電機(jī)軸的失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘 要 電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上的。三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原理，當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢。電動(dòng)勢的方向由右手定則來確定。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是相對的，假如磁極不動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢來。在電動(dòng)勢的作用下，閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力 F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 本文通過對電機(jī)軸化學(xué)成 分、宏觀、微觀及力學(xué)性能等方面的一系列實(shí)驗(yàn)，分析出該軸的斷裂原因，在此基礎(chǔ)上，利用 軟件對電機(jī)軸進(jìn)行了較全面的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)分析的正確性，而且提出了合理的改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞 失效分析，斷裂，有限元， ，電機(jī)軸 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 前 言 . 1 章 失效分析 . 1 失 效（分析）的概念 .效（分析）的發(fā)展 .效分析的目的 .效（斷裂）分析的方法 .效分析的思路 .效分析的程序 . 2 章 電動(dòng)機(jī)輸出軸的斷裂分析 .觀分析 .能檢查 .機(jī)軸的性能檢查 . 3 章 輸出軸的有限元分析 及優(yōu)化設(shè)計(jì) . 建模 .析 .機(jī)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì) .束語 .錄 1 參考文獻(xiàn) . 23買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 前 言 隨著科技的突非猛進(jìn)系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜， 功能不斷提高，機(jī)械零件的不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對故障的分析研究工作亦越來越受到世界各國的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)榧词购教祜w機(jī)這么先進(jìn)的運(yùn)載工具也可能發(fā)生故障，如美國的價(jià)值 12 億美元的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)，在 1986 年 1 月 28 號第 11 次升空時(shí)突然爆炸，使 7 名宇航員遇難，這一慘痛悲劇再次告戒人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條案件下所做的一次最真實(shí)做可靠的學(xué)實(shí) 驗(yàn)的結(jié)果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素，也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而改進(jìn)有關(guān)部門的工作。提高產(chǎn)品質(zhì)量。失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一；是安全工程的重要技術(shù)保障之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 電動(dòng)機(jī) 是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。在機(jī)械、冶金、石油、煤炭、化學(xué)、航空、交通、農(nóng)業(yè)以及其他各種工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用著。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，需要采用各種各樣的控制電機(jī)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的元件，人造衛(wèi)星的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)也是不可缺少的。此外在國防 、文教、醫(yī)療及日常生活中 (現(xiàn)代化的家電工業(yè)中 )電動(dòng)機(jī)也愈來愈廣泛地應(yīng)用起 多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)為主，而 軸是電動(dòng)機(jī)中不可缺少的重要零件之一 ,也是最常見的失效零件。 為此，我們對電動(dòng)機(jī)輸出軸的斷裂原因進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析： 軸的宏、微觀分析和結(jié)構(gòu)分析，了解該軸的應(yīng)力分布情況，找出應(yīng)力集中部位，分析該類軸斷裂的原因。在此基礎(chǔ)上充分利用 技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力分析 ,以驗(yàn)證宏、微觀分析結(jié)果 ,再利用 技術(shù)進(jìn)行買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 軸的優(yōu)化設(shè)計(jì) ,達(dá)到改進(jìn)軸的目的 。 使減速器的工作性能達(dá)到最優(yōu)。這樣既能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠 的經(jīng)濟(jì)效益，有很高的實(shí)用價(jià)值，而且為軸失效問題的分析可提供有效的參考資料。 1985 年美國波士頓 前已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。而且 提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，本文所進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)分析就是基于一軟件。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 第 1 章 失效 (斷裂 )分析 效（分析）的概念 失效，按照國家標(biāo)準(zhǔn) 靠性基本詞術(shù)語及定義，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障”。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理 ，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，叫做“失效分析”。 失效分析是按一定的思路和方法判斷失效性質(zhì)、分析失效原因、研究失效事故處理方法和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)及管理活動(dòng) 。 美國金屬手冊認(rèn)為 ,機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時(shí) ,就可 定義為失效 : 當(dāng)它完全不能工作時(shí) ; 仍然可以工作 ,但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí) ; 受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用 ,必須立即從產(chǎn)品或裝備拆下來進(jìn)行修理或更換時(shí)。 機(jī)械產(chǎn)品及零部件常見的失效類型包括變形失效、損傷失效和斷裂失效三大類。本論文所研究的就是斷裂失效。 效（分析）的發(fā)展 早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們對產(chǎn)品失效就有了宏觀認(rèn)識。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴(yán)重的危害，則是從 100多年前的工業(yè)革命開始的。當(dāng)蒸汽機(jī)動(dòng)力和大機(jī)器生產(chǎn)給人類社會帶來巨大進(jìn)步的同時(shí)，產(chǎn)品失效也給人類帶來了前所未有的災(zāi) 難性事故。 因而 1862 年，英國建立了世界上第一個(gè)蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國家中，對失效產(chǎn)品進(jìn)行分析的各種機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。在 1938間，美國質(zhì)量管理學(xué)會發(fā)起“失效廢品檢驗(yàn)規(guī)劃”，號召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進(jìn)入到一個(gè)新的階段。到六十年代，人們更開始了機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 近年來，失效物理和失效分析在這種認(rèn)識推動(dòng)下，也得到了很大的 重視和發(fā)展。失效分析推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，在國民經(jīng)濟(jì)中有重要作用和意義。 效分析的目的 失效分析預(yù)測預(yù)防的總?cè)蝿?wù)就是不斷降低產(chǎn)品或裝備的失效率 ,提高可靠性 ,防止重大失效事故的發(fā)生 ,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來看 ,失效分析的具體任務(wù)可歸納為 :失效性質(zhì)的判斷 ;失效原因的分析 ;采取措施 ,提高材料或產(chǎn)品的失效抗力。 產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確 ,而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。通過失效分析 ,找到造 成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因 ,從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標(biāo)與措施 ,特別是確定這種失效抗力指標(biāo)隨材料成分、組織和狀態(tài)變化的規(guī)律 ,運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、工程力學(xué)等方面的研究成果 ,提出增強(qiáng)失效抗力的改進(jìn)措施。既能得到提高產(chǎn)品或裝備承載能力和使用壽命 ,又可做到充分發(fā)揮產(chǎn)品或裝備的使用潛力 ,使材盡其用 ,這是產(chǎn)品或裝備失效分析、預(yù)測預(yù)防研究的重要目的與內(nèi)容 材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本 質(zhì)、規(guī)律和原因。近半個(gè)世紀(jì)所積累的失效分析知識與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識的總和。但這種知識必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展。雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。 效（斷裂）分析的方法 失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強(qiáng)度計(jì)算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的 綜合學(xué)科，它包括三個(gè)方面： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 1事前故障的預(yù)測技術(shù)，如可靠度計(jì)算、故障率評價(jià)和可靠性分析法（故障樹分析 障模式和影響分析 件樹分析 2事中故障診斷技術(shù)（應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強(qiáng)度、故障性能定量化技術(shù)及劣化定量化技術(shù)等）； 3事后失效分析（壽命預(yù)測技術(shù)、故障機(jī)理、失效模式的測定技術(shù)、失效評定的標(biāo)準(zhǔn)、維修技術(shù)等）。 上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌發(fā)生后的檢測和分析，以便找到失效的部位、原因和機(jī)理 ；掌握產(chǎn)品的改進(jìn)線索或修復(fù)方法，防止問題重復(fù)發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。 效分析的思路 失效分析及失效的防止好比醫(yī)生治病 ,正確的診斷、配合對癥下藥才能將病治好 ,這是緊密聯(lián)系的兩個(gè)方面。其基本思路是 : 從中找出主要的失效形式及主要失效抗力指標(biāo)。 料強(qiáng)度學(xué)和斷裂物理、化學(xué)、力學(xué)的研究成果 ,深入分析各種失效現(xiàn)象的本質(zhì) ,以主要失效抗力指標(biāo)與材料成分、組織、狀態(tài)的關(guān)系 ,提 出改進(jìn)措施。 同服役條件要求材料強(qiáng)度和塑性、韌性的合理配合”這一規(guī)律 ,分析研究失效零部件現(xiàn)行的選材、用材技術(shù)條件是否合理 ,是否受舊的傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀念束縛。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技術(shù)條件規(guī)定 ,如果把它當(dāng)成金科玉律 ,則會犯分析上的錯(cuò)誤 ,對防止零部件失效不利。 克服零部件上的薄弱環(huán)節(jié) ,爭取達(dá)到材料的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 還應(yīng)做到幾個(gè)結(jié)合 : （ 1）材料、工藝相結(jié)合 ,即對形狀、尺寸、材料、成型加工和強(qiáng)化工藝統(tǒng)一考慮 （ 2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 (力學(xué)計(jì)算、 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析 )與材料強(qiáng)度相結(jié)合 ,試棒試驗(yàn)與實(shí)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 際零部件臺架模擬試驗(yàn)相結(jié)合 ; (3)客觀規(guī)律與微觀機(jī)理相結(jié)合 ,宏觀斷口和微觀斷口分析相結(jié)合 ,宏觀與顯微、亞顯微組織分析相結(jié)合 ; (4)實(shí)驗(yàn)室規(guī)律性試驗(yàn)研究與生產(chǎn)試驗(yàn)相結(jié)合。 效分析的程序 進(jìn)行失效分析 ,對于具體零部件要具體對待 ,不能企求有統(tǒng)一的方法。在整個(gè)失效分析過程中 ,應(yīng)重點(diǎn)抓住以下幾個(gè)環(huán)節(jié) : 1. 收集失效件的背景數(shù)據(jù) 除了解失效零部件在機(jī)器中的部位和作用、材料牌號、處理狀態(tài)等基本情況外 ,應(yīng)著重收集下面兩方面的資料 : (1) 失效件全部制造工藝歷史。 從取得有關(guān)圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始 ,了解冶煉、鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理、化學(xué)熱處理、拋光、磨削、各種表面強(qiáng)化和表面處理及裝配、潤滑情況 ; (2) 失效件的服役條件及服役歷史。除了解載荷性質(zhì)、加載次序、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、工作溫度外 ,應(yīng)特別注意環(huán)境細(xì)節(jié)和異常工況 ,如突發(fā)超載、溫度變化、溫度梯度和偶然與腐蝕介質(zhì)的接觸等。 2. 失效零部件及全部碎片的外觀檢查 在進(jìn)行任何清洗之前都應(yīng)經(jīng)過徹底的外觀檢查 ,用攝相等方法詳細(xì)做好記錄。重點(diǎn)檢查內(nèi)容為 : (1) 觀察整個(gè)零部件的變形情況 ,看是否有鐓粗、下陷、內(nèi)孔擴(kuò)大、 彎曲、頸縮等 ; (2) 觀察零部件表面冷熱加工質(zhì)量 ,如有無過燒、折疊、斑疤等熱加工缺陷 ,有無刀痕、刮傷等機(jī)加工缺陷 ,有無冷熱加工造成的裂紋 ; (3) 觀察斷裂部位是否在鍵槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等應(yīng)力集中處 ; (4) 觀察零部件表面有無氧化、腐蝕、氣蝕、咬蝕、磨損、龜裂、麻點(diǎn)或其它損傷 ; (5) 觀察相鄰零部件或配偶件的情況 ; (6) 觀察零部件表面有無附著物。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 3. 試驗(yàn)室檢驗(yàn) 在檢驗(yàn)前 ,對試驗(yàn)項(xiàng)目和順序、取樣部位、取樣方法、試樣數(shù)量等均應(yīng)全面、周密地考慮。一般采用的分析手段有下列各項(xiàng) : (1) 化學(xué)分析 目的是鑒定零部件用材料是否符合原定要求 ,有無用錯(cuò)材料或成分出格 ,必要時(shí)可分析微量元素或進(jìn)行微區(qū)成分分析。當(dāng)表面有腐蝕產(chǎn)物時(shí) ,也應(yīng)分析腐蝕產(chǎn)物成分 ; (2) 宏觀 (低倍 )分析 主要用于檢查原材料或零部件質(zhì)量 ,揭示各種宏觀缺陷 ; (3) 斷口分析 對于斷裂失效零部件 ,斷口分析是最重要的一環(huán)。斷口形貌真實(shí)地反映了斷裂過程中材料抵抗外力的能力 ,記錄了對材料斷裂起決定作用的主裂縫所留下的痕跡。通過對斷口形貌特征的分析 ,不僅可以得到有關(guān)零部件使用條件和失效特點(diǎn)的資料 ,還可以了解斷口附近材料的性質(zhì)和狀況 ,進(jìn)而可 以判明斷裂源、裂紋擴(kuò)展方向和斷裂順序 ,確定斷裂的性質(zhì) ,從而找出斷裂的主要原因。斷口分析先用肉眼或低倍實(shí)體顯微鏡和立體顯微鏡從各個(gè)角度來觀察斷口表面的紋理和特征 ,然后用電子顯微鏡 (特別是掃描電鏡 )對有代表性的部位進(jìn)行深入觀察 ,以了解斷口的微觀特征 ; (4) 微觀組織分析 即用金相顯微鏡、電子顯微鏡鑒定失效分析的顯微組織 ,觀察非金屬夾雜物 ,分析組織對性能的影響 ,檢查鑄、鍛、焊和熱處理等工藝是否恰當(dāng) ,從而由材料的內(nèi)在因素分析導(dǎo)致失效的原因 ; (5) 力學(xué)性能試驗(yàn) 在必要時(shí)可以進(jìn)行某些項(xiàng)目的力學(xué)性能試驗(yàn) ,包括斷裂韌 性試驗(yàn) ,以校驗(yàn)該零部件的實(shí)際性能是否符合技術(shù)要求 ; (6) 其它檢測項(xiàng)目 如用 如相 )或定量 (如殘余奧氏體含量 )分析 ,對受力復(fù)雜的零部件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等等。 4. 判定失效原因 進(jìn)行上述環(huán)節(jié)后 ,把所得的資料進(jìn)行綜合分析 ,搞清失效的過程和規(guī)律 ,這是失效分析的重要環(huán)節(jié)。斷裂失效原因的分析過程見圖 般要從影響零部件失效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素、材料因素、工藝因素、裝配因素和服役條件因素中進(jìn)行全面分析 ,真正找到導(dǎo)致該零部件早期失效的主導(dǎo)因素。重大的失效分析項(xiàng)目 ,在初買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 步確定失效原因后 ,還應(yīng)及時(shí) 進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn) (模擬試驗(yàn) ),以驗(yàn)證初步結(jié)論的可靠性。 圖 斷裂失效原因分析思路 5. 分析結(jié)果的反饋 積極的失效分析 ,其目的不僅在于失效性質(zhì)和原因的分析判斷 ,更重要的是反饋到生產(chǎn)實(shí)踐中去。也就是從失效分析的結(jié)論中獲得反饋信息 ,據(jù)以確定提高失效抗力的途徑 (形成反饋試驗(yàn)方案 ),并通過試驗(yàn)選擇出最佳改進(jìn)措施。反饋的結(jié)果可能是改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝、現(xiàn)場操作規(guī)程 ,也可能是綜合改進(jìn)。 對于軸等機(jī)械零部件 ,應(yīng)著重于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝方面的反饋 ,特別是結(jié)構(gòu)、材料、工 藝上的綜合反饋 ,例如在某些情況下 ,通過改進(jìn)零部件的形狀、尺寸來提高其失效抗力較之改進(jìn)材料和工藝更為有效。而當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)受到限制時(shí) ,零部件的應(yīng)力水平、應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)又要求制造零部件的材料和工藝與之相適應(yīng) (例如幾何形狀復(fù)雜、應(yīng)力狀態(tài)較硬的零部件 ,要求材料有買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 足夠的塑韌性 ;帶有尖銳缺口的零部件 ,要求材料有較低的缺口敏感度等等 )。由此可見 ,在提高零部件的失效抗力時(shí) ,零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料、工藝是相互滲透 ,相互依賴的。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 第 2 章 電動(dòng)機(jī)輸出軸的斷裂分析 電動(dòng)機(jī) 輸出軸簡圖 觀分析 由作用在肋板上的拉力、軸兩端的拉力、軸頸處的重力引起，這些應(yīng)力隨運(yùn)行過程不斷發(fā)生變化，一旦過載、突然啟動(dòng)和制動(dòng)、多次重載荷沖擊，減速器軸的某些局部位置可能發(fā)生低周大應(yīng)變疲勞開裂和扭轉(zhuǎn)過載塑性斷裂。 斷軸情況主要發(fā)生在負(fù)荷側(cè)，如軸承支承處、有明顯的刀痕處、肋板與主軸的結(jié)合處、軸肩處及有槽的地方。電機(jī)軸在設(shè)計(jì)和工藝上經(jīng)常有槽、階梯過渡處和軸肩等結(jié)構(gòu)，如果槽結(jié)構(gòu)不合理或不均勻、過渡圓角太小、軸徑變化較大等，電機(jī)軸在交變應(yīng)力的作用下，這些部位的應(yīng)力分布會極不均 勻，在應(yīng)力特別高的部位逐步形成微觀裂紋且逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致突然脆性斷裂。這是減速器軸斷裂最常見的原因。 另一方面，電機(jī)軸的非配合面在加工時(shí)經(jīng)常被忽視，軸表面和軸肩過渡圓角處常留有刀痕，表面粗糙度過大，這樣會引起狀態(tài)系數(shù)降低，使軸的抗疲勞能力降低而引起折斷。 能檢查 齒輪軸的宏觀檢查 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 要研究零件的失效問題，首要問題就是對零件進(jìn)行宏觀檢查，斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎(chǔ)，查找斷裂源區(qū)是宏觀分析的最重要環(huán)節(jié)。 我們對斷軸進(jìn)行了實(shí)地考察，電機(jī)軸斷口，斷面灰且較亮，粗晶區(qū)很大，在一側(cè)邊緣人字紋隱 約可辯，極似最后撕裂的少量痕跡，纖維區(qū)和剪切唇很不明顯，沒有腐蝕的痕跡，斷源在上放，貝紋量甚少且不明顯，屬“結(jié)晶狀”斷口。再綜合徑向觀察，斷裂處不是出現(xiàn)在連接處，而是前面的一小段距離的地方，觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂處原始就有一圈深度為 1此可知：此斷口屬脆性斷口，起始于離拐軸連接處大概 1 機(jī)軸的性能檢查 在此同時(shí)，我們從該軸的設(shè)計(jì)圖紙得到：該軸應(yīng)采用 30求該軸表面的硬度 43（ 320），采用整體調(diào)質(zhì)工藝。我們對斷裂電機(jī)軸原件進(jìn)行檢驗(yàn)和實(shí)際調(diào) 查，發(fā)現(xiàn)該軸實(shí)際生產(chǎn)時(shí)與設(shè)計(jì)有較大的出入，采用35采用 30們對材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分、機(jī)械性能等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)，并列表與設(shè)計(jì)中采用的材質(zhì)進(jìn)行了對比， 表 材料化學(xué)成分 (%) 成分 材料 C i o 30設(shè)計(jì)） 5實(shí)物） 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 表 材料的機(jī)械性能 項(xiàng) 材 目 料 力 學(xué) 性 能 抗拉強(qiáng)度 b（ 屈服點(diǎn) s（ 伸長率 s（ %） 斷面收縮率 （ %） 沖擊韌度 k（ J/ 30設(shè)計(jì)） 930 785 12 50 80 35實(shí)物） 980 835 12 45 80 由上表可知 :設(shè)計(jì) 中該軸采用 30該軸生產(chǎn)時(shí)實(shí)際采用 35用 30過軸的能譜分析，實(shí)際材質(zhì)基本合格，但在加工和熱處理后是否滿足設(shè)計(jì)要求有待研究。 動(dòng)機(jī)的微觀分析 在對某廠 60因疲勞斷裂的電機(jī)軸進(jìn)行金相組織分析中，從 圖 1 軸心部位金相組織 75 圖 2 軸表層金相組織 75 軸心部位金相組織（圖 1所示）和軸表層金相組織（圖 2所示）照片分析表明，該軸形成了沿圓周分布的環(huán)狀裂紋，在循環(huán)的交變應(yīng)力作用下，該部位形成連續(xù)的沿周 向分布的環(huán)狀裂紋，進(jìn)而裂紋區(qū)擴(kuò)大，最后整個(gè)軸斷裂，造成事故， 小結(jié) 1由該軸材質(zhì)的材料化學(xué)成分分析報(bào)告表明合格。 2由該軸材料的機(jī)械性能結(jié)果可知，材料的機(jī)械性能合格。 3由斷軸的金相分析結(jié)果得出，該軸材料的金相組織合格。 4由掃描電鏡可看出，試件內(nèi)部存在解理斷裂和沿晶斷裂 ,說明選材不當(dāng) , 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 此自卸車上拐軸的材料為 30能用 35料 (30體調(diào)質(zhì) )代替，實(shí)際中采用 30火工藝使該處的缺陷成為了裂紋源，因而發(fā)生脆性斷裂破壞，這也就是拐軸斷裂的主要原因之一，原 因如下 : （ 1） 由于該大型軸的階梯截面部位的較大幾何形狀因素，使工件局部截面冷卻速度急劇變化，截面小的部位在淬火時(shí)先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后截面粗的部位發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，在截面粗細(xì)交界處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，因而在大型軸階梯截面部位出現(xiàn)淬火裂紋。 35o 鋼對裂紋十分敏感，在外力作用下發(fā)生低應(yīng)力斷裂。 （ 2） 該大型軸屬于淬不透的大型軸，在其階梯截面部位內(nèi)部有冶金缺陷（白點(diǎn)、夾雜、疏松、縮孔殘余等），這些缺陷破壞了工件的連續(xù)性，在淬火應(yīng)力作用下這些缺陷成為產(chǎn)生裂紋的起源點(diǎn)。在產(chǎn)生裂紋的工件中發(fā)現(xiàn) 有白點(diǎn)，這是由于在殘余應(yīng)力作用下，氫含量過高并向應(yīng)力集中處擴(kuò)散，產(chǎn)生氫脆開裂。這主要是由于淬火操作不當(dāng)或回火不及時(shí)致使工件中存在過大的殘余應(yīng)力所致。 （ 3） 35中淬透性鋼，淬火加高溫回火處理能獲得優(yōu)良機(jī)械性能的回火索氏體組織。該鋼材的淬透性比較好，應(yīng)采用較慢的冷卻速度淬火，一般用油淬，以避免出現(xiàn)熱處理缺陷（ 35質(zhì)工藝 850 860油淬、 540回火； 30860 870水淬、 540回火）。由于該軸采用 35采用了 30體調(diào)質(zhì)工藝，使 該軸冷卻速度較大，再加上該軸截面急劇變化部位溫差較大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。 注：冷卻介質(zhì)的冷卻能力越大，材料的冷卻速度越大，越容易超過該材料的臨界淬火溫度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深，但是，冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易于使工件產(chǎn)生變形或開裂。 水的冷卻特性很不理想，在需要快冷 650 400區(qū)間，其冷卻速度很小，不超過 200 /s。而在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又很大，在340最大冷卻速度高達(dá) 775 /s，很容易造成淬火工件的變形或開裂。水溫升高，高溫區(qū)冷卻速度顯著下降，而低 溫區(qū)的冷卻速度仍然很高，適用于尺寸不大、形狀簡單的碳鋼淬火。其次，由于蒸汽膜階段會延長很長，隨著淬火水溫的升高，買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 助長了蒸汽膜的停留時(shí)間，使階段延長，造成硬度不變。 油的主要優(yōu)點(diǎn)是在低溫區(qū)的冷卻速度比水小很多，從而可大大降低淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形或開裂的傾向。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 第 3 章 輸出軸的有限元分析 及優(yōu)化設(shè)計(jì) 有限元分析采用的軟件為 是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用 件，它由總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡 1970年由 士創(chuàng)建而成的，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航空航天、汽車交通、電子、土木工程、水利、鐵道、日用家電、生物醫(yī)學(xué)等眾工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究。 本文所做的內(nèi)容是關(guān)于軸斷裂失效問題，發(fā)生斷裂失效的軸件中有 80%屬疲勞斷裂，疲勞斷裂的原因主要是應(yīng)力集中，應(yīng)力集中往往又出現(xiàn)在軸結(jié)構(gòu)中軸徑變化大的地方（如越程槽、卸載槽等、階梯過渡處和軸肩），所以很有必要對軸結(jié)構(gòu)（特別是軸徑變化大的部位）進(jìn)行應(yīng)力分析。為此，我們利用 件對實(shí)際軸和圖紙上的設(shè)計(jì)軸進(jìn)行應(yīng)力 、位移情況進(jìn)行比較和研究，能較合理的分析出斷軸的原因，并在此經(jīng)常上再利用 不但能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，而且可提供一套較完整的關(guān)于軸的有限元失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)參考，具有很高的實(shí)用價(jià)值。 通過對斷軸的實(shí)際幾何尺寸的測繪，我們得到以下電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)如圖 電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)主要由若干塊（ 6板焊接在主軸上組合而成，硅片和線圈繞在肋板上，利用磁場產(chǎn)生電流來工作。在電機(jī)的工作中，肋板和軸的結(jié)合處由于電磁力的周期作用出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，加上軸的常規(guī)設(shè)計(jì)和 一般的工藝缺陷，會產(chǎn)生了疲勞裂紋，最終導(dǎo)致了零件的斷裂失效。 建模 利用 出階梯軸零件圖，如下圖 在 建模中，由于要進(jìn)行有限元分析，為減少小尺寸的影響，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，減速器軸的實(shí)際受力過程是不斷運(yùn)動(dòng)的，為便于分析起見，在受力等效的原則下，通過施加約束轉(zhuǎn)化為一個(gè)靜力分析模型。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 圖 主軸零件圖的建模 圖 肋板的建模 圖 焊縫的建模 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 圖 電機(jī)軸的建模 析 格劃分 本文采用 中電機(jī)軸的建模調(diào)入其中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在有限元的劃分上，采用了 元來劃分網(wǎng)格，利用分層和多次剖切的方法，將全軸用映射網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時(shí)特意將軸肩處劃的較密，這樣既采用了形態(tài)較好的六面體網(wǎng)格，又使網(wǎng)格疏密有致，保證了較高的計(jì)算精度。 劃分的結(jié)果如下圖 載求解 施加載荷的大小是以材料的屈服強(qiáng)度為依據(jù)，取試件的屈服強(qiáng)度計(jì)算值的80%為施加的載荷，具體的計(jì)算如下： N = s A 80% N：施加的載荷； s ：材料的抗拉強(qiáng)度； A：試件的橫截面積。 35 s = 835得： N=90噸，即在加載面積上的應(yīng)施加的 F=90噸。 看求解結(jié)果 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 力分布 圖 達(dá)了該軸的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力的位置和數(shù)值。從圖中我們更清楚的看出軸節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大位置在圓圈中 即拐軸的連接處，最大值為 a） 節(jié)點(diǎn)受 力圖及放大圖圖片 b） 單元受力圖（橫向）及放大圖圖片 C） 單元受力圖（側(cè)向）及放大圖圖片 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 從應(yīng)力最集中處可以看到與實(shí)際斷裂處一致，說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符?；旧峡梢哉J(rèn)為肋板與軸的結(jié)合處的形狀轉(zhuǎn)折過大，容易造成應(yīng)力集中。因此應(yīng)該選擇過渡曲線平滑的形狀，并焊透以抵抗抵抗應(yīng)力的強(qiáng)度 。 機(jī)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì) 仍然采用 件進(jìn)行軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對所做的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證，達(dá)到減少應(yīng)力集中，提高零件及設(shè)備的使用壽命。 立目標(biāo)函數(shù) 經(jīng)過對 實(shí)際軸和設(shè)計(jì)軸的分析，可以應(yīng)力最大主要是發(fā)生在軸端連接處，在保證其它的基本尺寸不變的情況下，對連接處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用有限元的方法在加載和約束等條件不變的情況下，對它進(jìn)行分析，達(dá)到減小最大應(yīng)力，消除應(yīng)力集中，符合工況要求。 進(jìn)后軸結(jié)構(gòu) 在軸端連接處用 下圖 且在加工過程中不能出現(xiàn)圓弧溝等加工刀痕，消除由于加工的原因而增加斷裂的因素。 圖 優(yōu)化后的肋板零件圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 20 圖 改進(jìn)之后的裝配圖 改進(jìn)模型的有限元分析 按以上同樣的約束條件 ,同樣的加載大小和方式 ,通過 件處理 ,得到以下結(jié)果 (圖 。 a） 單元受力情況圖 b） 應(yīng)力分布圖 圖 改進(jìn)模型的 應(yīng)力分布圖 從圖 軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以后，在應(yīng)力分布最大處，應(yīng)力過渡平穩(wěn)，用新的零件將應(yīng)力最大值從 低到 符合使用應(yīng)力?？梢钥闯鲈趦?yōu)化之后應(yīng)力集中的狀況有了非常大的改善。所以優(yōu)化設(shè)計(jì)是 成功的。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 21 結(jié) 在上述兩種情況的比較中可以看出，最大應(yīng)力均發(fā)生在軸肩附近，說明該處有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，是斷裂最先發(fā)生區(qū)，這與兩斷軸均在該處斷開、裂紋擴(kuò)展連線最長這一現(xiàn)象是一致的。 結(jié)論 通過電機(jī)軸材料的宏觀、微觀、斷口、力學(xué)性能、有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究得出以下結(jié)論： 1結(jié)論 （ 1） 由斷軸材料化學(xué)成分分析報(bào)告、機(jī)械性能結(jié)果及金相實(shí)驗(yàn)報(bào)告表明，該材質(zhì)的成分和機(jī)械性能合格，整個(gè)斷口新鮮，無氧化和腐蝕現(xiàn)象，沒有塑性變形痕跡，說明裂紋從產(chǎn)生到斷裂是有較短的時(shí)間內(nèi)完成的，可斷定該軸裂紋為典型的脆 性斷裂特征。 （ 2）選材中采用 3530替了設(shè)計(jì)中的 30料，使軸根部在采用 30火工藝中出現(xiàn)缺陷成為了裂紋源，這就是發(fā)生脆性斷裂的主要原因之一。雖然 35o（ 30化學(xué)成分和機(jī)械性能方面基本達(dá)到要求，但在實(shí)際的制作上，以水淬代替了油淬，增大了軸冷卻速度，加上淬火操作不當(dāng)或回火不及時(shí)致使工件中存在過大的殘余應(yīng)力，在該軸截面急劇變化部位產(chǎn)生了較大的溫差，引起較大的熱應(yīng)力。裂紋的產(chǎn)生主要是以下過程：起源點(diǎn)（階梯截面部位的冶金缺陷） 淬火裂紋 氫脆開裂（氫含量過高） 應(yīng)力集中處 脆性斷裂。 （ 3） 軸結(jié)構(gòu)上由于有一道半徑約為 1的存在使該位置變成了危險(xiǎn)截面，即為軸斷裂的地方。由該軸的應(yīng)力和位移分布狀態(tài)的力學(xué)分析報(bào)告中得知，應(yīng)力和位移在此處最大，超過正常情況很多。 （ 4）利用 限元分析軟件對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在軸端連接處用 果表明，應(yīng)力的最大值由原來的 力集中在優(yōu)化后減小了接近 58%。此值與理論值 果可信，符合工況要求。