淺談機械疲勞故障失效分析方法

喬云鵬，邵麗國

（格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

生產線下線設備的載重板鏈流水線從動軸斷裂，流水線塌陷，臨時焊接斷裂處以作補救措施，同步安排加工備件待更換。

在現場的拆裝及粗略分析過程中，發現流水線負載并不是很大，且沒有發現卡阻及受力異常的現象，所以軸斷裂偶然突發可能性不大，為從根源上深入分析其斷裂機理，采取有效措施，避免下次再次發生，為此對斷軸進行受力分析、斷面金相分析及結構仿真分析，以確定實際的失效原因。

1 負載分析

針對設備正常使用情況下的不同工況，進行受力的分析及對比。設備正常狀態通常有3種運行情況，空載、負載工藝板（60kg）、負載工藝板及產品（最大400kg），驅動三相電機型號CH28-750-36S，額定功率0.75kW，額定頻率50Hz，工作頻率調整為20Hz，其中電壓和電流為現場實測值。

空載時，輸出功率：

負載工藝板（60kg）時，輸出功率：

負載工藝板及產品（最大400kg）時，輸出功率：

對比三種運行狀態的實際電機輸出功率，流水線不同負載時驅動力變化不大，對主軸沖擊波動較小，同時反映出設備在空載運行時負載功率明顯偏大，說明機械運轉機構阻力異常是斷軸的主要原因。

2 斷面分析

（1）斷軸截面發生在平鍵槽靠近軸向中心側，該處正是全軸受力最為集中的地方。

（2）軸的材料對比，經對斷軸取樣分析洛氏硬度，平均硬度12HRC，若按照45#鋼用作軸類零件需調質23～28HRC，該軸熱處理不符合要求。

（3）斷面金相分析，在斷軸垂直軸向取金相試樣，經磨拋侵蝕后采用光學顯微鏡金相組織觀察，斷口表面金相組織為珠光體和呈網狀分布的鐵素體；符合45#鋼的金相組織。見圖1。

斷口區域疲勞區表面裂紋呈現均勻密集的波浪紋，而瞬間斷裂區表面裂紋呈現平緩的波浪紋，內部伴有網狀式的暗裂紋。

圖1 金相組織圖

斷口呈現典型的疲勞裂紋特征，宏觀可見明顯的貝紋特征，微觀可見疲勞斷裂形貌及暗裂紋特征。由以上特征判斷該驅動軸的斷裂性質為疲勞斷裂。

3 機械結構受力分析

從現在安裝方式對比，從動軸的張緊機構設計極不合理，不利于調整板鏈的松緊度，也不利于調節兩軸的平行度。板鏈上層采用導軌支撐，下層采用懸空式安裝，由于從動軸張緊過大，將會導致下層板鏈自重對軸產生極大的作用力。

由于斷裂軸為從動軸，電機驅動時，從動軸主要克服自身兩端軸承的摩擦力，因此使用空載輸出功率推算從動軸受到的驅動力。圖2為從動軸受力組成圖，圖3為從動軸應力分析圖。

板鏈自重計算：板鏈線由72塊板組成（重量1.8kg/塊，鏈條節距P=50.8mm），使用圓弧逼近下層板鏈的懸掛形狀，懸掛末端切線與水平夾角7.5°。下層板鏈數量31塊，重量G=31×1.8×10=558N，平均分配到四個鏈輪上，即為140N。

圖2 從動軸受力組成圖

圖3 從動軸應力分析圖

軸材料力學性能參數：

危險軸面處的彎矩計算：

危險軸面處的彎曲應力計算：

危險軸面處的扭矩計算：

危險軸面處的扭轉應力計算：

軸彎扭合成強度校核：

以上參考危險截面安全系數S的校核公式和許用安全系數SP。

4 結語及改善措施

鑒于軸的設計存在缺陷，且零件熱處理也達不到要求，決定從3個方面進行改善。

（1）優化從動軸設計及加工工藝，增大軸危險斷面的抗彎截面系數，增大軸表面加工系數，材質采用45#鋼調質處理，23～28HRC。

（2）優化鏈輪設計，在鏈輪轂上開減載槽，避免應力集中。

（3）改善軸受力結構，在板鏈下層增加托架，減少水平分力對軸的附加荷載。

通過分析及改善，重新加工安裝從動軸及鏈輪，并增加板鏈下層托架后，電機負載有明顯改善，設備運行穩定。上述案例的分析及改善，是生產設備維保過程中機械故障分析的常用方法，可以較好地指導基層技術人員快速從根源上判斷問題，作出較好的改善對策。