电机轴的失效分析和优化设计
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目录
前言1
第1章 失效(断裂)分析3
1.1 失效（分析）的概念3
1.2 失效（分析）的发展4
1.3 失效分析的目的4
1.4 失效（断裂）分析的方法5
1.5 失效分析的思路6
1.6 失效分析的程序7
第 2 章 电动机输出轴的断裂分析11
2.1电动机输出轴简图11
2.2 性能检查11
2.3 电机轴的性能检查12
第 3 章 输出轴的有限元分析及优化设计15
3.1 PRO/E建模16
3.2 ANSYS分析18
3.2.1 网格划分18
3.2.2 加载求解18
3.2.3 查看求解结果18
3.3 电机轴的优化设计19
3.3.1 建立目标函数20
3.3.2 改进后轴结构20
3.3.3 改进模型的有限元分析21
3.3.4 小结21
结论22
致谢23
参考文献24
前言
随着科技的突非猛进系统和设备日益复杂，功能不断提高，机械零件的不可靠和不安全因素增多，导致故障的原因也增多，因而对故障的分析研究工作亦越来越受到世界各国的关注。工业的发展、技术的进步正是人们不断与产品失效做斗争的结果，这在航空和航天事业的发展史中表现尤为突出。因为即使航天飞机这么先进的运载工具也可能发生故障，如美国的价值12亿美元的“挑战者”号航天飞机，在1986年1月28号第11次升空时突然爆炸，使7名宇航员遇难，这一惨痛悲剧再次告戒人们忽视产品失效问题将带来灾难性的恶果。任何一次失效都可以看成是产品在服役条案件下所做的一次最真实做可靠的学实验的结果；通过失效分析判断失效模式，找出失效的原因和影响因素，也就找到了薄弱环节所在，从而改进有关部门的工作。提高产品质量。失效分析是可靠性工程的技术基础之一；是安全工程的重要技术保障之一；是维修工程的理论基础和指导依据；可产生巨大的经济效益和社会效益。
电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是电动机中不可缺少的重要零件之一,也是最常见的失效零件。
为此，我们对电动机输出轴的断裂原因进行了比较系统的分析：轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的。使减速器的工作性能达到最优。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。
Pro/ENGINEE是1985年美国波士顿PTC公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，本文所进行轴的结构分析就是基于Pro/ENGINEER这一软件。
1.4 失效（断裂）分析的方法
失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：
1．事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）；
2．事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）；
3．事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。
上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。
1.5 失效分析的思路
失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是:
1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。
2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。
3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。
4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。
5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:
（1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑
（2）结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;
(3)客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;
(4)实验室规律性试验研究与生产试验相结合。
1.6 失效分析的程序
进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:
1. 收集失效件的背景数据 除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:
(1) 失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况;
(2) 失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。
2. 失效零部件及全部碎片的外观检查 在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为:
(1) 观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;
(2) 观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹;
(3) 观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处;
(4) 观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤;
(5) 观察相邻零部件或配偶件的情况;
(6) 观察零部件表面有无附着物。
3. 试验室检验 在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。一般采用的分析手段有下列各项:
(1) 化学分析 目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或进行微区成分分析。当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分;
(2) 宏观(低倍)分析 主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷;
(3) 断口分析 对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜(特别是扫描电镜)对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;
(4) 微观组织分析 即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因;
(5) 力学性能试验 在必要时可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,以校验该零部件的实际性能是否符合技术要求;
(6) 其它检测项目 如用X射线衍射仪进行定性(如σ相)或定量(如残余奥氏体含量)分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。
4. 判定失效原因
进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节。断裂失效原因的分析过程见图2.1。一般要从影响零部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全结论
通过电机轴材料的宏观、微观、断口、力学性能、有限元分析及优化设计等方面的研究得出以下结论：
1．结论
（1） 由断轴材料化学成分分析报告、机械性能结果及金相实验报告表明，该材质的成分和机械性能合格，整个断口新鲜，无氧化和腐蚀现象，没有塑性变形痕迹，说明裂纹从产生到断裂是有较短的时间内完成的，可断定该轴裂纹为典型的脆性断裂特征。
（2）选材中采用35CrMo（30CrMo整体调质）代替了设计中的30CrMo材料，使轴根部在采用30CrMo淬火工艺中出现缺陷成为了裂纹源，这就是发生脆性断裂的主要原因之一。虽然35Cr Mo（30Cr Mo整体调质）在化学成分和机械性能方面基本达到要求，但在实际的制作上，以水淬代替了油淬，增大了轴冷却速度，加上淬火操作不当或回火不及时致使工件中存在过大的残余应力，在该轴截面急剧变化部位产生了较大的温差，引起较大的热应力。裂纹的产生主要是以下过程：起源点（阶梯截面部位的冶金缺陷）——淬火裂纹——氢脆开裂（氢含量过高）——应力集中处—— 脆性断裂。
（3） 轴结构上由于有一道半径约为1MM槽的存在使该位置变成了危险截面，即为轴断裂的地方。由该轴的应力和位移分布状态的力学分析报告中得知，应力和位移在此处最大，超过正常情况很多。
（4）利用ANSYS有限元分析软件对轴的结构进行改进，在轴端连接处用R25的圆弧光滑过渡，结果表明，应力的最大值由原来的57.5MPa变化到24.4MP，应力集中在优化后减小了接近58%。此值与理论值21.2兆帕相差不大，结果可信，符合工况要求。
致谢
毕业设计是我第一次系统的、全面、独立地进行设计工作。在设计过程中，不但巩固了专业知识，加深了对知识的融会贯通，更为重要是是，培养了我严谨务实的工作作风，锻炼了我分析问题，解决问题的能力。这对我毕业后调整自我，尽快胜任工作将产生很大的作用。
毕业设计是对我大学学习的一次综合考试。
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通过毕业设计，我学到了很多东西：如何学习，如何合作，如何做人。
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毕业设计中的挫折和喜悦，经验与教训将会是我今后工作的一笔重要财富。
感谢杨师的悉心指导。杨老师严谨治学，知识渊博，能够成为杨老师的学生是我荣幸!
感谢各位老师的指点和宝贵意见！
参考文献
[1]张栋.《失效分析》[M]. 北京:国防工业出版社
[2]孟昭蓉. 2000年世界航空安全形势回顾.专题报道
[3]张峥.《失效分析程序》[J].理化检验-物理分册
[4]张栋.《机械失效的实用分析》北京:国防工业出版社
[5]Yueda.Analysis of tjermal elastic-plastic stress and strain during welding[J].Trans.Japan Welding Soc,1971.2 (2 ):90-94
[6]尹柏生.《有限元分析系统的发展现状与展望》[EB/OL]
[7]张洪信.《有限元基础理论与ANSYS应用》[M].机械工业出版社
[8]土大伦,赵德寅,郑伯芳.《轴及紧固件的失效分析》[M].机械工业出版社
[9]王猛,刘吉普,杨湘洪.《基于有限元的爪式联轴器失效分析与优化》[J].机械研究与应用
[10]张栋.《机械失效的实用分析》 北京:国防工业出版社
[11]J.A.Collins.Fai1ure of Materials in Mechanical Des ign-Analysis Prediction Prevetion.John Wiley & Sons. 1981:115
[12]美国金属学会.《金属手册》第八版 机械工业出版社
[13]刘民治.钟明勋.《失效分析的思路与诊断》机械工业出版社
[14]张栋.《机械失效的痕迹分析》国防工业出版社
[15]郑文龙.《金属构件断裂分析与防护》上海科技出版社
[16]郭秀文，栗复信.《金相技术问答》国防工业出版社
[17]陈君才.《金属构件的失效分析》成都科技大学出版社
[18]龚曙光.《ANSYS基础应用及范例解析》[M].机械工业出版社
[19]龚曙光.《Ansys工程应用实例解析》[M].机械工业出版社
[20]梁清香.《有限元与MARC实现》[M].机械工业出版社
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