行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进张学瑞

化学成份符合 GB/T 3077-1999,化学成份合格。 扭矩造成的，待重新加工输出轴、调整试验系统后， 193
Vol.34 No.01
行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进— ——张学瑞
第 34 卷第 01 期
准110 准108
准100 准100
后期的加载试验很正常，甚至 125％的超载 1 h 试验 结束后输出轴仍工作正常。 从而验证了设计的安全 系数，也验证了整个减速器的可靠性。 2 结构改进
（1）原结构说明 原断裂处设计如图 3 所示 ， 断裂部位为 准100 圆柱面的根部（A-A 截面）处。
A
A
图 3 原设计图
准100 圆柱面花键设计齿数为 24， 模数为 4，压 力角为 30°，精度等级为 5 级的渐开线外花键。
（2）改进后设计 改进后设计如图 4 所示，改进原则为加大花键 处的轴径，从而缩小与 准110 圆柱面的台阶差，同时 2 个圆柱面的接合处选择合适的圆角过渡， 减少机 加工造成的应力集中。
（2）断裂本体试样理化分析
对断裂后的试样分别进行了直读光谱分析化
学成份（见表 1）、本体横截面打硬度（见表 2）及本
体试样金相分析（见图 2）3 项工作。
表 1 化学成分
材料成份 C Si Mn P
S Cr Ni Mo V
百分比% 0.47 0.323 0.662 0.017 0.002 7 1.01 1.37 0.218 0.146
输出扭矩为－1 344 Nm，如表 3。
表 3 试验记录数据
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输入扭矩 /Nm -23 -21 -23 -20 -21
输入速度 /r·min-1
-367 -360
0 0 0
输出扭矩 /Nm -11 -13 -1344 -17 -12
输出速度 /r·min-1
367 360 292 240 234
因此可以判定输出轴的断裂是由于瞬间的大
ZHANG Xue-rui （Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan 030006, China）
Abstract： The paper introduces phenomenon of rupture of trodden retarder’s output shaft at load test. Through analyzing configuration of fracture sample and gathering test data to find reason of destruction. The carrying capacity of output shaft can be improved by overstriking diameter of axle or aggrandizing loaded section modulus in reason structure. Key words： trodden retarder； output shaft； section modulus
关键词： 行走减速器； 输出轴； 截面模量 中图分类号： TH132.46 文献标志码： B 文章编号： 1003 － 0794（2013）01 － 0193 － 02
Reason of Rupture and Amelioration of Structural with Output Shaft of Trodden Retarder
R1
图 4 改进设计图
将花键齿数增加到 26，模数保持不变时齿顶圆 直径为 准108， 在 2 个圆柱面的接合处有 R1 的圆角 过渡。
（3）改进前后截面强度比较 根据轴的弯扭合成强度计算公式，轴所承受应力
σ= Md Z
式中 Md— ——轴所承受的当量弯矩； Z— ——截面模量。
依据参考文献查得花键轴的截面模量 Z＝ πd4＋bz（D－d）（D+d）2 32D
图 2 金相分析 通过对本体截面试样进行金相分析，其组织为 回火索氏体，热处理调质工艺符合要求。
（3）断裂原因分析
通过对断裂本体试样的理化分析，得出输出轴
的选材及热处理工艺均符合设计要求，在进一步分
析试验记录数据时发现在试验系统发生故障再启
动时， 扭矩传感器记录的扭矩要比设计值大 3 倍，
图 1 断裂状态图
式中 d— ——花键齿根圆直径 cm； D— ——花键顶圆直径 cm； z— ——花键齿数； b— ——分度圆上的齿厚，cm。
依据以上截面模量的计算公式，求得齿数分别 为 24 和 26 时的花键轴截面模量
0 前言 行走减速器是履带行走式煤矿设备的核心部
件。 输出轴作为行走减速器中的主要传动零件，通 过安装在输出轴上的链轮驱动履带板实现整机的 调动， 输出轴强度对整个减速器的寿命影响较大。 井下工作面工作环境要求行走减速器必须有较高
表 2 本体横截面打硬度 HRC
第1次 第2次
距表面 10 mm 33.5 32.5 32 31
第 34 卷第 01 期 2013 年 01 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.34No.01 Jan. 2013
行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进
张学瑞 （中国煤炭科工集团 太原研究院， 太原 030006）
摘 要： 介绍行走减速器在加载试验时出现的输出轴断裂现象。 通过对断裂本体试样理化分 析和试验数据的采集，找出断裂的根本原因。 验证在结构合理的前提下，可以通过加粗轴径、增大 受载截面模量来提高输出轴的承载能力。
距表面 20 mm 30.5 32 33 32
距表面 30 mm 31 32 30 31
中心 硬度 31 30 32 31
调质后硬度工艺要求为 HB280～320，符合工艺
要求。
的可靠性， 减速器设计加工完成后做加载试验时，
出现了输出轴的断裂现象。
1 输出轴断裂原因分析
（1）输出轴断裂状态
在试验过程中，前期的空载试验及 25％的加载 试验都 很正常，试 验 到 50％加 载 试 验 过 程 中 ，试 验 系统突然出现故障，待故障解除重新启动试验系统 后发生了输出轴的断裂现象（见图 1）。