2175 TGSS-50型刮板傳輸機(jī)

2175 TGSS-50型刮板傳輸機(jī),tgss,50,型刮板,傳輸 電梯傳動(dòng)軸的失效分析摘 要在這項(xiàng)研究中對電梯傳動(dòng)軸進(jìn)行詳細(xì)失效分析。本文測量了故障發(fā)生在軸的鍵槽上。軸的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、化學(xué)特性。通過對斷裂面的觀察可以得到這樣的結(jié)論由于扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞的存在使其易于發(fā)生疲勞破壞。疲勞裂紋已開始形成在鍵槽邊緣?？紤]電梯和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以測得作用于軸上的力和扭矩; 可以計(jì)算發(fā)生在斷裂面上的應(yīng)力。利用有限元法（ FEM ）可以進(jìn)行應(yīng)力分析并能和計(jì)算值進(jìn)行比較。通過分析耐力極限和疲勞安全系數(shù)，可以估計(jì)軸疲勞周期。通過對失效的原因進(jìn)行分析并得出結(jié)論，斷裂發(fā)生是由于設(shè)計(jì)或制造的鍵槽時(shí)存在失誤（鍵槽倒角過小，造成高缺口效應(yīng)） 。利用有限元分析曲率半徑變化對應(yīng)力分布的影響以及采取防范措施以防止類似的失效再次發(fā)生。關(guān)鍵詞:傳動(dòng)軸 電梯 失效分析 缺口效應(yīng) 有限元法1 .前言本文電梯傳動(dòng)軸的工作年限為 30 年。電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是安裝在建筑物的底部（圖 1 ） 。據(jù)報(bào)道，驅(qū)動(dòng)軸工作年限內(nèi)不需要進(jìn)行維修。電梯被用于 8 層到16 層的建筑物中。電梯有 4 人（ 320 公斤）的能力。不久前發(fā)生的意外，由于聯(lián)接滑輪和電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸突然斷裂，從而導(dǎo)致解體的引擎系統(tǒng)的失敗，兩個(gè)人正準(zhǔn)備離開電梯，由于平衡塊的重量電梯解除了巨大的向上的加速度，因此意外中這兩個(gè)人沒有人受傷。2 .電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析在分析電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，可以得出這樣的結(jié)論：電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩是由蝸輪傳遞給軸的。運(yùn)行功率是 6.5HP，轉(zhuǎn)速是 1500 轉(zhuǎn)每分，蝸輪降速比是%28.6。軸和滑輪是通過鍵連接。四個(gè)主要的電梯繩放在滑輪上并且傳動(dòng)軸和滑輪能在兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電梯上升和下降。 工作速度是 0.6 米/秒。 （圖 2 ） 圖 1：建筑物內(nèi)的電梯系統(tǒng)圖 2 ：電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.視覺調(diào)查斷口經(jīng)過初級視覺的調(diào)查結(jié)果表明斷裂發(fā)生在滑輪和軸配合的鍵槽上（見圖 3 ）分析斷口處的表面（圖 4 ） ，可以發(fā)現(xiàn)典型的扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特性 [1 ] 。疲勞裂紋開始是在鍵槽的倒角處，然后移動(dòng)到幾乎沿整個(gè)表面。小面積的脆性斷裂表面的應(yīng)力較小。脆性斷裂地區(qū)附近發(fā)現(xiàn)了唯一的疲勞線。這可能是由于兩個(gè)彼此分開的表面間相互摩擦，導(dǎo)致已形成的疲勞線消失。4 .材料的性能由于沒有軸材料化學(xué)成分的的信息，所以在第一次實(shí)驗(yàn)中對軸材料鑒定就失敗了。這就要求要確定軸的材料、化學(xué)和力學(xué)性能以及對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖 3 :失效軸圖 4：斷口4.1 化學(xué)分析對材料進(jìn)行了原子吸收光譜的化學(xué)分析，并在表 1 中顯示 。4.2 微觀結(jié)構(gòu) 該材料的主要組織是在顯微鏡下用 2 ％ Nitral 蝕刻，鉆石拋光的解決方案進(jìn)行觀察（如圖 5）可以清楚地看到鐵素體，珠光體和細(xì)晶體結(jié)構(gòu)。4.3 力學(xué)性能對拉伸強(qiáng)度和硬度進(jìn)行了測試，以確定其力學(xué)性能，其中從表 2 中可以看出。通過對其機(jī)械、化學(xué)性能的顯微分析結(jié)果，估計(jì)軸材料應(yīng)該是 St52.0.按照德國國家標(biāo)準(zhǔn) DIN 1629 [ 2 ]從其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，伸長率和硬度值來看最接近于 St52.0 類材料.軸的化學(xué)成分 (表 1)圖 5 軸材料的微觀結(jié)構(gòu)軸的力學(xué)性能（表 2）屈服強(qiáng)度(Mpa) 抗拉強(qiáng)度（Mpa） 斷裂伸長率（%） 硬度值（BHN）339 569 18 1655 .應(yīng)力分析通過應(yīng)力分析知，最小和最大正應(yīng)力和剪切應(yīng)力值發(fā)生在操作過程中斷口處。開始，作用在軸上的強(qiáng)度和扭矩被確定。通過最低應(yīng)力值的分析，僅僅考慮只有 420 公斤空艙的重量和 580 公斤的配重。在這種情況下，作用力在斷裂表面上引起了 437.4 牛頓米的彎矩，產(chǎn)生了 20.6 兆帕的正應(yīng)力 ，由于空艙載荷，繩索和平衡重的原因產(chǎn)生了一個(gè) 3.5 兆帕的剪切力。通過對最大應(yīng)力值的分析，此時(shí)平衡塊，空艙體重與機(jī)艙內(nèi) 4 人（每人 80 公斤加上機(jī)艙，總重量為740 千克），扭矩和沖擊率需要考慮。在這種情況下， 大小為 571 牛頓米彎矩在斷口的地方產(chǎn)生正應(yīng)力值為 27 兆帕。由于剪切力 ，造成 4.7 兆帕剪應(yīng)力值。功率為 6.5HP 的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是 1500 轉(zhuǎn)每分，蝸輪的轉(zhuǎn)化率是 28.6%和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率（由于蝸輪裝置）是 0.7 。考慮到這些參數(shù)，扭矩計(jì)算值為 887.7牛頓米，總剪應(yīng)力的值是在 25.7 兆帕的情況下計(jì)算得到的。用視覺檢查可以發(fā)現(xiàn)從鍵槽底部到鍵槽邊緣的過渡幾乎成沒有倒角的垂直狀。（圖 6 ）理論性上曲率半徑不為零，它只能達(dá)精度為 0.4 毫米的高銑削精度 [ 3 ] 。因此，通過計(jì)算曲率半徑值采取 0.4 毫米，則會(huì)造成一個(gè)巨大的缺口效應(yīng)。缺口效應(yīng)的理論分析使用有關(guān)表[ 4 ] 。剪缺口的影響確定為 2.93 和彎曲切口影響確定為 2.72 ?？紤]幾何因素和軸的材料，疲勞缺口系數(shù)（ ）的軸計(jì)算?公式為[ 4 ] 圖 6 失效軸和斷口其中 是缺口敏感因子，其值是 0.85 [ 4 ] 。為了均衡，（ 1 ）剪切疲?勞缺口因數(shù)計(jì)算值為 2.64 和正應(yīng)力疲勞缺口因數(shù)（ ）計(jì)算值為 2.46 。影N?響比例系數(shù)為 1.2 。考慮剪切和疲勞強(qiáng)調(diào)的影響，其應(yīng)力的計(jì)算： [ 5 ]5.1 疲勞強(qiáng)度的分析軸的材料疲勞強(qiáng)度，計(jì)算公式為[ 6 ]考慮直徑 60 毫米的因素， 和表面因素(良好拋光)， ；7.0?DK95.0?sK新的耐力極限的計(jì)算公式為：我們在計(jì)算之前知道，平均應(yīng)力值不為零。要確定耐力極限，我們必須知道，或者至少估計(jì)一下。為了計(jì)算，我們必須及時(shí)考慮發(fā)生在斷面應(yīng)力值的變化。這項(xiàng)是相當(dāng)困難的。在做計(jì)算之前，我們需要計(jì)算最大和最小應(yīng)力值。最小應(yīng)力值發(fā)生在空艙和固定位置（速度是零） ，并且沒有加速。最大應(yīng)力值發(fā)生在電梯加速時(shí)和有 4 人（每個(gè)人都是假定為 80 公斤）的客艙內(nèi)。但是，在實(shí)際中，客艙內(nèi)并不總是最多運(yùn)送的人數(shù)（ 4 名） 。因此，變幅應(yīng)力發(fā)生在斷口視客艙內(nèi)人數(shù)的多少來定（圖 7 ）。每個(gè)最低峰值時(shí)的應(yīng)力值表明，在斷口的時(shí)候電梯不動(dòng)，是空的，每個(gè)最大峰值應(yīng)力值表明，斷口發(fā)生的時(shí)候，需要考慮加速。 計(jì)算平均應(yīng)力值，我們必須轉(zhuǎn)變''變幅應(yīng)力“到''恒幅應(yīng)力”，假設(shè)總是最大應(yīng)力發(fā)生在斷口（總是載 4 人） 。根據(jù)這一假設(shè)，應(yīng)力值的變化隨時(shí)間變化可知圖 8 。在這種情況下，平均應(yīng)力值為 108 兆帕。考慮平均應(yīng)力值，然后計(jì)算耐力極限。通過分析，Goodman 標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)同和修正耐力極限的計(jì)算公式如下（圖 9 ）考慮修正耐力極限和等效應(yīng)力，斷裂安全因數(shù)計(jì)算公式為5.2 疲勞壽命分析從（ 6 ）可以看出，疲勞安全系數(shù)是非常低的（ 。如果需要對疲)05.1??勞壽命進(jìn)行詳細(xì)的分析，假設(shè)對壽命周期估計(jì)：電梯所在的大廈為 8 層為 21 米。樓房有 16 個(gè)公寓。一半的公寓有兩種人 ，而另一半有三種人生活。每個(gè)人每天使用兩次電梯，電梯軸按每年工作三百四十天為來說能操作 30 年。直徑是400 毫米滑輪旋轉(zhuǎn)一圈電梯移動(dòng) 1.257 米。參考這些解釋，軸的總壽命約為轉(zhuǎn)。6.810?進(jìn)一步對疲勞進(jìn)行分析，可以估計(jì)軸的應(yīng)力周期曲線。畫出軸的 S - N 曲線，根據(jù) Juvinall 和 Shigley [ 7,8 ] ，應(yīng)力值的疲勞失效循環(huán)周期是 轉(zhuǎn)310時(shí)發(fā)生，由此可以計(jì)算：表 3圖 8：作用在斷口上的應(yīng)力—時(shí)間曲線 圖 9：考慮 108Mpa 平均應(yīng)力時(shí)修正應(yīng)力極限其中當(dāng) m = 0.9 時(shí)，彎曲應(yīng)力值因子 。。第二點(diǎn)是在應(yīng)力為 5123N10f?兆帕?xí)r耐力極限的價(jià)值（ 7 ）。鋼鐵的疲勞周期為 。根據(jù)這些解釋，可以6估計(jì) S-N（如下圖所示）： 圖 10 估算應(yīng)力周期圖表6 有限元分析為了檢測鍵槽斷口處應(yīng)力分布情況，有限元法比較合適。所作的程序分析能夠被使用。軸的精確幾何模型可以根據(jù)這建立。由于軸太長，所以它不能作為一個(gè)三維物體進(jìn)行完全地分析，只需對鍵槽和斷裂區(qū)域進(jìn)行建模，詳細(xì)如圖11。高應(yīng)力區(qū)域在鍵槽拐角處可以清楚地看到。這種效果在曲率半徑較小的地方顯現(xiàn)值是低值造成高切口。利用有限元應(yīng)力分析是為了驗(yàn)證我們的計(jì)算應(yīng)力。從圖 11 可以看出，應(yīng)力值在斷口接近理論值。7 討論通過增加的曲率半徑的值，可以有效地減少發(fā)生在鍵槽倒角處的應(yīng)力集中。為了確定曲率半徑變化對應(yīng)力分布的影響，對其進(jìn)行有限元分析。通過這一測試，RC 值逐步增加可以減少應(yīng)力值對視覺的分析，這可以從圖 12 看到。應(yīng)力值的急劇減少，可以清楚地在鍵槽倒角處看到。作進(jìn)一步調(diào)查，對影響應(yīng)力和疲勞安全系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，可在圖 13 和 14 中看到。曲率半徑從 0.5 毫米增加至 2 毫米時(shí)，應(yīng)力值將從 163 MPa 減少到 104 Mpa，并且疲勞安全系數(shù)從 1.05 增加至 1.78 。圖 13 和 14 表明，增加了曲率半徑可以有效防止電梯傳動(dòng)軸的失效。最后斷定斷裂發(fā)生的原因是設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或鍵槽制造不當(dāng)（低曲率半徑），從而造成了高切口效果。圖 11：有限元網(wǎng)格圖 12：使用有限元分析曲率半徑對應(yīng)力分布的影響圖 13：影響應(yīng)力分布因素圖 14：曲率半徑對疲勞安全因素影響8 小結(jié)在這項(xiàng)研究中對電梯傳動(dòng)軸進(jìn)行詳細(xì)失效分析。本文測量了故障發(fā)生在軸的鍵槽上。軸的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、化學(xué)特性。通過對斷裂面的觀察可以得到這樣的結(jié)論由于扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞的存在使其易于發(fā)生疲勞破壞。疲勞裂紋已開始形成在鍵槽邊緣?？紤]電梯和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以測得作用于軸上的力和扭矩; 可以計(jì)算發(fā)生在斷裂面上的應(yīng)力。利用有限元法（ FEM ）可以進(jìn)行應(yīng)力分析并能和計(jì)算值進(jìn)行比較。通過分析耐力極限和疲勞安全系數(shù)，可以估計(jì)軸疲勞周期。通過對失效的原因進(jìn)行分析并得出結(jié)論，斷裂發(fā)生是由于設(shè)計(jì)或制造的鍵槽時(shí)存在失誤（鍵槽倒角過小，造成高缺口效應(yīng)） 。利用有限元分析曲率半徑變化對應(yīng)力分布的影響以及采取防范措施以防止類似的失效再次發(fā)生。 參考文獻(xiàn)[ 1 ] Eryürek IB 失效分析 伊斯坦布爾： Birsen 出版社; 1993 年[ 2 ] Eube J 標(biāo)準(zhǔn)鋼-DIN 標(biāo)準(zhǔn)手冊表 Beuth ; 2007 年[ 3 ]Edwards K, McKee BR 基礎(chǔ)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 紐約：麥克勞希爾; 1991 年[ 4 ]Frost NE, Marsh KJ, Pook LP. 金屬疲勞 紐約：多佛出版社; 1999 年[ 5 ]John 強(qiáng)度的材料和結(jié)構(gòu)。紐約：阿諾德出版社; 1999 年[ 6 ] Buch A 疲勞數(shù)據(jù)手冊 跨技術(shù) 出版社; 1998 年 [ 7 ] Juyinall RC, Marshek KM. 基礎(chǔ)機(jī)械零件的設(shè)計(jì) 第二版 紐約：威利和兒子， 1991 年[ 8 ] Shigley JE, Mischke CR. 機(jī)械工程設(shè)計(jì) 第 5 版 紐約：麥克勞希爾; 1989 年[ 9 ] Gülec S, Aran A. 疲勞強(qiáng)度鋼和鑄鐵 理事會(huì)的出版社