來延峰，李貴鵬

（一拖（洛陽）柴油機有限公司裝備部，河南洛陽471000）

TZX5特種銑頭電機軸斷裂原因及改造

來延峰，李貴鵬

（一拖（洛陽）柴油機有限公司裝備部，河南洛陽471000）

TZX5特種銑頭電機輸出軸為懸臂梁式支撐結(jié)構(gòu)，且受力點距離支撐點較遠，結(jié)構(gòu)強度不足，易出現(xiàn)軸斷裂故障，改為簡支梁結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)強度。

懸臂梁；結(jié)構(gòu)強度；斷裂；結(jié)構(gòu)可靠性

1 問題

TZX5通用型特種銑頭，刀盤直徑500 mm，適用于大平面銑削加工。設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，安裝定位簡單，通用性強，適配廣泛。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，該銑頭動力箱電機軸易出現(xiàn)彎曲甚至斷裂故障，且漏油嚴(yán)重。

2 原因分析

（1）觀察電機軸斷口發(fā)現(xiàn)，斷裂口面積45%為較早傷口，剩余為新斷裂口，紋路為典型的疲勞斷裂裂紋。根據(jù)損壞前銑頭運轉(zhuǎn)時有周期性敲擊噪聲，由此推斷電機軸齒輪存在偏心，檢查銑頭動力箱發(fā)現(xiàn)齒輪內(nèi)孔鍵槽深度2.5 mm屬不合格，齒輪內(nèi)孔孔徑38+0.05 mm超差，電機軸頸磨損至Φ38-0.1 mm超差，鍵頂接觸并擠死導(dǎo)致齒輪偏心，機床運轉(zhuǎn)時形成強烈的周期性沖擊載荷。

（2）銑頭電機為立軸下置式安裝，需采用骨架油封對電機軸進行密封，密封可靠性不高，且電機安裝困難，容易損壞骨架油封；齒輪偏心加劇密封圈磨損失效漏油，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間處于無潤滑運行狀態(tài)。實測在無潤滑時，電機輸入功率達到10.8 kW。

（3）電機軸齒輪為懸臂梁式支撐結(jié)構(gòu)，電機軸受彎矩較大，結(jié)構(gòu)強度不足導(dǎo)致電機軸易出現(xiàn)疲勞斷裂。經(jīng)計算，采取懸臂梁式支撐，電機以額定功率7.5 kW滿負載運行時，電機軸危險截面位于前端軸承處，應(yīng)力σb=45.5 MPa小于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa，安全系數(shù)為0.64；潤滑不足時，應(yīng)力σb=65.5 MPa略低于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa，安全系數(shù)為0.15，在沖擊載荷作用下導(dǎo)致電機軸疲勞斷裂。

3 改進措施

3.1 軸支撐結(jié)構(gòu)改造

將電機軸齒輪改為齒輪軸，在軸兩端安裝軸承支撐。在負載不變的情況下，齒輪所受徑向力F不變，軸上最大彎矩僅為改造前的1/3。該結(jié)構(gòu)在額定負載運行時，軸的危險截面位于齒輪兩側(cè)，應(yīng)力σb=9.1 MPa遠小于許用應(yīng)力[σ∞]=75 MPa；

3.2 電機安裝方式改進

電機由立軸下置安裝改為立軸上置安裝，并采用軸直插式連接實現(xiàn)動力傳遞。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛可靠，例如C518A及其系列大立車刀架電機采用水平軸側(cè)置安裝，連接形式為主從動軸直插式連接。

電機上置安裝避免了骨架油封的動密封結(jié)構(gòu)，改為盲孔端蓋密封，密封可靠性高，降低了電機安裝難度，便于日常維修維護。

3.3 電機輸出軸常見連接形式性能分析

（1）彈性聯(lián)軸節(jié)連接。優(yōu)點是該結(jié)構(gòu)允許一定的安裝誤差，聯(lián)軸節(jié)可以吸收沖擊，傳動平穩(wěn)；缺點是軸向及徑向尺寸較大，整體結(jié)構(gòu)占用空間大。

圖1 改造前后結(jié)構(gòu)對比及受力彎矩分布

（2）剛性套連接。指主從動軸采用剛性套連接實現(xiàn)動力傳遞。優(yōu)點是軸只承受負載扭矩，結(jié)構(gòu)強度高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；缺點是屬于剛性連接，存在過定位，對同軸度要求極高。

（3）主從動軸直插式連接。指主動軸直接插到被動軸孔內(nèi)（或被動軸直接插到主動軸孔內(nèi)）實現(xiàn)動力傳遞。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較剛性套連接更加緊湊；缺點是屬于剛性連接，存在過定位，對同軸度要求極高。

（4）皮帶連接。皮帶連接采用開式結(jié)構(gòu)，軸多設(shè)計為懸臂梁式結(jié)構(gòu)，電機軸受扭矩載荷及彎矩載荷，設(shè)計過程中應(yīng)使皮帶輪受力點盡量靠近電機前端軸承支撐，并進行嚴(yán)格的強度校核。優(yōu)點是該結(jié)構(gòu)允許一定的安裝誤差，皮帶可以吸收沖擊，傳動平穩(wěn)；缺點是整體結(jié)構(gòu)占用空間大。

（5）齒輪連接。該結(jié)構(gòu)中電機軸直接安裝齒輪并伸入動力箱內(nèi)通過齒輪嚙合實現(xiàn)拖動。

優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡緊湊，動力傳遞平穩(wěn)；缺點是與皮帶連接類似設(shè)計過程中應(yīng)使齒輪盡量靠近電機前端軸承支撐，并進行嚴(yán)格的強度校核；由于齒輪傳動需要潤滑，需設(shè)計相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，密封可靠性不高，易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，且安裝相當(dāng)困難，可用在電機立軸上置結(jié)構(gòu)中，避免密封結(jié)構(gòu)。

電機安裝齒輪直接拖動式結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)已相當(dāng)成熟，設(shè)計中應(yīng)是齒輪靠近電機前端軸承，并進行嚴(yán)格的強度校核?？陀^條件限制無法靠近時可在齒輪附近加裝軸承支撐，例如Z3040搖臂鉆主軸電機，齒輪距離電機前端軸承100 mm，在齒輪后側(cè)加裝軸承。電機軸直插式連接方式應(yīng)用也是相當(dāng)成熟，如C518A大立車走刀電機采用了該結(jié)構(gòu)，安裝方式為水平軸安裝。該結(jié)構(gòu)兼具齒輪直連結(jié)構(gòu)的緊湊性，安裝維護容易，可靠性高。

4 結(jié)語

TZX5特種銑頭結(jié)構(gòu)電機下置式安裝雖然整體結(jié)構(gòu)緊湊，但密封結(jié)構(gòu)的可靠性較低，故障頻繁，且安裝維護困難。因此，動力箱在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮可安裝性及日常的維修維護便捷性，設(shè)計優(yōu)先級由高至低順序為：①目標(biāo)功能實現(xiàn)；②結(jié)構(gòu)可靠性；③安裝維護便利性；④結(jié)構(gòu)緊湊性。

〔編輯 李波〕

TM303.5

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.23