值，平衡重量，四个人在内的客舱重量（每个人是80kg，且客舱的总重是740kg），扭转瞬间和冲击比是要考虑的。在这种情况下，571N m的弯曲力矩在断裂面发生并引起一个27MPa正常压力值。剪切压力值，由于剪切力，才是4.7MPa。6.5HP电动发动机旋转率是1500rot/min，螺旋齿的换算比率是28.6且驱动系统的效率是0.7。考虑到这些参量，扭力矩计算为887.7N m。总剪切压力在这种情况下作为25.7MPa计算。通过视觉检查后确定，从键槽范围到键槽侧面（角落）的过渡近似垂直的，并且没有观察到曲率半径（RC）（图6）。理论上，RC不能为零，它只能通过精铣刀具到达0.4mm的值3。因此，通过把RC看作0.4mm来计算，引起一个巨大的高切口的效果。理论的缺口效应在两个状态下（使用相关表4）分析；剪切缺口效应（）被定义为2.93和弯曲缺口效应被定义为2.72。疲劳切口元素（）考虑到几何学和轴的材料可以计算为4:其中？是缺口灵敏度元素且其值为0.854。使用方程（1）剪切疲劳缺口效应（）计算为2.64并且标准疲劳缺口效应（）为2.46。冲击比例系数被认为1.2。考虑到剪切和正向压力，冲击比例（）和疲劳缺口效应，等效压力（）使用“形状变形能量假说”计算5为：计算结果见表3。5.1. 疲劳强度分析轴材料的疲劳强度（耐力极限）计算为6考虑到大小因素（kD）当kD=0.77时直径为60mm且表面因素（精细抛光）kS=0.956；新的耐力极限计算为，从我们在知道平均压力值之前已经做的计算中（）得出不为零。为确定对耐力极限的影响，我们必须知道或至少估计下。为了计算，我们必须考虑发生在断裂面处随时的压力值变化。但是这是相当困难的。通过我们做过的计算，我们估计最大和最小压力值。最小压力值出现在空舱位置和固定位置（速度为零）且没有加速度，通过电梯和四个人（每个人被认为是80kg）在客舱内加速到达最大压力值。但在现实中，运输在客舱内人的数量并不总是最大运输数量的人数（4）。因此，一个“变振幅压力”要视客舱内的人数发生在断裂面（图7）。每个最小峰值证明是在电梯不动和空载时压力在断裂面的值，最大峰值证明是压力值发生在载人电梯巡游时且考虑加速度。要计算平均压力，我们必须转变 “变振幅压力”为“恒振幅压力”通过假设最大压力值总是发生在断裂面处（通常运送四个人）。根据这一假设，压力值随时间的变化见图8。这种情况下平均压力值是108MPa。考虑到平均压力值，计算耐力极限之前需进行改进。通过分析，古德门的标准被考虑（图9）并改进耐力极限（）计算为考虑到改进耐力极限（）和等效压力（），疲劳安全系数（）计算为5.2. 疲劳寿命分析从方程式（6）可以看出疲劳安全系数是相当的低（）。对于详细的疲劳寿命分析，寿命周期通过下面的假设估计：大厦里所有电梯的唯一大约是八层楼21m。这栋建筑包括16个公寓。其中一半公寓是两个人，另外一半公寓是三个人居住。每个人每天使用电梯两次。电梯每年使用349天且轴可运行30年。滑轮的直径是400mm，被每个旋转的电梯移动1.257m。考虑到这些解释，电梯的总寿命大约是6.8106圈。为进一步的疲劳分析，轴的压力-圈数（S-N）曲线得以估计。为绘制轴的S-N的曲线，根据Juvinall和Shigley7，8，疲劳事故压力值在103圈时发生，由下式计算其中m=0.9是弯曲度。根据方程式（7）在Nf=103周期时压力值是512MPa。图中第二点是耐力极限值，其中钢为106圈。根据这些解释，估计的S-N图表见图10。通过低压力值和高周期疲劳，事故可能发生在106和107圈之间9。所以估算寿命6.8106圈数值为疲劳事故支持我们的论点。6. 有限元素分析为在键槽和断裂面检查压力分布，需应用有限元素分析（FEM）。通过使用分析ANSYS程序。建立了一个精确的轴几何模型。作为一个三维物体由于轴太长而不能完全被分析，只有键槽和断裂区进行了详细的建模（图11）。高压力区域，特别是在键槽角落，可以清楚地看到。上升对压力值的显著效果是低的曲率半径引起一个高的缺口效应。使用FEM进行压力分析的主要目的是核实我们以前所做的计算。从图11可以看出，断裂面的压力值接近计算值。7. 讨论通过增加曲率半径（RC）值，产生在键槽角落的压力值可有效降低。要确定RC在压力分布的影响，可使用有效元素分析。通过这种检查，RC-值的逐渐增加是为压力值减少的视觉分析，可见图12。键槽处压力值的剧烈增加清晰可见。对于进一步的研究，RC改变对压力和疲劳安全系数的影响详细分析见图13和14。通过从0.5mm到2mm增加曲率半径将减少压力值从163到104MPa和疲劳安全系数从1.05到1.78的增加。图13和14证实曲率半径的增加可能会预防电梯驱动轴的事故。总之，这确定轴断裂发生是由于错误设计或键槽的制造（曲率半径低），造成高缺口的影响。8. 小结一个电梯传动轴故障分析的详细调查。确定了轴的微观结构，机械和化学特性。做了断裂面的视觉调查之后得出结论是
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