一文详解减速机高速轴断裂的原因与预防措施

在生产实践经验得知，硬齿面减速机高速轴很容易发生断裂，如某国外减速机的高速轴经常在两处发生断裂：

图1 减速机高速轴断裂实例

一处在联轴器同高速轴的配合端面部位：

图2 断轴A

另一处在轴承同轴的配合端面部位：

图3 断轴B

1、减速机高速轴断裂原因

图4 断轴A的断口

这是高速轴断裂的A断口形貌，从图中可以看到疲劳源位于键槽底部的尖角处。断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区，高速轴是典型的疲劳断裂。

图5 断轴B的断口

这是高速轴断裂的B断口形貌,这也是一个疲劳断裂断口，静断区很小，说明轴中的名义应力并不大。

断裂轴的断口特征：

● 断口是疲劳断口，轴是疲劳断裂。

●轴的断裂部位大部分正好位于联轴器与轴过盈配合的边缘处。

●最早的疲劳裂纹大都发生在平键键槽的尖角处或过渡圆角处。

●轴的断口垂直于轴的轴线，基本上是一种高强度钢弯曲扭转型断口。

正常情况下，减速机高速轴通常仅承受转矩作用。对以往多次断轴案例进行疲劳强度计算结果表明，疲劳强度安全系数通常可达2以上，高速轴应该是安全的，轴不可能断裂。经检查轴的材料、热处理质量也都符合技术要求。但是，高速轴还是经常断裂，可以说是减速机的多发病了!

原因一：键槽的应力集中

观察很多带键槽的断轴断口，可以看到最早的疲劳裂纹往往发生在平键键槽尖角处，很明显键槽的应力集中和轴的截面面积减小影响了轴的强度。特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中的影响很大。图中所示是某矿用减速机高速轴的键槽，键槽底部的圆角r就很小，加大了键槽的应力集中。

图6 带键槽的断轴断口

轴受纯扭转时，键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ见图7所示。当轴的抗拉强度Rm=900MPa时，键槽的有效应力集中系数Kτ=2。因此键槽对轴的削弱是很大的。

图7 过盈连接的应力集中和接触应力分布

原因二：联轴器同轴的过盈配合

当轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘处，过盈配合对轴的强度影响很大。可见：过盈配合H7/r6 的应力集中系数可达2.2以上;过盈配合H7/k6的应力集中系数约为1.77;高速轴常用的过盈配合H7/m6的应力集中系数不会小于1.8。因此，高速轴就容易在联轴器与轴过盈配合边缘处断裂了。

过盈连接的应力集中和接触应力分布实例如图7所示。

值得注意的是，以上原因之一(键槽应力集中)和原因之二(过盈连接应力集中)虽然对高速轴的强度有影响，但是两者在轴的强度设计和安全系数计算中都已经计及的因素，因此可以肯定，两者都不是造成轴容易断裂的决定性原因。

真正造成高速轴断裂多发病的是以下几个人们不注意的原因：

原因三：减速机的安装、使用方面的问题

硬齿面减速机设计中的一个老大难问题是电动机和减速机轴直径严重不匹配，减速机轴比电动机轴要细很多。通常，减速机轴直径d2是电动机轴d1的3/4～1/2左右，如图所示。如果电动机轴和减速机轴同轴度很差，就会在联轴器上产生附加径向力F。

图8 电动机、联轴器和减速机的配置

由于电动机与减速机的轴径不同(d1、d2)，造成两者抗弯截面模数不同(抗弯截面模数同直径 d3成正比)，联轴器产生的附加径向力F对两轴的危险断面的附加弯矩(应力)也不同。

附加径向力F的大小，取决于电动机和减速机两轴的同轴度。此同轴度对硬齿面齿轮减速机轴的损伤非常敏感。在《机械设计手册》中，对于弹性联轴器通常规定减速机的安装不同轴的径向位移Δy不得大于0.2～0.3mm。

这对于软齿面减速机可能是合适的，而对硬齿面减速机可能就偏大了。而大多数现场安装、使用人员并不重视此不同轴度，认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差，这是严重的误判。上述计算表明：由于减速机轴比电动机轴要小得多，因此减速机轴上的弯曲应力要比电动机轴大很多，减速机轴发生断裂就是必然了。

原因四：轴上联轴器的径向刚度

所谓联轴器的径向刚度是指联轴器两轴产生每单位径向位移Δy需要的径向力。径向刚度越大，径向力就越大，对连接轴强度不良影响就越大，非金属弹性元件挠性联轴器，如弹性套圆柱销联轴器、梅花联轴器、轮胎式联轴器等，其径向刚度就小。

某些制造质量很差的联轴器，其径向刚度很大，当两轴不对中有径向位移时，轴上的附加径向力就很大，严重影响轴的强度。图9所示的蛇形弹簧联轴器就是一例。半联轴器上的矩形直线齿廓就很不利于径向位移的调整。

图9 蛇形弹簧联轴器

原因五：轴上旋转零件的不平衡

旋转零件的静平衡或动平衡不好，将会使旋转零件产生离心力，增加了轴的附加应力，从而影响轴的强度。图为半联轴器——轴——减速机的配置关系，图中半联轴器质量有点偏心。

图10 半联轴器—轴—减速机的配置

旋转零件质量偏心引发的离心力为：

式中 ：Q——由偏心产生的离心力(N);

r——偏心距 (mm);

n——轴的转速 (r/min);

m——联轴器的质量(kg);

d——轴的直径(mm)。

由于离心力与旋转零件的质量平方成正比，因此质量对离心力的影响特别大。

原因六：轴上联轴器、制动器的质量重力

减速机高速轴上一般都有联轴器，或者制动器的制动轮，其自重对于软齿面减速机的高速轴的强度来说，影响并不大，因为这种减速机轴的尺寸都可以做得比较大。但是，对硬齿面减速机来说，由于受高速轴上齿轮结构尺寸的限制，高速轴的尺寸和安全系数都比较小，再由于联轴器或制动轮的质量重力可以同上述的离心力叠加，在这种情况下，联轴器或制动轮的质量对高速轴强度的影响就不可以忽视了。

2、防止高速轴断裂的主要措施

1、严格控制键槽的加工质量，特别是槽底的圆角半径 r，尽可能按标准取大值;没有圆角的键槽不能使用。

2、安装在高速轴上的联轴器、制动轮等，应经过静平衡或动平衡试验，避免过大的附加离心力。

3、尽量减轻联轴器、制动轮重量。

4、不能使用制造质量不符合技术要求的联轴器、制动器。

5、减速机和电动机的底座底面，最好采用经过加工的平面;调整垫片要平整，最好有定位措施，如图所示。

6、定期检查地脚螺栓是否有松动、断裂等，目的是为了防止设备运转一段时间后，电动机或减速机发生移动，破坏已经调整好的同轴度。

激光对中装置

7、最重要的是控制减速机安装的同轴度，安装减速机时，应派遣掌握技术的专业人员，负责调整、检测电动机和减速机的同轴度。采用快速、简单、经济的激光对中装置，检测两轴的对中可能有好的效果。