TZX5特种铣头电机轴断裂原因及改造

2017-06-01来延峰李贵鹏

设备管理与维修 2017年1期

关键词：插式铣头弯矩

来延峰，李贵鹏

（一拖（洛阳）柴油机有限公司装备部，河南洛阳471000）

TZX5特种铣头电机轴断裂原因及改造

来延峰，李贵鹏

（一拖（洛阳）柴油机有限公司装备部，河南洛阳471000）

TZX5特种铣头电机输出轴为悬臂梁式支撑结构，且受力点距离支撑点较远，结构强度不足，易出现轴断裂故障，改为简支梁结构提高结构强度。

悬臂梁；结构强度；断裂；结构可靠性

1 问题

TZX5通用型特种铣头，刀盘直径500 mm，适用于大平面铣削加工。设计结构紧凑，安装定位简单，通用性强，适配广泛。在使用过程中发现，该铣头动力箱电机轴易出现弯曲甚至断裂故障，且漏油严重。

2 原因分析

（1）观察电机轴断口发现，断裂口面积45%为较早伤口，剩余为新断裂口，纹路为典型的疲劳断裂裂纹。根据损坏前铣头运转时有周期性敲击噪声，由此推断电机轴齿轮存在偏心，检查铣头动力箱发现齿轮内孔键槽深度2.5 mm属不合格，齿轮内孔孔径38+0.05 mm超差，电机轴颈磨损至Φ38-0.1 mm超差，键顶接触并挤死导致齿轮偏心，机床运转时形成强烈的周期性冲击载荷。

（2）铣头电机为立轴下置式安装，需采用骨架油封对电机轴进行密封，密封可靠性不高，且电机安装困难，容易损坏骨架油封；齿轮偏心加剧密封圈磨损失效漏油，导致系统长时间处于无润滑运行状态。实测在无润滑时，电机输入功率达到10.8 kW。

（3）电机轴齿轮为悬臂梁式支撑结构，电机轴受弯矩较大，结构强度不足导致电机轴易出现疲劳断裂。经计算，采取悬臂梁式支撑，电机以额定功率7.5 kW满负载运行时，电机轴危险截面位于前端轴承处，应力σb=45.5 MPa小于许用应力[σ∞]=75 MPa，安全系数为0.64；润滑不足时，应力σb=65.5 MPa略低于许用应力[σ∞]=75 MPa，安全系数为0.15，在冲击载荷作用下导致电机轴疲劳断裂。

3 改进措施

3.1 轴支撑结构改造

将电机轴齿轮改为齿轮轴，在轴两端安装轴承支撑。在负载不变的情况下，齿轮所受径向力F不变，轴上最大弯矩仅为改造前的1/3。该结构在额定负载运行时，轴的危险截面位于齿轮两侧，应力σb=9.1 MPa远小于许用应力[σ∞]=75 MPa；

3.2 电机安装方式改进

电机由立轴下置安装改为立轴上置安装，并采用轴直插式连接实现动力传递。此结构应用广泛可靠，例如C518A及其系列大立车刀架电机采用水平轴侧置安装，连接形式为主从动轴直插式连接。

电机上置安装避免了骨架油封的动密封结构，改为盲孔端盖密封，密封可靠性高，降低了电机安装难度，便于日常维修维护。

3.3 电机输出轴常见连接形式性能分析

（1）弹性联轴节连接。优点是该结构允许一定的安装误差，联轴节可以吸收冲击，传动平稳；缺点是轴向及径向尺寸较大，整体结构占用空间大。

图1 改造前后结构对比及受力弯矩分布

（2）刚性套连接。指主从动轴采用刚性套连接实现动力传递。优点是轴只承受负载扭矩，结构强度高，结构简单紧凑；缺点是属于刚性连接，存在过定位，对同轴度要求极高。

（3）主从动轴直插式连接。指主动轴直接插到被动轴孔内（或被动轴直接插到主动轴孔内）实现动力传递。优点是结构较刚性套连接更加紧凑；缺点是属于刚性连接，存在过定位，对同轴度要求极高。

（4）皮带连接。皮带连接采用开式结构，轴多设计为悬臂梁式结构，电机轴受扭矩载荷及弯矩载荷，设计过程中应使皮带轮受力点尽量靠近电机前端轴承支撑，并进行严格的强度校核。优点是该结构允许一定的安装误差，皮带可以吸收冲击，传动平稳；缺点是整体结构占用空间大。

（5）齿轮连接。该结构中电机轴直接安装齿轮并伸入动力箱内通过齿轮啮合实现拖动。

优点是结构简紧凑，动力传递平稳；缺点是与皮带连接类似设计过程中应使齿轮尽量靠近电机前端轴承支撑，并进行严格的强度校核；由于齿轮传动需要润滑，需设计相应的密封结构，密封可靠性不高，易出现漏油现象，且安装相当困难，可用在电机立轴上置结构中，避免密封结构。

电机安装齿轮直接拖动式结构应用广泛，结构已相当成熟，设计中应是齿轮靠近电机前端轴承，并进行严格的强度校核。客观条件限制无法靠近时可在齿轮附近加装轴承支撑，例如Z3040摇臂钻主轴电机，齿轮距离电机前端轴承100 mm，在齿轮后侧加装轴承。电机轴直插式连接方式应用也是相当成熟，如C518A大立车走刀电机采用了该结构，安装方式为水平轴安装。该结构兼具齿轮直连结构的紧凑性，安装维护容易，可靠性高。