减速箱输出轴

关键词： 轴套 断裂 电机 输出

减速箱输出轴（精选三篇）

减速箱输出轴 篇1

某石油机械减速机在安装试运行三天发现电机输出轴端断裂。断裂面位于轴头 (阳锥) 与一级齿轮轴轴套过盈连接台阶下退刀槽处 (见图1) , 过盈量约0.184% (0.196/106) , 断面直径d=φ105.3mm, 过盈处采用热装装配方式, 试验运行了约5.2×106次。但是在查看设计图纸时发现现场该轴的末端并未按照图纸要求 (图2) 装配圆柱滚子轴承NU2218, 故怀疑去掉这个轴承可能是断裂发生的主要原因, 因而对现场所使用的结构及图纸要求的结构两种情况的应力水平进行了断裂原因分析。

2 应力计算及分析

齿轮参数:Z=15, Mn=8, β=13°, α=20°, 计算直径d1=φ123.156mm, 输入功率W=450k W, 转速n=1200r/min。

2.1 对现场工况使用的一级主动轴结构进行应力计算

轴向力:Fr2=Ft×tanβ=13426N

断面上应力:来自T, Ft, Fr及自重作用。

剪应力:

弯曲应力:

轴系部分按照图纸取重量约60kg, g=10N/kg, 则断裂面准105.3处轴向拉伸应力为

, 可见轴向应力相比较而言是很小的, 可以不计。

将以上计算应力予以叠加计算 (不取减, 只考虑最大状况)

2.2 对图纸要求加轴承进行应力计算

将图2所示结构可以看成一个超静定状态, 分成两个静定受力如图3、4, 再加以分析。

由式 (1) 可知:P点处受力后的挠度为

三角函数关系可得P点处

可以得到此时D点处的总位移为

由式 (2) 可知:只受力FD时D点处的挠度为

该点变形量V总=V=V′可以得到

FD=-0.6825P (负号代表FD方向与P方向相反) 由此可以得到:

当P=Ft=58154N时, D点处的切向力FDt=39690N

当P=Fr1=21723N时, D点处的径向力FDr=14826N

计算此时设计图纸所示结构断裂面d=105.3处d的弯曲应力:

叠加计算可得 (不取减, 只考虑最大状况) :

另外, 还应该将装配应力考虑进去, 由图纸要求可知允许安装不对中度0.05mm, 可以按照简单超静定的方法估算装配应力:

弹性模量E=200GPa, 惯性矩I= (π×d4) /64=6032025.4mm4

考虑轴运行时为动应力, 可以简单按2倍计入为1.364×2=2.728MPa, 再累加到σj1上去, 得到新的σj2=31.42+2.728=34.148MPa

2.3 对上述两种状态下的应力进行比较

按照手册推荐估算42Cr Mo调质状态下疲劳极限均值

现场使用状态断轴时的疲劳安全系数

注:许用安全系数[S]按照手册选取至少取1.3-1.5。

结论:此时安全系数明显不足, 断裂是必然结果。

而按照图纸设计机构时的疲劳安全系数

结论:此时安全系数远远大于许用安全系数[S], 完全没有问题。

3 结论及改进措施

从现场断裂轴来看, 断面呈贝壳状花纹, 属于典型疲劳断裂, 有三个独立疲劳区, 自表面向中心发展。最终断面很小, 约φ30mm, 占断面10%。多源显示起始应力高或高应力集中特征, 属低周疲劳特征。终断区断面小表明相对扭矩并不大。而这跟我们的计算结果是符合的, 断裂是由现场去掉设计图纸中的末端轴承时工作中的高弯曲应力造成, 断裂面位于过盈配合外的退刀槽底部, 这里拥有复杂的三维应力状态及高的应力集中系数, 这种情况下轴会产生较大的径向位移, 从而造成齿轮的啮合精度下降, 而现场齿面接触也证明了这一点, 偏向电机一侧, 进而又会产生新的附加应力, 共同作用下导致断裂, 总体情况可以断定, 现场使用去掉图纸设计中轴的末端轴承导致结构方式不合理是断裂发生的主要原因。

改进措施: (1) 按照图纸要求对电机齿轮轴末端加上所要求的轴承。 (2) 如果想采取现场所使用的悬臂结构, 则需要对电机齿轮轴重新设计。

摘要：运用应力计算及强度理论对减速机主动轴断轴原因进行分析, 并提出了相应地改进措施。

关键词：减速机,断轴,应力,分析

参考文献

[1]苏翼林.材料力学[M].天津:天津大学出版社, 2001.

[2]成大先.机械设计手册 (第一卷) .北京:化学工业出版社, 1997.

减速机输出轴断裂的修复 篇2

由于45号钢碳当量大,在焊接时热影响区的淬硬倾向较大,容易产生冷裂纹,且该轴焊接量较大,不可避免地存在着较大的焊接变形和焊接应力。为减小焊接变形,提高焊缝质量,采取焊前预热措施,机加工前再对零件进行相应的热处理,以减缓冷却速度,方便氢的扩散逸出,防止产生冷裂纹,消除焊接应力。热处理后再对焊接部位按照要求进行车削加工,即可达到该轴的尺寸要求。

1.焊前准备

(1)选择设备及材料

鉴于施工现场条件,对该轴采用手工电弧焊焊接方法。焊接设备采用BX1-330型交流焊弧机。电源采用直流电源,反极连接(焊条接正级)。为提高焊缝的抗裂性能及强度,焊接材料采用低氢型J507 (E5015)碱性焊条进行焊接,焊接前将焊条进行1～2 h烘焙,使其温度达到350℃,然后存放在100～150℃的保温箱中,使用时取出放在干燥筒内。Ⅰ、Ⅱ层焊缝用直径3.2 mm焊条,以减小焊接应力。以后焊缝用直径4 mm焊条,以提高工作效率。

(2)设计焊接坡口及间隙

焊接前将该轴断裂部位加工平整,同时为减小焊接应力,在焊接坡口的设计上采取了一定措施。首先根据断裂情况及零件直径设计了U型坡口,坡口上宽为20 mm,深度为37 mm。为使坡口形状一致,将断裂部位端面加工平整后,采用成型车刀进行坡口加工。为避免应力集中,坡口各部位应倒圆,以减少母材熔入焊缝金属中的比例,防止焊接裂纹的产生。焊接间隙对焊缝质量也有重要影响,间隙过小易产生未焊透或焊缝堆积过高的缺陷,间隙过大则容易烧穿。该轴焊接间隙选择为2 mm。

(3)焊前清理

焊前必须将该轴焊接部位的坡口及钝边表面铁锈、油污、水分及氧化皮清除,先采用火焰烘烤清除水、油,然后用手工砂布或砂轮机打磨,进行除锈处理。氧化皮可直接采用砂轮机打磨进行清除,对于一些较难清洗的油污则采用丙酮或乙醇清洗。

2.焊接

焊接时,为防止焊接变形,应在坡口处加定位块,以保证焊缝间隙相等。为避免该轴产生焊接变形,定位点焊位置选在定位块两侧。由于45号钢的可焊性一般,焊前采用乙炔火焰将焊缝两侧约50～80 mm的部位预热到150～200℃,以降低整个焊接区域的冷却速度,防止产生裂纹。

焊接Ⅰ、Ⅱ层焊缝时,尽量采用小电流、低电压、慢焊速,即小能量焊接法,且焊层应薄些(不大于2 mm),但要焊透,短弧焊不摆动。焊接时应随轴转动均匀施焊,每焊完1层焊缝,应对焊缝进行外观目视检查,若有气孔、夹渣和裂纹等,应使用碳弧气刨清除焊缝缺陷,经补焊后方可以继续施焊。当焊至定位块高度时,待焊缝冷却温度不低于200℃时,打掉定位块,继续施焊。堆焊高度应超过原轴直径,留出足够的机加工余量。各道焊缝工艺参数如附表所示。

3.焊后处理及机加工

焊后用石棉被覆盖保温,以降低淬硬程度,避免脆裂。为消除焊接应力,可用乙炔火焰将焊缝区加热至350～550℃,埋在热砂或者白灰中缓慢冷却,直至冷却到常温。焊接处外观要求整齐美观,焊缝均匀,无气孔、夹渣、未熔合、飞溅和咬边现象。检查外观合格后,将输出轴焊接部位重新车外圆和端面至要求尺寸即可。

减速箱输出轴 篇3

1 参数化设计概念

参数化设计亦称作尺寸驱动，就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过程中根据实际情况随时加以更改。投入少，周期短，并且针对性强，专业突出，适合不同行业的要求。目前参数化设计技术大致可以分为3种方式[3]：基于几何原理的人工智能方法;基于几何约束的数学方法;基于特征造型的建模方法。

在Pro/E零件模型的基础上进行产品的参数化设计，我们主要是采用人机交互造型和程序开发结合的三维实体模型参数化设计策略，最大限度地利用原有系统的基本功能，经济高效率地实现对CAD/CAM应用系统的开发。这种方法特别适合应用于产品的系列开发，标准件库的建立和零部件的变形设计，不失为一种对三维CAD CAM系统进行开发的实用方法。

2 建立Pro/Toolkit程序

2.1 创建Pro/Toolkit应用程序基本框架

创建Pro/Toolkit应用程序有两种方法：利用Make文件和利用VC向导。由于后者简单、比较方便，所以采取第二种方法，步骤如下：

(1)进入Visual C++6.0集成环境，选择“File/New”选项，在“New”对话框中选“Projects”选项卡，选择MFC AppWizard(dell)项。输入工程名字以及路径。

(2)在“MFC AppWizard”对话框中选择“Regular DLL using shared MFC”单选框，使Pro/Toolkit应用程序使用共享的MFC。

(3)按Finish按钮进入到New Project Information窗口，单击ok。完成工程文件建立。

2.2 开发环境（VC++）的设置

为了在VC++与Pro/Toolkit之间建立通信桥梁，需要进行如下的设置：

(1）设置包含文件路径

在Visual C++6.0的集成运行环境选择Tools/Options菜单->Directories，然后在“show directories for”->“Includes”，加入“.....PROTOOLKITINCLUDES”。

(2）设置库文件路径

同上面设置，在“show directories for”->“Library files”，加入“.....PROTOOLKITI486_NTOBJ”

(3）设置连接所需库文件

在Visual C++6.0的集成运行环境选择“Project/Settings…”->“Link”，在“Category：”(类型)下拉菜单中选General(通用)，在“Object/Library modules”下加入mpr.lib protk_dll.lib两个库文件(mpr.lib为VC系统的库文件，protk_dll.lib为Pro/Toolkit所需库文件)。

由于我们是采取利用VC向导来创建Pro/Toolkit应用程序，而没有采用Pro/Toolkit提供的make文件生成方法，所以在VC环境直接连接时会出现连接错误，而不能生成DLL文件，因此必须在Project/Settings的Link选中“Force file output”复选框。

2.3 动态链接库的注册及运行

(1)注册文件

在Pro/ENGINEER中运行PRO/TOOLKIT应用程序，必须先进行注册。注册文件(registry file)的作用是向Pro/ENGINER系统传递应用程序的信息。

(2)必须将桌面上启动Pro/ENGINEER2001的图标(快捷方式)的属性中的起始位置改为注册文件Protk.Dat所在的目录。

(3)动态链接库的注册

注册分为手动和自动，我们选择手动注册。选择Pro/ENGINER界面上的Utilities/Auxiliary Applications菜单，选择“注册”按钮注册应用程序。注册成功后选择“启动”按钮运行应用程序。

2.4 人机交互对话框设计

开发人机对话框通常有两种方法：

(1)使用MFC(Microsoft Foundation Class)来设计对话框界面。

MFC是VC++程序的一个重要的软件资源，为开发Windows应用程序提供了强大的支持，使用MFC可以充分利用VC++开发环境提供的新进技术的工具，实现程序界面的可视化设计。与UI对话框相比，使用MFC的对话框界面布局上更为容易，修改和调试更为方便。

(2)利用用户界面对话框(User Interface Dialog Boxes，简称UI对话框)

利用Pro/Toolkit提供的UI对话框操作函数和Pro/ENGINEER资源，可以设计出与Pro/ENGINEER界面风格相一致的人机交互界面。不足之处是用纯文本的形式定义对话框不能直观地反映界面的分布、设计、修改和调试都比较困难。

2.5 项目文件主程序设计

除了菜单设计和用户参数输入交互对话框设计外，我们还要做以下工作：

(1)编写user_initializer()函数，这是程序的入口点，基本菜单及其动作执行函数都是在这里添加的。任何同步模式的应用程序要在Pro/ENGINEER系统中加载都必须包含该函数，从而对同步模式的Pro/Toolkit应用程序进行初始化。

(2)编写user_terminate()函数，它是函数的结束点，应在此完成必要的清除工作，以终止同步模式的Pro/Toolkit应用程序。

(3)添加必要的头文件，在程序调用了大量Pro/Toolkit函数，这些头文件必不可少，Pro/Toolkit的程序结构如下：

(4)用户接口程序部分的设计

利用Pro/Toolkit提供的几个函数，可以从三维模型中检索出Pro/E的菜单创建的设计参数，并将设计参数(用户参数)与三维模型的系统约束参数(默认的尺寸)建立关联，从而通过改变设计参数的值来达到改变模型尺寸的目的。

3 建立Pro/E实体模型

3.1 建立三维实体模型和用户参数，并建立用户参数与模型尺寸的关联

在Pro/ENGINEER环境中用人机交互方式建立三维模型样板，模型样板的创建方法与一般的三维模型相同，需要正确设置控制三维模型的设计参数，正确建立独立设计参数与三维模型尺寸变量之间的关联关系。

3.2 建立Pro/E三维模型的关系式

关系(也被称为参数关系)是用户定义的符号尺寸和参数之间的数学表达式。关系层次可以把关系增加到特征的截面草图、特征(在零件或装配模式下)、零件(在零件或装配模式下)、装配(在装配模式下)中。

在零件模型中创建关系，按照如下步骤进行：

(1)在零件模块中，“菜单管理器”->“Relations(关系)”->“Part Rel(零件关系)”->根据需要选择要增加关系式的特征，然后，单击“Add(增加)”，再键入关系式：“…”，->回车->单击“Done(完成)”->Regenerate(再生)。

(2)关系式的驱动关系是从右到左的，比如关系式d26=2*d23，其中是d23驱动d26的，修改的d26不能直接修改其值，而要通过d23来改变。

(3)如果模型存在多个关系式，关系的计算从键入的第一个关系开始，以键入的最近的关系结束。因此，如果两个关系驱动一个参数，则后一个关系覆盖前一个关系。

4 基于减速箱轴实体参数化设计

4.1 设计流程

在减速箱的设计中，传动轴作为一个重要零件，必须经过一系列的计算来确定其尺寸，从计算轴的直径到轴的结构设计，再到轴与轴承及键联接的校核计算，以至不同的技术要求以及工作要求就需要不用的技术参数，这也导致了轴的尺寸变化。基于传动轴的基础Pro/E三维实体模型，通过设计一个人机交换界面来进行参数驱动轴的尺寸，从而达到设计要求。具体设计流程如图1。

4.2 重要文件的建立

(1)信息文件

该菜单信息文件实现的功能是：在Pro/E的下拉菜单“Utilities(功能)”右边增加全局菜单项“轴参数化设计(C)”，并且其下级菜单项为“轴参数设定(A)”，其提示信息为“基于三维实体的参数化设计”。各个菜单名或者提示信息英文版分别为“parameter_design”，“spindle_parameter_design”和“Parameterized_3D_Programming”。

存放在目录“.spindle_designReleasetextchinese_cn”中的信息文件“Message0.txt”具体内容如下：

注册文件(registry file)是存放在桌面上启动Pro/ENGINEER2001的起始位置目录中的。其具体内容设置如下：

4.3 参数驱动模型运行情况

启动桌面上设置了起始位置的Pro/ENGINEER2001快捷方式图标后，在设置的目录下会自动生成两个文件“std.out”的OUT文件和Pro/E的动作轨迹文件“trail.txt”。进入到Pro/E界面后，必须打开预先生成的三维模型样板零件，接着才在全局菜单“功能(U)”下拉菜单中选“辅助应用程序(X)”，将会弹出对话框，然后按“登记”按钮，选定预先设定的注册DAT文件，再将程序启动，这时候在功能菜单右边生成一个“轴参数化设计(C)”，按下其下拉菜单“轴参数设定(A)”，将会弹出参数设定人机交互对话框，如图2所示。运行得到的参数设定对话框如图3。原来生成的三维实体样板模型如图4。在轴参数设定对话框中将轴肩半径26改成35，将齿槽2宽度8.00改为12.00，再按下“模型更新(U)按钮”，将会得到图5。

5 结语

笔者阐述了基于Pro/Toolkit进行二次开发，创建减速箱传动轴参数化CAD系统的方法及参数化设计的实现过程，并通过参数控制，方便快捷地建造不同参数的轴三维实体模型。实践证明，该方法实用有效，对各种常用标准件CAD参数化系统的建立具有重要意义，可以推广到其他机械零件和产品造型的三维参数化系统设计中去。

参考文献

[1]董黎敏,袁旭.基于Pro/Toolkit二次开发的机械零件参数化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2003(5):48-49,52.

[2]李世国,何建军.基于Pro/E零件模型的参数化设计技术研究[J].机械设计与研究,2003,19(3):36-37.