行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进张学瑞
减速器的故障分析与改进方法探析
科技创新31产 城减速器的故障分析与改进方法探析张利辉重庆大唐国际石柱发电有限责任公司，重庆409106摘要：减速器在机械设备中占有重要位置，不仅可以起到传递运动的作用，也可以传递动力，其运行的性能对机械设备整体稳定性与安全性会产生直接影响，一旦相关的减速器发生故障问题，将会导致机械设备不能正常运行。
在此情况下，应该强化减速器的故障分析，有效进行改进处理，确保减速器的正常运行，满足当前的减速器应用需求。
关键词：减速器；故障分析；改进方法目前在减速器实际应用的过程中，受到诸多因素的影响经常会出现故障问题，不能保证运行的稳定性。
这就需要在减速器实际应用的过程中，按照减速器的故障类型与特点，有效开展相关的改进工作，降低减速器的故障发生率，延长使用寿命。
一、减速器的故障分析（一）齿轮与轴承部分的故障问题减速器中齿轮属于非常重要的零部件，故障发生率也很高，属于整体设备中故障发生率最高的部分。
一般情况下，减速器在实际使用期间，是利用齿轮相互之间的运行传递动力，在此期间齿轮会承受一定应力，如若齿轮的强度不符合要求，韧度不能达到设计标准，就很容易出现裂纹现象与磨损现象，甚至会有断齿的问题，对整体系统运行的安全性会造成不利影响；减速器实际运行期间，轴承具有重要作用，但是，轴承在运行期间不能直接用肉眼观察到故障问题。
一般情况下，轴承受到负载因素与偏心力因素的影响，会承受一定的应力，在时间延长的情况下，应力不断累积，最后会导致轴承受到一定损伤，其中的齿轮也会呈现不规则运行的状态，导致传动的效率降低，甚至导致设备严重损坏。
（二）润滑油泄露方面的故障问题为确保减速器齿轮正常运行，需要保证润滑油的及时供应，起到一定的润滑作用，减少齿轮相互之间咬合过程中出现的摩擦热量。
然而，在减速器实际使用期间，由于密封性能较低，很容易有润滑油泄露的现象，在泄露问题发生之后，润滑油的数量会随之减少，不能为齿轮的咬合提供润滑作用，导致齿轮的磨损程度增加，甚至会对其强度造成不利影响，长此以往，会导致相关的减速器系统不能正常使用。
图解减速机高速轴断裂的5个原因分析及7个预防措施
图解减速机高速轴断裂的5个原因分析及7个预防措施在生产实践经验得知，硬齿面减速机高速轴很容易发生断裂，如某国外减速机的高速轴经常在两处发生断裂：图1 减速机高速轴断裂实例一处在联轴器同高速轴的配合端面部位：图2 断轴A另一处在轴承同轴的配合端面部位：图3 断轴B1. 减速机高速轴断裂原因图4 断轴A的断口这是高速轴断裂的A断口形貌，从图中可以看到疲劳源位于键槽底部的尖角处。
断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区，高速轴是典型的疲劳断裂。
图5 断轴B的断口这是高速轴断裂的B断口形貌,这也是一个疲劳断裂断口，静断区很小，说明轴中的名义应力并不大。
断裂轴的断口特征：•断口是疲劳断口，轴是疲劳断裂。
•轴的断裂部位大部分正好位于联轴器与轴过盈配合的边缘处。
•最早的疲劳裂纹大都发生在平键键槽的尖角处或过渡圆角处。
•轴的断口垂直于轴的轴线，基本上是一种高强度钢弯曲扭转型断口。
正常情况下，减速机高速轴通常仅承受转矩作用。
对以往多次断轴案例进行疲劳强度计算结果表明，疲劳强度安全系数通常可达2以上，高速轴应该是安全的，轴不可能断裂。
经检查轴的材料、热处理质量也都符合技术要求。
但是，高速轴还是经常断裂，可以说是减速机的多发病了！原因一：键槽的应力集中观察很多带键槽的断轴断口，可以看到最早的疲劳裂纹往往发生在平键键槽尖角处，很明显键槽的应力集中和轴的截面面积减小影响了轴的强度。
特别是键槽底部的圆角r（图6）对应力集中的影响很大。
图中所示是某矿用减速机高速轴的键槽，键槽底部的圆角r就很小，加大了键槽的应力集中。
图6 带键槽的断轴断口轴受纯扭转时，键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ见图7所示。
当轴的抗拉强度Rm=900MPa时，键槽的有效应力集中系数Kτ=2。
因此键槽对轴的削弱是很大的。
图7 过盈连接的应力集中和接触应力分布原因二：联轴器同轴的过盈配合当轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘处，过盈配合对轴的强度影响很大。
减速机齿轮轴断裂分析
１ 引 言
减 速机 的齿轮轴结构是机械设备 中常见 的重 要设备 ， 它本身设计的合理 与否影 响到整个设备 的
安 全 运 行 。某 减 速 机 上 的 齿 轮 轴 ，材 料 牌 号 为
１ ８ Ｃ ｒ Ｎ ｉ Ｍｏ ７ — ６ 。 齿 轮 轴 的 生 产 工 艺 为 ：加 工 一 渗 碳一 淬 火一 磨齿 一 精加 工 。 该齿 轮轴 在 今年 ３月份 安装 、 调试 、 运行 ， １ ０月份 发生 开 裂 。通 过综 合分 析 该 轴断 裂 的基本 原 因 ， 从 而 采取 改善 措施 。
减速机齿轮轴断裂分析
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ６ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ － １ １ ０ Ｘ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ２ ． ０ １ ０
减 速 机 齿 轮轴 断裂 分 析
丁 贤模
Байду номын сангаас
（ 西 门子 机械 传 动 （ 天津） 有 限公 司 ， 天津 ， ３ ０ ０ ４ ０ ０ ）
ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ． Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｒ ｆ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ｅ ｄ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｔ ｋ ｅ ｙ ｗ ａ ｙ
［ 摘 要】 针对减速机齿 轮轴发生断裂现象 ， 采用化学成分分析 、 断 口分析 、 金相检验和力学性能测试对其 原因进行
了分析。结果表 明， 裂纹起源于键槽棱 边应 力集 中处 ， 向内疲劳扩展至断裂 ； 棱边形状尖锐 ， 弯曲应力集 中较 为严重 ，
减速机输入轴断裂失效分析
减速机输入轴断裂失效分析摘要：为了查明某化工生产装置的减速机断轴原因，利用扫描电镜和金相显微镜，对失效试件进行了检测分析。
结果表明，减速机输入轴断裂失效性质为机械疲劳，轴金相组织带状偏析和表面未经过渗碳强化处理以及装配因素导致疲劳交变应力是导致轴断裂的主要因素。
采取了相应措施消除了安全隐患。
关键词：减速机；轴；断裂；失效分析皮带送料装置在热电厂的煤粉投送中应用广泛[1-3]。
2018年9月，某石化公司热电厂燃料车间，一台煤粉输送皮带装置的减速机发生了输入轴断裂。
减速机型号为B3SH10A31.5，德国西门子公司进口，输入轴转速1490rpm，输入轴通过液力耦合联轴器与驱动电机相连。
输入轴材质为18CrNiMo7-6（德国标准EN 10084-2008），中国牌号相当于17Cr2Ni2Mo合金钢[4]。
该减速机2018年8月安装，9月5日发生断裂，累计运行只有100小时左右。
为了查明减速机输入轴断裂的原因，针对断轴进行了各种检测和失效分析，以便采取相应的技术措施，消除类似的安全隐患。
1、断轴宏观检查分析图1 断轴的侧面形貌图2 断轴的断口形貌由图1可以看出，输入轴断裂的轴向位置在键槽的端部而非键的端部（二者间距约为3cm）。
断轴的键槽部位形貌显示键槽与键配合处基本完好，键槽的两侧无变形和损伤现象，说明键连接无受力过大的情况，即轴传递扭矩时无过载。
按照轴的受力状态分析，扭矩载荷作用在轴上的薄弱部位在键的端部，而弯矩载荷作用在轴上的薄弱部位在键槽的端部。
由此可以初步判断，扭矩不是造成轴断裂的唯一载荷因素，还有附加弯矩作用。
并且，在减速机运行时，无冲击情况下扭矩变化较小，不足以构成疲劳交变应力，而由于轴连接装配不当产生的附加弯矩在轴每转一圈就变化一次，具有明显的疲劳交变应力特征[5，6]。
由图2可以看出，轴的断口与轴线垂直，断口表面比较平整，基本无塑性变形，没有大面积撕裂痕迹，由此排除瞬间过载断裂的可能性。
减速机高速齿轮轴断裂失效分析
减速机高速齿轮轴断裂失效分析摘要：本文通过分析减速机高速轴位置的断口的宏观上的特性，及表面的金相组织，化学成分以及硬度等方面的物理性质加以观察和分析，同时进行相关的测试。
由实验所得数据结果显示出，减速机的高速轴并未按照图纸上的要求选用42crmo钢；在使用之前也没有按照所规定的进行调制处理。
由于键槽并未按照规定的位置设计以及原材料组织上的缺陷导致其发生早期断裂现象而导致最终失效。
关键词：高速轴；魏氏体组织；；断裂；失效中图分类号：tg115 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013）02-0151-01在某工厂二辊压机构中的减速机高速轴上线运行13天后出现了断裂的现象。
在之前给出的图纸样例中提到了，这个轴的制造图纸上对于原材料的要求是42crmo锻钢，硬度为270～300hb，调质热处理。
同时还要对端口位置的宏观上的形态，金相组织，物理性质如硬度以及化学成分等进行相应的观察和测试，进而为今后这类轴零件的生产量的提升，以及在具体应用时候的使用提供有效的理论参考。
进而防止断裂一类的事件发生。
一、对于检测结果的分析和研究（一）端口宏观相貌的观察结果。
轴同轴间的过渡和链接的位置是减速机高速轴发生断裂的最主要的地方。
此处直径大小发生突变，最为关键的是这是轴的直径最小的地方。
结构圆角的常见现象由于截面形状的变化以及轴间和轴的相交位置的几何关系处于垂直的状态而导致必将会出现的应力集中现象。
端口经常见到的形貌特点便是具有很高的脆性以及较为平整，例如一种极为常见的是扭转应力所导致的断裂口。
只有受力的地方才是裂纹出现的根源，及轴键槽的受力的一面。
应力的大小和半径的大小呈现反比的关系，也就是说半径较小的地方应力则很大。
半径最小的便是轴键槽的根部位置，在此处经常出现应力集中地现象从而承受很大的拉应力；如果不进行强化处理就会提高出现裂纹（这种裂纹是由于疲劳产生的），对于轴类具有很强的破坏性，出现提前失效，很大程度上减少了其寿命。
减速机齿轮轴断裂分析
减速机齿轮轴断裂分析丁贤模【摘要】针对减速机齿轮轴发生断裂现象,采用化学成分分析、断口分析、金相检验和力学性能测试对其原因进行了分析.结果表明,裂纹起源于键槽棱边应力集中处,向内疲劳扩展至断裂;棱边形状尖锐,弯曲应力集中较为严重,齿轮轴旋转时出现一定的弯矩载荷,棱边即能萌生裂纹源,引发疲劳断裂.分析结果为避免同类轴再次发生断裂提供了参考.【期刊名称】《天津冶金》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3页(P41-43)【关键词】齿轮轴;键槽;断口;疲劳断裂【作者】丁贤模【作者单位】西门子机械传动(天津)有限公司,天津,300400【正文语种】中文减速机的齿轮轴结构是机械设备中常见的重要设备，它本身设计的合理与否影响到整个设备的安全运行。
某减速机上的齿轮轴，材料牌号为18CrNiMo7-6。
齿轮轴的生产工艺为：加工→渗碳→淬火→磨齿→精加工。
该齿轮轴在今年3月份安装、调试、运行，10月份发生开裂。
通过综合分析该轴断裂的基本原因，从而采取改善措施。
齿轮轴的设计见图1，轮齿的左侧加工直径三级递减的轴，轴的中部加工键槽。
键槽处装配传动齿轮，键槽两侧的粗轴和细轴上分别装配轴承。
齿轮轴在变径处发生开裂，如图1红色方框所示位置，轴在开裂处发生相对转动后，键槽随之错开分离成两部分。
开裂面的左侧粗轴上的变截面边部残留键槽的半圆形端部，变截面的其他边缘向外翻卷变形，是键槽上装配的齿轮端面发生轴向窜动挤压所形成[1]；右侧细轴保留相对完整的矩形键槽，槽底面的中部高温受热泛蓝。
装配轴承的粗轴表面颜色发黑，积存油污，可观察到清晰的机加工痕迹，没有明显的磨损过热特征。
3.1材料化学成分分析从齿轮轴端部取样进行材料化学成分分析，结果见表1。
参考德国DIN-EN标准渗碳结构钢（DIN 17210）中18CrNiMo7-6的化学成分规范，齿轮轴材料的化学成分符合18CrNiMo7-6的成分规范要求。
3.2材料力学性能测试在齿轮轴端部、远离断口区域制取3个Φ5 mm棒状拉伸试样和3个冲击试样（尺寸为10 mm×10 mm×55 mm），进行室温拉伸和冲击试验，结果见表2。
桥式起重机减速器断轴故障分析
桥式起重机减速器断轴故障分析摘要：针对减速器频繁出现的事故，从操作的几种动作入手，进行受力分析，查找断轴原因。
关键词：减速器断轴受力某厂50/10吨桥式起重机大车在使用中频繁出现起动、制动、定位操作，减速器故障严重，在使用中对减速器故障进行统计表明：输出轴断占76.2%、机壳裂占20.5%、其它占4.3%，使用周期最短的尽有10余天。
为分析断轴原因，需对该起重机低速传动进行受力分析。
一、联轴器受力分析该起重机的大车运行机构采用分别驱动（图示一），由于在工作中频繁出现正反运转，特别是实现起动、定位试吊操作过程中，断轴现象时常发生。
因此，仅对起动瞬时、起动过程和定位试吊这些工况的主动轮输入端转矩进行分析。
1、起动瞬时输入端转矩起重机受电动机传递的驱动转矩后运行，当车轮处于开始滚动时的临界状态时，车轮与钢轨接触处除有法向力、静滑动摩擦力外，还有滚动摩擦阻力偶的作用。
起重机的受力见图二所示。
列出平衡方程：FZ－FC＝0 （1）NZ＋NC－G＝0 （2）式中FZ 主动车轮静滑动摩擦力FC 从动车轮静滑动摩擦力NZ 主动车轮法向反力NC 从动车轮法向反力G 起重机满载时总起重量再分别对2车轮中心取转矩，列出平衡方程为FZR＋MZ－Tmin=0 （3）MC－FCR＝0 （4）式中MC 从动车轮滚动动摩擦阻力力偶MZ 主动车轮滚动动摩擦阻力力偶Tmin 临界状态，主动轮输入端最小转矩R 车轮半径，R＝400mm另外由于车轮处于临界状态平衡，故滚动摩擦阻力达到最大值，根据滚动摩擦阻力定律，可列出平衡方程MZ＝ｆＮＺ（5）MC＝ｆＮc （6）式中ｆ滚动摩擦阻力系数综合以上各式，可得Tmin＝ｆG，由〔1〕可查出ｆ＝0.09 cm。
当起重机满载时G＝G0（吊索具自重）＋G1（载荷），G0＝4.95 t，G1＝48t，故可计算求得Tmin＝467.019N·m2、起动过程主动轮输入端转矩起重机起动过程中，取起动时间tq=7.0s应达到最大运行速度v max = 76.84m/min。
减速机零件断裂的原因分析
减速机零件断裂的原因分析最常见的减速机零件断裂是转轴的静扭转断裂。
断口的宏观分析是指直接由人的视觉，或者借助放大镜观察零件断口的特征，根据这些特征，定性地判断零件发生断裂故障的原因，从而为排除故障运行的维修设计提供重要依据。
一、断口宏观分析的作用区分零件的断裂是由于一次加载引起的，还是疲劳引起的。
当加载速度增大时，辐射状区的面积就会扩大。
第二个区域称为辐射状区，是裂纹迅速扩展的部位。
在常温下，断口的三区域比例受零件的材料、加载速度以及形状等因素影响。
当零件材料的脆性比较大时，则辐射状区的面积就比较大。
减速机突发性故障分析减速机突发性故障是指那些发展速度快，带有突变性质的故障。
由断口宏观特征分析零件的断裂原因：断口是指零件断裂后形成的自然表面。
它的特点是发生突然，没有明显的、长期的发展过程及其伴随而生的征兆，难以通过状态监测进行预报，无法用一定的规律描述或反映故障的发展过程。
（1）在转轴的外表面处同时产生多少疲劳源。
当零件的外周有缺口存在时，破坏则从外周开始，断口的外周产生纤维状区，并向内侧放射，形成辐射状区，最后破坏区是在零件的中心部位。
包括静拉伸，静压缩，静弯曲，静扭转，静剪切，高温蠕变和一次冲击断裂等。
尤其对于普通机械设备来说，疲劳裂纹难于监测，最后的断裂带有突发性，因此作为突发性故障分析比较合适。
（2）判断零件断裂的原因。
断口的区域性特征零件一次加载断裂的断口与疲劳断裂的断口相比较，具有明显粗糙的特点，并且可以划分为三个区域。
以常见的运动障碍、转轴断裂和漏油三种表现形态为例，来说明减速机突发性故障的一般分析方法。
因此，对于加载速度很大的冲击断口，常常可以看到以辐射状区为主的人字形花纹。
二、零件一次加载断裂的断口特征零件一次加载断裂是指零件在缓慢递增的或恒定的载荷作用下，或者在一次冲击能量作用下发生断裂的现象。
纤维状区和切变唇区属于韧性断裂，辐射状区属于脆性断裂。
三、减速机轴的旋转弯曲疲劳断裂的断口特征旋转弯曲疲劳断裂是转轴最常见的破坏形式。
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Reason of Rupture and Amelioration of Structural with Output Shaft of Trodden Retarder
ZHANG Xue-rui （Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan 030006, China）
Abstract： The paper introduces phenomenon of rupture of trodden retarder’s output shaft at load test. Through analyzing configuration of fracture sample and gathering test data to find reason of destruction. The carrying capacity of output shaft can be improved by overstriking diameter of axle or aggrandizing loaded section modulus in reason structure. Key words： trodden retarder； output shaft； section modulus
输出扭矩为－1 344 Nm，如表 3。
表 3 试验记录数据
输入扭矩 /Nm -23 -21 -23 -20 -21
输入速度 /r·min-1
-367 -360
0 0 0
输出扭矩 /Nm -11 -13 -1344 -17 -12
输出速度 /r·m 234
因此可以判定输出轴的断裂是由于瞬间的大
图 2 金相分析 通过对本体截面试样进行金相分析，其组织为 回火索氏体，热处理调质工艺符合要求。
（3）断裂原因分析
通过对断裂本体试样的理化分析，得出输出轴
的选材及热处理工艺均符合设计要求，在进一步分
析试验记录数据时发现在试验系统发生故障再启
动时， 扭矩传感器记录的扭矩要比设计值大 3 倍，
图 1 断裂状态图
化学成份符合 GB/T 3077-1999,化学成份合格。 扭矩造成的，待重新加工输出轴、调整试验系统后， 193
Vol.34 No.01
行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进— ——张学瑞
第 34 卷第 01 期
准110 准108
准100 准100
后期的加载试验很正常，甚至 125％的超载 1 h 试验 结束后输出轴仍工作正常。 从而验证了设计的安全 系数，也验证了整个减速器的可靠性。 2 结构改进
式中 d— ——花键齿根圆直径 cm； D— ——花键顶圆直径 cm； z— ——花键齿数； b— ——分度圆上的齿厚，cm。
依据以上截面模量的计算公式，求得齿数分别 为 24 和 26 时的花键轴截面模量
第 34 卷第 01 期 2013 年 01 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.34No.01 Jan. 2013
行走减速器输出轴断裂原因分析及结构改进
张学瑞 （中国煤炭科工集团 太原研究院， 太原 030006）
摘 要： 介绍行走减速器在加载试验时出现的输出轴断裂现象。 通过对断裂本体试样理化分 析和试验数据的采集，找出断裂的根本原因。 验证在结构合理的前提下，可以通过加粗轴径、增大 受载截面模量来提高输出轴的承载能力。
0 前言 行走减速器是履带行走式煤矿设备的核心部
件。 输出轴作为行走减速器中的主要传动零件，通 过安装在输出轴上的链轮驱动履带板实现整机的 调动， 输出轴强度对整个减速器的寿命影响较大。 井下工作面工作环境要求行走减速器必须有较高
表 2 本体横截面打硬度 HRC
第1次 第2次
距表面 10 mm 33.5 32.5 32 31
（1）原结构说明 原断裂处设计如图 3 所示 ， 断裂部位为 准100 圆柱面的根部（A-A 截面）处。
A
A
图 3 原设计图
准100 圆柱面花键设计齿数为 24， 模数为 4，压 力角为 30°，精度等级为 5 级的渐开线外花键。
（2）改进后设计 改进后设计如图 4 所示，改进原则为加大花键 处的轴径，从而缩小与 准110 圆柱面的台阶差，同时 2 个圆柱面的接合处选择合适的圆角过渡， 减少机 加工造成的应力集中。
距表面 20 mm 30.5 32 33 32
距表面 30 mm 31 32 30 31
中心 硬度 31 30 32 31
调质后硬度工艺要求为 HB280～320，符合工艺
要求。
的可靠性， 减速器设计加工完成后做加载试验时，
出现了输出轴的断裂现象。
1 输出轴断裂原因分析
（1）输出轴断裂状态
在试验过程中，前期的空载试验及 25％的加载 试验都 很正常，试 验 到 50％加 载 试 验 过 程 中 ，试 验 系统突然出现故障，待故障解除重新启动试验系统 后发生了输出轴的断裂现象（见图 1）。
（2）断裂本体试样理化分析
对断裂后的试样分别进行了直读光谱分析化
学成份（见表 1）、本体横截面打硬度（见表 2）及本
体试样金相分析（见图 2）3 项工作。
表 1 化学成分
材料成份 C Si Mn P
S Cr Ni Mo V
百分比% 0.47 0.323 0.662 0.017 0.002 7 1.01 1.37 0.218 0.146
R1
图 4 改进设计图
将花键齿数增加到 26，模数保持不变时齿顶圆 直径为 准108， 在 2 个圆柱面的接合处有 R1 的圆角 过渡。
（3）改进前后截面强度比较 根据轴的弯扭合成强度计算公式，轴所承受应力
σ= Md Z
式中 Md— ——轴所承受的当量弯矩； Z— ——截面模量。
依据参考文献查得花键轴的截面模量 Z＝ πd4＋bz（D－d）（D+d）2 32D