金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效分析及改進(jìn)研究

李 劍

（東芝扶梯（中國）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

金屬驅(qū)動(dòng)軸是扶梯的一個(gè)主要部件，它安裝在扶梯的驅(qū)動(dòng)輪與電動(dòng)機(jī)之間，其主要作用是確保扶梯能夠順暢運(yùn)行[1]。眾所周知，金屬驅(qū)動(dòng)軸的平穩(wěn)工作不僅僅影響著扶梯的安全運(yùn)行，同時(shí)它還影響著乘客乘坐扶梯的安全性和舒適性。除此以外，金屬驅(qū)動(dòng)軸是扶梯系統(tǒng)的輸出軸與軸承一同承載著扶梯的運(yùn)行工作，因此，金屬驅(qū)動(dòng)軸的失效或者零件破損不僅會影響扶梯安全生產(chǎn)，甚至?xí)斐珊艽蟮陌踩鹿蔥2]。為此，本文主要對金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂進(jìn)行的全面的分析研究，并在此基礎(chǔ)之上提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。

1 金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效分析研究

1.1 扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的斷口分析

扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的斷口是金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂后金屬表面所出現(xiàn)的一種外觀形貌，它主要是指斷口產(chǎn)生的裂紋或者是斷口擴(kuò)展時(shí)所產(chǎn)生的痕跡，其形狀或者外形直接記錄了扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的起因、斷裂過程以及最終斷裂的相關(guān)信息[3]。通過對扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口的形貌特征進(jìn)行觀察分析研究可以得到有關(guān)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用信息，同時(shí)了解扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的斷面形狀以及斷裂裂紋的擴(kuò)展方向等相關(guān)信息，以此來進(jìn)一步判斷扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的斷裂原因，為進(jìn)一步完善扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸鍛煉失效模式、改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及合理選材等提供優(yōu)化方向。

金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口分析還是金屬驅(qū)動(dòng)軸材料鍛煉失效分析研究的一個(gè)主要內(nèi)容，通過對金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂斷口進(jìn)行分析和研究能夠有效的揭示金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂的機(jī)理，以此來確定金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效的原因，從而更好的根據(jù)金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效原因分析其優(yōu)化措施。

1.2 扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)分析

扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)分析主要是分析材料的使用特征。金屬材料的抗拉強(qiáng)度與材料的疲勞強(qiáng)度在一定條件下呈正比例關(guān)系。因此，在進(jìn)行扶梯金屬材質(zhì)分析時(shí)要注意材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。有一些金屬驅(qū)動(dòng)軸在生產(chǎn)過程當(dāng)中其材料中摻雜了鋼元素，從而導(dǎo)致金屬驅(qū)動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，從而降低了金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，給扶梯的運(yùn)行帶來極大的隱患。除此以外，金屬驅(qū)動(dòng)軸在其生產(chǎn)加工過程當(dāng)中都要經(jīng)過冶煉、鑄錠以及鍛造等冶金程序，其冶金過程的質(zhì)量高低也直接影響著金屬驅(qū)動(dòng)軸的最終疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和使用壽命。

1.3 化學(xué)成分分析

對扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析主要是為了研究金屬驅(qū)動(dòng)軸化學(xué)成分當(dāng)中的碳化物和非碳化物所形成的合金元素，這些化學(xué)元素在進(jìn)行熱處理之后能夠提升金屬驅(qū)動(dòng)軸的各項(xiàng)力學(xué)性能。金屬驅(qū)動(dòng)軸在扶梯運(yùn)行過程當(dāng)中承受著各個(gè)各樣的沖擊力和載荷力，因此對金屬驅(qū)動(dòng)軸的材質(zhì)要求也相對較高。通過相關(guān)的技術(shù)資料查詢可以得知，當(dāng)前我國扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸所選用的材料牌號主要為42CrMo材料。42CrMo材料作為一種綜合性優(yōu)良的金屬結(jié)構(gòu)鋼材料，其材料當(dāng)中主要包含合金元素Cr與Mo兩種非碳化物所形成的合金元素，其中Cr元素能夠有效的提升金屬的穩(wěn)定性，同時(shí)降低金屬的臨界冷卻速度，從而有效的提升金屬材料的淬透性，確保金屬材料的穩(wěn)定性。

1.4 機(jī)械性能測試

在扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效分析當(dāng)中，金屬驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械性能測試主要是為了檢測金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂零件的材料塑性、材料強(qiáng)度以及材料強(qiáng)度指標(biāo)，即檢測金屬驅(qū)動(dòng)軸失效抗力指標(biāo)是否達(dá)到指標(biāo)，以此來更好的判斷金屬驅(qū)動(dòng)軸零件材料是否滿足金屬驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行要求以及相關(guān)機(jī)械性能。

為了檢測金屬驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械性能，進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)和硬度檢測實(shí)驗(yàn)。通過拉伸實(shí)驗(yàn)不僅僅可以檢測金屬材料在靜載荷作用下所形成的載荷與伸長量的關(guān)系，同時(shí)還能夠獲得靜載條件下金屬驅(qū)動(dòng)軸的材料的延伸率、抗拉強(qiáng)度、屈服極限以及斷面收縮率等相關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)，具體的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，為拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

通過實(shí)驗(yàn)可以得出扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

屈服強(qiáng)度δs＝10055MPa，試件的抗拉強(qiáng)度δb＝12048MPa，斷面伸率δ＝17.55%。

根據(jù)相關(guān)要求，42CrMo材料調(diào)質(zhì)處理后的所產(chǎn)生力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度σb≥1100MPa，其屈服強(qiáng)度σs≥650MPa，斷面延伸率δ≥12%，因此，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析得出，扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的韌性和強(qiáng)度等機(jī)械性均已達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 金屬驅(qū)動(dòng)軸失效的改進(jìn)研究

為了提高扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，降低和避免出現(xiàn)金屬驅(qū)動(dòng)軸失效的難題，急需對金屬驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案主要有兩種，分別是優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸鏈接方式和金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化，下文對兩種優(yōu)化方式進(jìn)行全面詳細(xì)的介紹。

2.1 優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸鏈接方式

當(dāng)前，市面上較為常用的機(jī)械回轉(zhuǎn)部件鏈接方式是鍵連接和過盈連接或焊接，其中，鍵連接主要是利用鍵來實(shí)現(xiàn)金屬驅(qū)動(dòng)軸與其軸上零件進(jìn)行負(fù)載傳遞，它屬于機(jī)械傳動(dòng)中使用最廣泛的一種鏈接方式，其具有加工簡單、拆裝維修方便以及性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是其也存在著一些缺點(diǎn)，比如無法承受重型載荷、削弱連接件的疲勞強(qiáng)度以及降低金屬驅(qū)動(dòng)軸的承載能力和壽命等等。過盈連接與其不同，它主要是通過被連接件之間的過盈配合實(shí)現(xiàn)扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸和其軸上零件的鏈接，其優(yōu)點(diǎn)主要是能承受重型載荷和沖擊載荷、傳動(dòng)精度高以及削弱金屬驅(qū)動(dòng)軸連接件疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)缺陷等等。但是它與焊接一樣也存在一定的缺點(diǎn)，比如拆裝及維護(hù)困難，這在一定程度上限制了過盈連接及焊接的應(yīng)用。

2.2 金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化

優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸在去除金屬軸的螺紋孔和縮短鍵槽的長度后，其所輸出的軸端的應(yīng)力明顯降低，導(dǎo)致疲勞壽命有所提高；然而，此種優(yōu)化方式使軸端階梯處的安全系數(shù)卻明顯偏低，使得疲勞壽命也相應(yīng)降低。于此可知，僅僅優(yōu)化金屬驅(qū)動(dòng)軸外部結(jié)構(gòu)仍無法滿足金屬驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行需求，因此需對金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸進(jìn)行優(yōu)化。金屬驅(qū)動(dòng)軸軸徑尺寸優(yōu)化主要是指對金屬驅(qū)動(dòng)軸的軸徑進(jìn)行合理優(yōu)化。為提高扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，通過改變扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸的軸徑尺寸來提高金屬驅(qū)動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

總而言之，扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效屬于脆性斷裂的范疇，且在使用過程當(dāng)中不會產(chǎn)生塑性變形，且沒有任何的先兆。所以扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂后往往產(chǎn)生災(zāi)難性后果，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)和人員損失。為了降低和避免扶梯金屬驅(qū)動(dòng)軸斷裂事件的發(fā)生要及時(shí)對其進(jìn)行檢測和優(yōu)化，以此來確保扶梯的順利運(yùn)行。