电机轴的断裂分析及优化设计

相组织（ 图 " ） 照片分析表明，该轴形成了沿圆周分 布的环状裂纹，该部位是因为肋板与电机轴焊接时采 用低碳钢焊条，使轴表面形成了软化的堆焊层，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；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 " 降低，使轴的抗 疲劳能力降低而引起折断；在使用花键联结的电机轴 中，经常出现在加工时未按图纸的规定将花键加工成 圆齿根，这也可能是导致轴断裂的原因之一。 （ 1 ） 应力集中 这是电机轴断裂最常见的原因。电机轴在设计和 工艺上经常有各种槽（ 如越程槽、卸载槽等） 、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，最后导 致突然脆性断裂。 我们利用 &,-.- 软件对某厂 !"$$ 电机断轴进行 有限元分析发现该轴与肋板的结合处应力最大，与实 际断裂处一致，说明此处的形状转折过大引起了应力 集中，是造成断轴的主要原因。
在对某厂 !W$ 因疲劳断裂的电机轴进行金相组 织分析中，从轴心部位金相组织（ 图 # ） 和轴表层金
图 #4 轴心部位金相 4 4 组织（ Z3 [ ） 4
图 "4 轴表层金相 4 组织（ Z3 [ ）
#" 断裂分析
电机轴在工作中主要承受交变弯曲应力和扭转应 力的作用，通常由作用在肋板上的电磁拉力、轴两端 的拉力、轴颈处的重力引起，这些应力随运行过程不 断发生变化，一旦过载、突然启动和制动、多次重载 荷冲击，电机轴的某些局部位置可能发生低周大应变 疲劳开裂和扭转过载塑性断裂。 断轴情况发生负荷侧，主要可能出现在前轴承支 承处、有明显的刀痕处、肋板与主轴的结合处、轴肩 处及有槽的地方。根据观察、实验和分析，断裂的原 因有以下几点： （ # ） 材质缺陷 我们从断轴中选取一部分进行材料分析和机械性 能试验，材料分析结果表明，当选用的材料为优质碳 素结构钢和合金钢且未经过有效的热处理时，材质性 能差、强度不够；通常的电机轴采用 !3 Y 钢，但从送 检的 !3 Y 钢进行的物理探伤检验，发现有大量大于 !" 的缺陷，因此，材料的选用不当和材料的质量低劣是 可能导致电机轴断裂的主要原因。 （ " ）万方数据 加工工艺和焊接工艺不当
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Hale Waihona Puke Baidu
图 A- 应力分布图
).56)7) .839:7;/ <.:7/3 29=/ "#>> "$!& "&!> <.:7/ , +? #B#$&/A , +? #$"$#/A , +? #@AA!/A 新的零件将 应 力 最 大 值 从 , +? @#AB!/@ 降 低 到 , +? #B#$&/A ，符合使用应力。可以看出在优化之后 应力集中的状况有了非常大的改善，因此优化设计是 成功的。由此可将此方法应用到花键根部、轴肩处、 键槽等一系列可能出现应力集中的部位，它能使电机 轴获得比常规设计更佳的承载能力和工作状态，避免 断轴现象的发生，是目前最先进的设计手段，在实际 生产中具有良好的使用价值。
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《 机床与液压》 "++$? 2*? &
从应力最集中处可以看到与实际断裂处一致，说 明计算结果与实际情况基本相符。基本上可以认为肋 板与轴的结合处的形状转折过大，造成了应力集中。 #优化处理 改结 合 处 为 过 渡 曲 线 平滑 的 形 状，优 化 后 的 电 机轴 （ 0(* 1 / 设 计 ） 和 应 力分析（ .2343 有限元分 析） 如图 $ 、图 A 所示。 图 $- 优化之后的装配图 $计 算 结 果 数 据 输 出 及结论
《 机床与液压》 "$$32 ,*2 1
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电机轴的断裂分析及优化设计
杨湘洪
（ 湖南工学院（ 筹） 机械工程系，湖南衡阳 !"##$# ）
摘要：对电机轴断裂进行了系统的分析，并引入最先进的 %&’ 软件，结合 ()* + ’ 建模、&,-.- 有限元分析对电机轴进 行了优化设计，进一步完善了电机轴的改进措施，确保了电机轴的安全运行。 关键词：电机轴；断裂；改进；优化设计 中图分类号：/01$12 34 4 文献标识码：54 4 文章编号：#$$# 6 177# （ "$$3 ） 1 6 #$8 6 "
・ ""!・ !" 改进措施
（ ! ） 取消或改进槽结构，提高电机轴的加工精 度 在电机轴的加工中，可取消越程槽，在满足设计 要求的前提下，改磨削为精车；特别注意电机轴非配 合面的加工，应严格保证设计中的表面粗糙度要求； 另可设计轴径变化小的轴肩代替原有的卸载槽等槽结 构。 （ " ） 改进轴的材质，选择合适的轴承 提高常 见 电 机 轴 材 料 #$ % 钢 的 质 量，进 行 热 处 理。如 #$ % 钢不能达到要求时，用其它材质好的材料 代替，如 &$’()* 调质、#+’( 钢等。选用承力状况较 好、不容易破损的轴承，保证轴的运行质量。 （ & ） 提高焊接质量，改变连接方式 选用含碳量合适的焊条，改进焊接工艺，以达到 消除残余应力，克服母材不受影响的目的。同时建议 在大型电机轴与转子的连接时用花键取代焊接，即保 证了定位精度，又避免材质因受热而软化。 （ # ） 采用圆角过渡，减少应力集中现象 电机轴花键根部、轴肩 等 处 会 承 受 非 常 大 的 扭 矩，在设计、加工中一定要避免出现尖角、直角和台 阶，改转折处为曲线平滑的形状，尽 量 加 大 过 渡 圆 角，可降低 ! , " # $ 应力集中系数，减少应力集中的 现象出现。 针对 这 种 最 常 见 的 断 裂原 因，我 们 采 用 最 先 进 的 ’./ 软 件， 充 分 利 用 0(* 1 / 和 .2343 技 术，对 某厂 !"++ 电机轴进行了优 图 &- 优化前的电机轴 化设计，其设计过程如下。 !优化前的电机轴建模（ 0(* 1 / 设计） 和应力分 析（ .2343 有限元分析） 如图 & 、# 所示。
!" 引言
电机轴是电机的关键部件，常用的电机轴主要由 若干块（ W X 7 ） 肋板焊接或利用花键联结与主轴组 合而成。电机广泛应用于各种机械、矿山、冶金、油 田、农业等行业，由于工作条件恶劣，过载时间长， 加之频繁的正转和反转，经常在肋板与轴的结合处、 轴肩等处产生裂纹，最终导致断裂事故，给生产及安 全造成很大的影响。为此，我们对电机轴的断裂原因 进行 了 比 较 系 统 的 分 析，并 采 用 %&’ 软 件，结 合 ()* + ’ 建模、&,-.- 有限元分析对电机轴进行了优化 设计，使电机的工作性能达到最优的同时，大大缩短 了设计周期，降低了设计成本，在实际应用中得到了 良好的效果。
"数据输入及结果分析 ).56)7) .839:7;/ <.:7/3 29=/ "#>> "$!& "&!> 万方数据 <.:7/ , +? @#AB!/@ , +? &A+B$/@ , +? #!BB@/@
收稿时间："++# , !" , ""
参考文献
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