文/阮興家·一汽解放汽車(chē)有限公司卡車(chē)廠

一種快速修復(fù)機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)軸的方法

文/阮興家·一汽解放汽車(chē)有限公司卡車(chē)廠

大型機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)形式多為齒輪軸或漸開(kāi)線花鍵軸，因其在設(shè)備上所處位置及功能決定其設(shè)計(jì)壽命至少等同于壓力機(jī)的壽命周期，所以一般設(shè)備使用單位不將其列為易損備件而儲(chǔ)備，這是符合設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造理念的。但近幾年，我廠六十年代從英國(guó)進(jìn)口的S-1250t單點(diǎn)動(dòng)壓力機(jī)和八十年代末從日本小松公司進(jìn)口的E2S-4000MB（公稱(chēng)壓力4000t）雙點(diǎn)卡車(chē)縱梁生產(chǎn)用壓力機(jī)，這兩種壓力機(jī)的離合器主軸，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了離合器軸被扭斷的異常現(xiàn)象。S-1250t離合器軸在制動(dòng)器端出現(xiàn)的扭斷情況，如圖1所示；4000t壓力機(jī)離合器主軸扭斷情況，如圖2所示。

任何設(shè)備維修單位以正常的維修思路出發(fā)，發(fā)生傳動(dòng)軸斷裂事故，都會(huì)通過(guò)制作新軸予以更換，這是一個(gè)正確的解決方法。然而，生產(chǎn)企業(yè)要面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，搶占市場(chǎng)就要與時(shí)間賽跑，如果因事先估計(jì)不足，既無(wú)軸的制造圖紙又沒(méi)有現(xiàn)成的備件，加工新軸的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在生產(chǎn)不允許長(zhǎng)時(shí)間停歇的情況下，就只能另辟蹊徑，采取迂回措施，想辦法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。S-1250t單點(diǎn)壓力機(jī)和E2S-4000MB雙點(diǎn)壓力機(jī)的離合器軸就是在這樣的背景下實(shí)施斷軸連接的。因二者修理方案基本一致，下文僅以S-1250t壓力機(jī)主軸修復(fù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 S-1250t離合器軸制動(dòng)器端扭斷情況

圖2 4000t壓力機(jī)離合器主軸扭斷情況

斷軸連接方案的確定

連接斷軸的方法有很多，可以采用鍵連接、銷(xiāo)連接或焊接、過(guò)盈連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，而每種連接方法各有利弊。

⑴鍵連接，可以采用雙平鍵連接或花鍵連接。雙平鍵連接加工簡(jiǎn)單，依靠鍵的兩個(gè)側(cè)面?zhèn)鬟f扭矩，采用過(guò)渡配合，需要加工過(guò)渡鋼套將兩根半軸聯(lián)成一體，裝配容易，半軸零件之間及半軸與套之間均存在間隙?；ㄦI連接傳遞扭矩大，定心精度好，但加工也十分困難，且成本較高。其工藝特點(diǎn)決定了其齒側(cè)和徑向均存在一定裝配間隙。這兩類(lèi)鍵連接的特點(diǎn)是：其定心精度低于一體軸，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)不僅會(huì)出現(xiàn)軸的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，對(duì)設(shè)備上的軸承等其他零部件的精度和壽命均存在不利影響。

⑵銷(xiāo)連接或焊接。這兩種連接的特點(diǎn)是傳遞扭矩很小，無(wú)法達(dá)到軸傳遞工作扭矩的要求。焊接還存在焊后需要再加工和不可拆卸的缺點(diǎn)。

⑶過(guò)盈連接。該連接方法加工簡(jiǎn)單，安裝容易，對(duì)中性好，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱小，但對(duì)配合面的尺寸精度要求嚴(yán)格，對(duì)包容與被包容件的加熱溫度和膨脹量需要精準(zhǔn)把控，設(shè)計(jì)人員需要掌握理論力學(xué)、材料力學(xué)等方面基礎(chǔ)理論，而且過(guò)盈量的計(jì)算要求準(zhǔn)確。過(guò)盈量過(guò)大，連接軸承受的徑向負(fù)荷大，會(huì)產(chǎn)生塑性變形甚至脹裂；過(guò)盈量過(guò)小，傳遞的扭矩不足，在軸沒(méi)有達(dá)到額定扭矩的數(shù)值下，便會(huì)產(chǎn)生連接件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 預(yù)加工短軸

圖4 新加工短軸

綜合考慮，在我廠現(xiàn)有人員的理論水平和機(jī)械加工、裝配手段等方面的現(xiàn)狀下，曾經(jīng)有過(guò)此類(lèi)成功的設(shè)計(jì)和制造案例，有可供借鑒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，故決定采用斷軸過(guò)盈連接方案。

斷軸連接方案的實(shí)施

確定斷軸連接方案后，在軸的什么位置連接易于加工，安裝方便；斷軸連接處需要產(chǎn)生多大摩擦扭矩及其最小危險(xiǎn)截面積，選擇多大的過(guò)盈量，既可以保證傳遞足夠的摩擦扭矩，又不會(huì)產(chǎn)生塑性變形；選擇怎樣的裝配方式，易于操作，能一次裝配成功，這是此項(xiàng)目實(shí)施前，保證項(xiàng)目萬(wàn)無(wú)一失必須要考慮的三個(gè)重要環(huán)節(jié)。

確定連接位置

在原斷裂處連接，這是一種最簡(jiǎn)單的連接方式。如圖3所示，將短軸端重新制造，長(zhǎng)度上增加，包含過(guò)盈配合的部分，并加工出φ140mm的孔；將長(zhǎng)軸端端頭修整，至過(guò)盈連接后軸的總長(zhǎng)度不變，待配合處加工成φ140mm的軸徑。完成兩段連接后，新連接軸與原軸各部位尺寸完全相當(dāng)，安裝方便，但離合器傳遞扭矩的托盤(pán)安裝在此位置，不僅承受設(shè)備額定扭矩，還承受一定的彎矩，綜合受力情況較為復(fù)雜，而且此位置原軸最大外徑φ170mm，內(nèi)孔加工成φ140mm（原斷裂位置外徑φ135mm，再小會(huì)影響強(qiáng)度）壁厚太小，過(guò)盈連接恐怕會(huì)引起塑性變形，因此原斷裂處不是最佳連接位置。選擇受力情況單一，與軸上其他零件無(wú)裝配關(guān)系，軸徑稍大的位置進(jìn)行過(guò)盈連接是明智之舉。如圖4所示，在距離短軸端1491mm處，只承受扭矩，無(wú)配合零件，軸徑可放大到φ196mm，這是技術(shù)組首肯的位置，最終的斷軸連接就選定在此位置。

計(jì)算過(guò)盈量

鑒于廠內(nèi)設(shè)備維修技術(shù)員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平和工作性質(zhì)的限制，我們?nèi)绻麖膲毫C(jī)的主電機(jī)經(jīng)過(guò)皮帶到飛輪，再通過(guò)離合器傳到軸，依次地計(jì)算出各部分的傳遞扭矩，步步分解計(jì)算很困難，而且，用于驗(yàn)算扭矩的很多計(jì)算用參數(shù)和系數(shù)我們也無(wú)從得到，那么離合器軸所需的抗扭強(qiáng)度如何確定呢？首先我們假定，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，所能承受的最大扭矩足夠，且安全系數(shù)為2，那么斷軸連接的過(guò)盈配合面所應(yīng)承受的扭矩只要大于φ135mm軸徑（扭斷處直徑）所承受的扭矩，就足夠滿足傳動(dòng)要求。

通過(guò)對(duì)這根軸實(shí)際使用工況的確認(rèn)和查閱了《材料力學(xué)》教材和《機(jī)械設(shè)計(jì)》手冊(cè)后，我們采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算軸所承受的扭矩為5.2×107N·m，標(biāo)準(zhǔn)配合可能產(chǎn)生的最大過(guò)盈量δmax為273μm；最小過(guò)盈量為δmin為223μm。

校核過(guò)盈連接零件的許用強(qiáng)度

已知所選配合的最大過(guò)盈量為273μm，但因采用膨脹法裝配，不考慮配合表面微觀峰尖被擦去，故裝配后可能產(chǎn)生的最大徑向應(yīng)力Pmax為96.31MPa。再由手冊(cè)查取45鋼的屈服強(qiáng)度σs1＝280MPa，則求得最大許用徑向應(yīng)力：Pmax1為140MPa，Pmax2為75.96MPa。

選擇過(guò)盈裝配方法

過(guò)盈配合最實(shí)用的安裝方法是溫差裝配法，即利用金屬的熱脹冷縮特性，將軸降低到一定溫度冷縮或?qū)⒖咨叩揭欢囟葻崦?，或者兩者兼用，使被裝配的軸和孔產(chǎn)生間隙，然后快速安裝冷卻到室溫，完成過(guò)盈裝配的方法。

溫差裝配法的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是軸與孔之間多少溫差能夠產(chǎn)生足夠的間隙以順利裝配。二是在裝配溫度下，零件的金相組織是否會(huì)發(fā)生改變，這將會(huì)影響到配合件的力學(xué)性能，經(jīng)計(jì)算確定裝配的溫度為319℃。根據(jù)計(jì)算所需的加熱溫度，已有的裝備情況，現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境和工件的形狀及尺寸，采用氧炔火焰加熱的方法比較可行，但溫度不好準(zhǔn)確控制，所以在實(shí)際操作時(shí)，采用邊加熱邊測(cè)量熱脹量的方法得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

裝配過(guò)程

為了順利安裝，對(duì)加工后待裝配的軸和孔進(jìn)行預(yù)先處理，清擦去除雜物，如圖5所示。將新加工的短軸孔朝上固定在地面上，將長(zhǎng)軸焊上吊耳，用天車(chē)吊著準(zhǔn)備安裝。使用氧氣乙炔火焰加熱地面上的短軸，10min后開(kāi)始間斷測(cè)量，大約經(jīng)過(guò)40min后，測(cè)得內(nèi)孔熱脹量達(dá)到600μm，長(zhǎng)軸順利地裝入到短軸孔中，為了防止軸在熱脹冷縮的條件下出現(xiàn)變形，軸在自然冷卻至室溫之前，始終用天車(chē)垂直吊著。軸冷卻之后，將軸裝在臥式車(chē)床上進(jìn)行同軸度檢測(cè)，對(duì)軸的超差部位實(shí)施加工，直至滿足精度要求為止。斷軸連接后的效果如圖6所示。

圖5 裝配前的預(yù)處理圖

圖6 斷軸連接后的效果圖

結(jié)束語(yǔ)

主軸修復(fù)后自投入使用到現(xiàn)在已有兩年多時(shí)間，尚未出現(xiàn)軸扭斷、磨損及開(kāi)裂現(xiàn)象。這是用理論指導(dǎo)實(shí)踐的一次成功案例。在這項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)中，我們積累了寶貴的機(jī)械零件強(qiáng)度驗(yàn)算和實(shí)際安裝經(jīng)驗(yàn)，為今后大型零件的低成本應(yīng)急維修提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。