电机轴的失效分析和优化设计

-£X.-JL_刖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/ENGINEERWILDFIRE3.0。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。第1章失效（断裂）分析1.1失效（分析）的概念失效，按照国家标准GB3187-82《可靠性基本词术语及定义》，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做“失效分析”。失效分析是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。美国《金属手册》认为，机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时，就可定义为失效:①当它完全不能工作时;②仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时；③受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。本论文所研究的就是断裂失效。1.2失效（分析）的发展第2章电动机输出轴的断裂分析电动机输出轴简图由作用在肋板上的拉力、轴两端的拉力、轴颈处的重力引起，这些应力随运行过程不断发生变化，一旦过载、突然启动和制动、多次重载荷冲击，减速器轴的某些局部位置可能发生低周大应变疲劳开裂和扭转过载塑性断裂。断轴情况主要发生在负荷侧，如轴承支承处、有明显的刀痕处、肋板与主轴的结合处、轴肩处及有槽的地方。电机轴在设计和工艺上经常有槽、阶梯过渡处和轴肩等结构，如果槽结构不合理或不均匀、过渡圆角太小、轴径变化较大等，电机轴在交变应力的作用下，这些部位的应力分布会极不均匀，在应力特别高的部位逐步形成微观裂纹且逐渐扩展，导致突然脆性断裂。这是减速器轴断裂最常见的原因。另一方面，电机轴的非配合面在加工时经常被忽视，轴表面和轴肩过渡圆角处常留有刀痕，表面粗糙度过大，这样会引起状态系数0降低，使轴的抗疲劳能力降低而引起折断。2.2性能检查齿轮轴的宏观检查要研究零件的失效问题，首要问题就是对零件进行宏观检查，断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础，查找断裂源区是宏观分析的最重要环节。我们对断轴进行了实地考察，电机轴断口，断面灰且较亮，粗晶区很大，在一侧边缘人字纹隐约可辩，极似最后撕裂的少量痕迹，纤维区和剪切唇很不明显，没有腐蚀的痕迹，断源在上放，贝纹量甚少且不明显，属“结晶状”断口。再综合径向观察，断裂处不是出现在连接处，而是前面的一小段距离的地方，观察发现，断裂处原始就有一圈深度为1mm圆弧沟。有此可知：此断口属脆性断口，起始于离拐轴连接处大概1m的圆弧沟槽。2.3电机轴的性能检查在此同时，我们从该轴的设计图纸得到：该轴应采用30CrMo材料，要求该轴表面的硬度HRC38—43(HBC280—320)，采用整体调质工艺。我们对断裂电机轴原件进行检验和实际调查，发现该轴实际生产时与设计有较大的出入，采用35CrMo材料，而采用30CrMo整体调质。我们对材质进行了化学成分、机械性能等方面进行了检验，并列表与设计中采用的材质进行了对比，具体情况如下表2.1-2.3所示。

表2.1材料化学成分（%）\成分材料'\CMnSiCrMo30CrMo（设计）0.26—0.340.40—0.700.17—0.370.17—0.370.32—0.4035CrMo（实物）0.32—0.400.40—0.700.20—0.400.80—1.100.15—0.35表2.2材料的机械性能\项材\目料\力学性能抗拉强度Ob（MPa）屈服点Os（MPa）伸长率6s（%）断面收缩率甲（%）冲击韧度ak（J/cm2）30CrMo（设计）93078512508035CrMo（实物）980835124580由上表可知:设计中该轴采用30CrM。材料，但该轴生产时实际采用35CrMo材料，采用30CrMo整体调质。通过轴的能谱分析，实际材质基本合格，但在加工和热处理后是否满足设计要求有待研究。2.3.1电动机的微观分析在对某厂①60因疲劳断裂的电机轴进行金相组织分析中，从图1轴心部位金相组织X75图2轴表层金相组织X75轴心部位金相组织（图1所示）和轴表层金相组织（图2所示）照片分析表明，该轴形成了沿圆周分布的环状裂纹，在循环的交变应力作用下，该部位形成连续的沿周向分布的环状裂纹，进而裂纹区扩大，最后整个轴断裂，造成事故，2.3.2小结由该轴材质的材料化学成分分析报告表明合格。由该轴材料的机械性能结果可知，材料的机械性能合格。由断轴的金相分析结果得出，该轴材料的金相组织合格。由扫描电镜可看出，试件内部存在解理断裂和沿晶断裂，说明选材不当，此自卸车上拐轴的材料为30CrMo,不能用35CrMo材料（30CrMo整体调质）代替，实际中采用30CrMo淬火工艺使该处的缺陷成为了裂纹源，因而发生脆性断裂破坏，这也就是拐轴断裂的主要原因之一，原因如下：（1）由于该大型轴的阶梯截面部位的较大几何形状因素，使工件局部截面冷却速度急剧变化，截面小的部位在淬火时先发生马氏体转变，随后截面粗的部位发生马氏体转变时，体积膨胀，在截面粗细交界处产生了较大的应力集中，因而在大型轴阶梯截面部位出现淬火裂纹。35CrMo钢对裂纹十分敏感，在外力作用下发生低应力断裂。（2）该大型轴属于淬不透的大型轴，在其阶梯截面部位内部有冶金缺陷（白点、夹杂、疏松、缩孔残余等），这些缺陷破坏了工件的连续性，在淬火应力作用下这些缺陷成为产生裂纹的起源点。在产生裂纹的工件中发现有白点，这是由于在残余应力作用下，氢含量过高并向应力集中处扩散，产生氢脆开裂。这主要是由于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所致。（3）35CrMo是中淬透性钢，淬火加高温回火处理能获得优良机械性能的回火索氏体组织。该钢材的淬透性比较好，应采用较慢的冷却速度淬火，一般用油淬，以避免出现热处理缺陷（35CrMo调质工艺850—860°C油淬、540°C回火；30CrMo调质工艺860—870°C水淬、540°C回火）。由于该轴采用35CrMo钢，而采用了30CrMo整体调质工艺，使该轴冷却速度较大，再加上该轴截面急剧变化部位温差较大，产生较大的热应力。注：冷却介质的冷却能力越大，材料的冷却速度越大，越容易超过该材料的临界淬火温度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深，但是，冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。水的冷却特性很不理想，在需要快冷650—400C区间，其冷却速度很小，不超过200C/s。而在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又很大，在340C最大冷却速度高达775C/s，很容易造成淬火工件的变形或开裂。水温升高，高温区冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高，适用于尺寸不大、形状简单的碳钢淬火。其次，由于蒸汽膜阶段会延长很长，随着淬火水温的升高，助长了蒸汽膜的停留时间，使阶段延长，造成硬度不变。油的主要优点是在低温区的冷却速度比水小很多，从而可大大降低淬火工件的组织应力，减少工件变形或开裂的倾向。第3章输出轴的有限元分析及优化设计有限元分析采用的软件为ANSYS9.0，它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用CAE软件，它由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡ANSYS公司开发，于1970年由JohnSwanson博士创建而成的，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众工业领域及科学研究。本文所做的内容是关于轴断裂失效问题，发生断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中，应力集中往往又出现在轴结构中轴径变化大的地方（如越程槽、卸载槽等、阶梯过渡处和轴肩），所以很有必要对轴结构（特别是轴径变化大的部位）进行应力分析。为此，我们利用ANSYS软件对实际轴和图纸上的设计轴进行应力、位移情况进行比较和研究，能较合理的分析出断轴的原因，并在此经常上再利用ANSYS软件提出合理的改进意见，这不但能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，而且可提供一套较完整的关于轴的有限元失效分析及优化设计的相关参考，具有很高的实用价值。通过对断轴的实际几何尺寸的测绘，我们得到以下电机轴的结构如图3.1所示，电机轴的结构主要由若干块（6-8）肋板焊接在主轴上组合而成，硅片和线圈绕在肋板上，利用磁场产生电流来工作。在电机的工作中，肋板和轴的结合处由于电磁力的周期作用出现了较大的应力集中，加上轴的常规设计和一般的工艺缺陷，会产生了疲劳裂纹，最终导致了零件的断裂失效。3.1PRO/E建模利用Pro-E软件，作出阶梯轴零件图，如下图3.2-3.4所示。在PRO/E建模中，由于要进行有限元分析，为减少小尺寸的影响，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，减速器轴的实际受力过程是不断运动的，为便于分析起见在受力等效的原则下—过施加约束转化为一个静力分析模型。图3.2主轴零件图的建模

图3.3肋板的建模图3.4焊缝的建模图3.5电机轴的建模3.2ANSYS分析3.2.1网格划分本文采用ANSYS9.0，将Pro/E中电机轴的建模调入其中进行网格的划分。在有限元的划分上，采用了ANSYS的SOLID45单元来划分网格，利用分层和多次剖切的方法，将全轴用映射网格划分，在划分网格时特意将轴肩处划的较密，这样既采用了形态较好的六面体网格，又使网格疏密有致，保证了较高的计算精度。划分的结果如下图3.6所示。3.2.2加载求解施加载荷的大小是以材料的屈服强度为依据，取试件的屈服强度计算值的80%为施加的载荷，具体的计算如下：N=asXAX80%N：施加的载荷；as:材料的抗拉强度；A：试件的横截面积。35CrMo的抗拉强度as=835MPa解得：N=90吨，即在加载面积上的应施加的F=90吨。3.2.3查看求解结果3.2.3.1应力分布pleasecontactQ3053703061giveyoumoreperfectdrawings从图3.12中看出，轴的结构进行改进以后，在应力分布最大处，应力过渡平稳，用新的零件将应力最大值从-0.74681E7降低到-0.48453E6符合使用应力。可以看出在优化之后应力集中的状况有了非常大的改善。所以优化设计是成功的。3.3.4小结在上述两种情况的比较中可以看出，最大应力均发生在轴肩附近，说明该处有严重的应力集中，是断裂最先发生区，这与两断轴均在该处断开、裂纹扩展连线最长这一现象是一致的。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35CrMo（30CrMo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）一一淬火裂纹一一氢脆开裂（氢含量过高）——应力集中处一一脆性断裂。（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。结束语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。通过毕业设计，加深了我机械专业的理解，深刻体会到了工程技术人员这几个字的分量。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。通过毕业设计，也增强了我的自信心。我也相信能够胜任以后的工作岗位，在工作中学习，在学习中工作。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！附