買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘 要 電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。三相交流異步電動機轉子轉動的原理，當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出電動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力 F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。 本文通過對電機軸化學成 分、宏觀、微觀及力學性能等方面的一系列實驗，分析出該軸的斷裂原因，在此基礎上，利用 軟件對電機軸進行了較全面的有限元分析及優化設計，不但驗證了實驗分析的正確性，而且提出了合理的改進方案。 關鍵詞 失效分析，斷裂，有限元， ，電機軸 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 電動機輸出軸的斷裂分析 .觀分析 .能檢查 .機軸的性能檢查 . 3 章 輸出軸的有限元分析 及優化設計 . 建模 .析 .機軸的優化設計 .束語 .錄 1 參考文獻 . 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系統和設備日益復雜， 功能不斷提高，機械零件的不可靠和不安全因素增多，導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注。工業的發展、技術的進步正是人們不斷與產品失效做斗爭的結果，這在航空和航天事業的發展史中表現尤為突出。因為即使航天飛機這么先進的運載工具也可能發生故障，如美國的價值 12 億美元的“挑戰者”號航天飛機，在 1986 年 1 月 28 號第 11 次升空時突然爆炸，使 7 名宇航員遇難，這一慘痛悲劇再次告戒人們忽視產品失效問題將帶來災難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產品在服役條案件下所做的一次最真實做可靠的學實 驗的結果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素，也就找到了薄弱環節所在，從而改進有關部門的工作。提高產品質量。失效分析是可靠性工程的技術基礎之一；是安全工程的重要技術保障之一；是維修工程的理論基礎和指導依據；可產生巨大的經濟效益和社會效益。 電動機 是把電能轉換成機械能的設備。在機械、冶金、石油、煤炭、化學、航空、交通、農業以及其他各種工業中，電動機被廣泛地應用著。隨著工業自動化程度不斷提高，需要采用各種各樣的控制電機作為自動化系統的元件，人造衛星的自動控制系統中，電機也是不可缺少的。此外在國防 、文教、醫療及日常生活中 (現代化的家電工業中 )電動機也愈來愈廣泛地應用起 多以齒輪傳動、蝸桿傳動為主，而 軸是電動機中不可缺少的重要零件之一 ,也是最常見的失效零件。 為此，我們對電動機輸出軸的斷裂原因進行了比較系統的分析： 軸的宏、微觀分析和結構分析，了解該軸的應力分布情況，找出應力集中部位，分析該類軸斷裂的原因。在此基礎上充分利用 技術進行進一步的應力分析 ,以驗證宏、微觀分析結果 ,再利用 技術進行買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 軸的優化設計 ,達到改進軸的目的 。 使減速器的工作性能達到最優。這樣既能保證設備的正常使用，提高工廠 的經濟效益，有很高的實用價值，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 前已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發布了包括了在工業設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。而且 提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發環境，本文所進行軸的結構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，按照國家標準 靠性基本詞術語及定義，就是：“產品喪失規定的功能，對可恢復產品通常也稱故障”。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機理 ，并采取補救或預防措施以防止失效再度發生的技術活動與管理活動，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、分析失效原因、研究失效事故處理方法和預防措施的技術活動及管理活動 。 美國金屬手冊認為 ,機械產品的零件或部件處于下列三種狀態之一時 ,就可 定義為失效 : 當它完全不能工作時 ; 仍然可以工作 ,但已不能令人滿意地實現預期的功能時 ; 受到嚴重損傷不能可靠而安全地繼續使用 ,必須立即從產品或裝備拆下來進行修理或更換時。 機械產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）的發展 早在遠古時代，人們對產品失效就有了宏觀認識。產品失效真正給人類帶來嚴重的危害，則是從 100多年前的工業革命開始的。當蒸汽機動力和大機器生產給人類社會帶來巨大進步的同時，產品失效也給人類帶來了前所未有的災 難性事故。 因而 1862 年，英國建立了世界上第一個蒸汽鍋爐監察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產品質量的技術手段。隨后，在工業化國家中，對失效產品進行分析的各種機構相繼出現。在 1938間，美國質量管理學會發起“失效廢品檢驗規劃”，號召生產企業把失效分析作為重要環節納入質量管理系統。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產品失效問題而發展起來的可靠性理論使失效分析進入到一個新的階段。到六十年代，人們更開始了機械設備系統可靠性理論的研究。 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識推動下，也得到了很大的 重視和發展。失效分析推動科學技術進步，促進國民經濟健康發展，提高機械產品質量，在國民經濟中有重要作用和意義。 效分析的目的 失效分析預測預防的總任務就是不斷降低產品或裝備的失效率 ,提高可靠性 ,防止重大失效事故的發生 ,促進經濟高速持續穩定發展。從系統工程的觀點來看 ,失效分析的具體任務可歸納為 :失效性質的判斷 ;失效原因的分析 ;采取措施 ,提高材料或產品的失效抗力。 產品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質的判斷和失效原因的明確 ,而更重要的還在于為積極預防重復失效找到有效的途徑。通過失效分析 ,找到造 成產品或裝備失效的真正原因 ,從而建立結構設計、材料選擇與使用、加工制造、裝配調整、使用與保養方面主要的失效抗力指標與措施 ,特別是確定這種失效抗力指標隨材料成分、組織和狀態變化的規律 ,運用金屬學、材料強度學、工程力學等方面的研究成果 ,提出增強失效抗力的改進措施。既能得到提高產品或裝備承載能力和使用壽命 ,又可做到充分發揮產品或裝備的使用潛力 ,使材盡其用 ,這是產品或裝備失效分析、預測預防研究的重要目的與內容 材料科學的興起、先進測試技術的應用以及近代物理、化學等的全面發展，使得人們能夠從微觀方面闡明產品失效的本 質、規律和原因。近半個世紀所積累的失效分析知識與技術千百倍于人類前期有關知識的總和。但這種知識必然隨著人類生產實踐和科技進步而不斷發展。雖然由于科技的發展，產品在設計、生產、使用與維修上的技術改進，使得產品的自動化程度愈高、技術愈密集，一旦出現失效，造成的損失就愈嚴重。因此失效分析將隨著科技的高速發展顯得更為重要。 效（斷裂）分析的方法 失效分析是一門涉及系統分析、系統安全、產品設計、材料力學、斷裂力學、斷裂物理、斷口學、材料學、測試技術、金屬學、金屬工藝、強度計算、產品質量全面管理等眾多領域的 綜合學科，它包括三個方面： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 1事前故障的預測技術，如可靠度計算、故障率評價和可靠性分析法（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（應力定量化技術、故障檢測及故障征兆診斷技術、設備或系統強度、故障性能定量化技術及劣化定量化技術等）； 3事后失效分析（壽命預測技術、故障機理、失效模式的測定技術、失效評定的標準、維修技術等）。 上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌發生后的檢測和分析，以便找到失效的部位、原因和機理 ；掌握產品的改進線索或修復方法，防止問題重復發生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發展，在工況與質量上做了不少工作，從事前分析、事后預防發展到事中監控。 效分析的思路 失效分析及失效的防止好比醫生治病 ,正確的診斷、配合對癥下藥才能將病治好 ,這是緊密聯系的兩個方面。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。 料強度學和斷裂物理、化學、力學的研究成果 ,深入分析各種失效現象的本質 ,以主要失效抗力指標與材料成分、組織、狀態的關系 ,提 出改進措施。 同服役條件要求材料強度和塑性、韌性的合理配合”這一規律 ,分析研究失效零部件現行的選材、用材技術條件是否合理 ,是否受舊的傳統學術觀念束縛。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技術條件規定 ,如果把它當成金科玉律 ,則會犯分析上的錯誤 ,對防止零部件失效不利。 克服零部件上的薄弱環節 ,爭取達到材料的等強度設計。 還應做到幾個結合 : （ 1）材料、工藝相結合 ,即對形狀、尺寸、材料、成型加工和強化工藝統一考慮 （ 2）結構強度 (力學計算、 實驗應力分析 )與材料強度相結合 ,試棒試驗與實買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 際零部件臺架模擬試驗相結合 ; (3)客觀規律與微觀機理相結合 ,宏觀斷口和微觀斷口分析相結合 ,宏觀與顯微、亞顯微組織分析相結合 ; (4)實驗室規律性試驗研究與生產試驗相結合。 效分析的程序 進行失效分析 ,對于具體零部件要具體對待 ,不能企求有統一的方法。在整個失效分析過程中 ,應重點抓住以下幾個環節 : 1. 收集失效件的背景數據 除了解失效零部件在機器中的部位和作用、材料牌號、處理狀態等基本情況外 ,應著重收集下面兩方面的資料 : (1) 失效件全部制造工藝歷史。 從取得有關圖紙和技術標準開始 ,了解冶煉、鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理、化學熱處理、拋光、磨削、各種表面強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、加載次序、應力狀態、環境介質、工作溫度外 ,應特別注意環境細節和異常工況 ,如突發超載、溫度變化、溫度梯度和偶然與腐蝕介質的接觸等。 2. 失效零部件及全部碎片的外觀檢查 在進行任何清洗之前都應經過徹底的外觀檢查 ,用攝相等方法詳細做好記錄。重點檢查內容為 : (1) 觀察整個零部件的變形情況 ,看是否有鐓粗、下陷、內孔擴大、 彎曲、頸縮等 ; (2) 觀察零部件表面冷熱加工質量 ,如有無過燒、折疊、斑疤等熱加工缺陷 ,有無刀痕、刮傷等機加工缺陷 ,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. 試驗室檢驗 在檢驗前 ,對試驗項目和順序、取樣部位、取樣方法、試樣數量等均應全面、周密地考慮。一般采用的分析手段有下列各項 : (1) 化學分析 目的是鑒定零部件用材料是否符合原定要求 ,有無用錯材料或成分出格 ,必要時可分析微量元素或進行微區成分分析。當表面有腐蝕產物時 ,也應分析腐蝕產物成分 ; (2) 宏觀 (低倍 )分析 主要用于檢查原材料或零部件質量 ,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。斷口形貌真實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 ,不僅可以得到有關零部件使用條件和失效特點的資料 ,還可以了解斷口附近材料的性質和狀況 ,進而可 以判明斷裂源、裂紋擴展方向和斷裂順序 ,確定斷裂的性質 ,從而找出斷裂的主要原因。斷口分析先用肉眼或低倍實體顯微鏡和立體顯微鏡從各個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 ,從而由材料的內在因素分析導致失效的原因 ; (5) 力學性能試驗 在必要時可以進行某些項目的力學性能試驗 ,包括斷裂韌 性試驗 ,以校驗該零部件的實際性能是否符合技術要求 ; (6) 其它檢測項目 如用 如相 )或定量 (如殘余奧氏體含量 )分析 ,對受力復雜的零部件進行實驗應力分析等等。 4. 判定失效原因 進行上述環節后 ,把所得的資料進行綜合分析 ,搞清失效的過程和規律 ,這是失效分析的重要環節。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構設計因素、材料因素、工藝因素、裝配因素和服役條件因素中進行全面分析 ,真正找到導致該零部件早期失效的主導因素。重大的失效分析項目 ,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 ,還應及時 進行重現性試驗 (模擬試驗 ),以驗證初步結論的可靠性。 圖 斷裂失效原因分析思路 5. 分析結果的反饋 積極的失效分析 ,其目的不僅在于失效性質和原因的分析判斷 ,更重要的是反饋到生產實踐中去。也就是從失效分析的結論中獲得反饋信息 ,據以確定提高失效抗力的途徑 (形成反饋試驗方案 ),并通過試驗選擇出最佳改進措施。反饋的結果可能是改進設計結構、材料、工藝、現場操作規程 ,也可能是綜合改進。 對于軸等機械零部件 ,應著重于在結構設計、材料選擇和制造工藝方面的反饋 ,特別是結構、材料、工 藝上的綜合反饋 ,例如在某些情況下 ,通過改進零部件的形狀、尺寸來提高其失效抗力較之改進材料和工藝更為有效。而當設計結構的改進受到限制時 ,零部件的應力水平、應力分布和應力狀態又要求制造零部件的材料和工藝與之相適應 (例如幾何形狀復雜、應力狀態較硬的零部件 ,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 ,零部件的結構設計與材料、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 電動機輸出軸的斷裂分析 電動機 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，這些應力隨運行過程不斷發生變化，一旦過載、突然啟動和制動、多次重載荷沖擊，減速器軸的某些局部位置可能發生低周大應變疲勞開裂和扭轉過載塑性斷裂。 斷軸情況主要發生在負荷側，如軸承支承處、有明顯的刀痕處、肋板與主軸的結合處、軸肩處及有槽的地方。電機軸在設計和工藝上經常有槽、階梯過渡處和軸肩等結構，如果槽結構不合理或不均勻、過渡圓角太小、軸徑變化較大等，電機軸在交變應力的作用下，這些部位的應力分布會極不均 勻，在應力特別高的部位逐步形成微觀裂紋且逐漸擴展，導致突然脆性斷裂。這是減速器軸斷裂最常見的原因。 另一方面，電機軸的非配合面在加工時經常被忽視，軸表面和軸肩過渡圓角處常留有刀痕，表面粗糙度過大，這樣會引起狀態系數降低，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行宏觀檢查，斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎，查找斷裂源區是宏觀分析的最重要環節。 我們對斷軸進行了實地考察，電機軸斷口，斷面灰且較亮，粗晶區很大，在一側邊緣人字紋隱 約可辯，極似最后撕裂的少量痕跡，纖維區和剪切唇很不明顯，沒有腐蝕的痕跡，斷源在上放，貝紋量甚少且不明顯，屬“結晶狀”斷口。再綜合徑向觀察，斷裂處不是出現在連接處，而是前面的一小段距離的地方，觀察發現，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 機軸的性能檢查 在此同時，我們從該軸的設計圖紙得到：該軸應采用 30求該軸表面的硬度 43（ 320），采用整體調質工藝。我們對斷裂電機軸原件進行檢驗和實際調 查，發現該軸實際生產時與設計有較大的出入，采用35采用 30們對材質進行了化學成分、機械性能等方面進行了檢驗，并列表與設計中采用的材質進行了對比， 表 材料化學成分 (%) 成分 材料 C i o 30設計） 5實物） 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 表 材料的機械性能 項 材 目 料 力 學 性 能 抗拉強度 b（ 屈服點 s（ 伸長率 s（ %） 斷面收縮率 （ %） 沖擊韌度 k（ J/ 30設計） 930 785 12 50 80 35實物） 980 835 12 45 80 由上表可知 :設計 中該軸采用 30該軸生產時實際采用 35用 30過軸的能譜分析，實際材質基本合格，但在加工和熱處理后是否滿足設計要求有待研究。 動機的微觀分析 在對某廠 60因疲勞斷裂的電機軸進行金相組織分析中，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狀裂紋，在循環的交變應力作用下，該部位形成連續的沿周 向分布的環狀裂紋，進而裂紋區擴大，最后整個軸斷裂，造成事故， 小結 1由該軸材質的材料化學成分分析報告表明合格。 2由該軸材料的機械性能結果可知，材料的機械性能合格。 3由斷軸的金相分析結果得出，該軸材料的金相組織合格。 4由掃描電鏡可看出，試件內部存在解理斷裂和沿晶斷裂 ,說明選材不當 , 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體調質 )代替，實際中采用 30火工藝使該處的缺陷成為了裂紋源，因而發生脆性斷裂破壞，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先發生馬氏體轉變，隨后截面粗的部位發生馬氏體轉變時，體積膨脹，在截面粗細交界處產生了較大的應力集中，因而在大型軸階梯截面部位出現淬火裂紋。 35o 鋼對裂紋十分敏感，在外力作用下發生低應力斷裂。 （ 2） 該大型軸屬于淬不透的大型軸，在其階梯截面部位內部有冶金缺陷（白點、夾雜、疏松、縮孔殘余等），這些缺陷破壞了工件的連續性，在淬火應力作用下這些缺陷成為產生裂紋的起源點。在產生裂紋的工件中發現 有白點，這是由于在殘余應力作用下，氫含量過高并向應力集中處擴散，產生氫脆開裂。這主要是由于淬火操作不當或回火不及時致使工件中存在過大的殘余應力所致。 （ 3） 35中淬透性鋼，淬火加高溫回火處理能獲得優良機械性能的回火索氏體組織。該鋼材的淬透性比較好，應采用較慢的冷卻速度淬火，一般用油淬，以避免出現熱處理缺陷（ 35質工藝 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體調質工藝，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，產生較大的熱應力。 注：冷卻介質的冷卻能力越大，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，冷卻速度過大將產生巨大的淬火應力，易于使工件產生變形或開裂。 水的冷卻特性很不理想，在需要快冷 650 400區間，其冷卻速度很小，不超過 200 /s。而在需要慢冷的馬氏體轉變溫度區，其冷卻速度又很大，在340最大冷卻速度高達 775 /s，很容易造成淬火工件的變形或開裂。水溫升高，高溫區冷卻速度顯著下降，而低 溫區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間，使階段延長，造成硬度不變。 油的主要優點是在低溫區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 及優化設計 有限元分析采用的軟件為 是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用 件，它由總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡 1970年由 士創建而成的，廣泛應用于機械制造、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、生物醫學等眾工業領域及科學研究。 本文所做的內容是關于軸斷裂失效問題，發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力集中，應力集中往往又出現在軸結構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構（特別是軸徑變化大的部位）進行應力分析。為此，我們利用 件對實際軸和圖紙上的設計軸進行應力 、位移情況進行比較和研究，能較合理的分析出斷軸的原因，并在此經常上再利用 不但能保證設備的正常使用，提高工廠的經濟效益，而且可提供一套較完整的關于軸的有限元失效分析及優化設計的相關參考，具有很高的實用價值。 通過對斷軸的實際幾何尺寸的測繪，我們得到以下電機軸的結構如圖 電機軸的結構主要由若干塊（ 6板焊接在主軸上組合而成，硅片和線圈繞在肋板上，利用磁場產生電流來工作。在電機的工作中，肋板和軸的結合處由于電磁力的周期作用出現了較大的應力集中，加上軸的常規設計和 一般的工藝缺陷，會產生了疲勞裂紋，最終導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，減速器軸的實際受力過程是不斷運動的，為便于分析起見，在受力等效的原則下，通過施加約束轉化為一個靜力分析模型。 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 電機軸的建模 析 格劃分 本文采用 中電機軸的建模調入其中進行網格的劃分。在有限元的劃分上，采用了 元來劃分網格，利用分層和多次剖切的方法，將全軸用映射網格劃分，在劃分網格時特意將軸肩處劃的較密，這樣既采用了形態較好的六面體網格，又使網格疏密有致，保證了較高的計算精度。 劃分的結果如下圖 載求解 施加載荷的大小是以材料的屈服強度為依據，取試件的屈服強度計算值的80%為施加的載荷，具體的計算如下： N = s A 80% N：施加的載荷； s ：材料的抗拉強度； A：試件的橫截面積。 35 s = 835得： N=90噸，即在加載面積上的應施加的 F=90噸。 看求解結果 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 力分布 圖 達了該軸的應力分布情況及最大應力的位置和數值。從圖中我們更清楚的看出軸節點的應力最大位置在圓圈中 即拐軸的連接處，最大值為 a） 節點受 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 從應力最集中處可以看到與實際斷裂處一致，說明計算結果與實際情況基本相符。基本上可以認為肋板與軸的結合處的形狀轉折過大，容易造成應力集中。因此應該選擇過渡曲線平滑的形狀，并焊透以抵抗抵抗應力的強度 。 機軸的優化設計 仍然采用 件進行軸的優化設計，并對所做的優化結構進行分析驗證，達到減少應力集中，提高零件及設備的使用壽命。 立目標函數 經過對 實際軸和設計軸的分析，可以應力最大主要是發生在軸端連接處，在保證其它的基本尺寸不變的情況下，對連接處的結構進行優化，用有限元的方法在加載和約束等條件不變的情況下，對它進行分析，達到減小最大應力，消除應力集中，符合工況要求。 進后軸結構 在軸端連接處用 下圖 且在加工過程中不能出現圓弧溝等加工刀痕，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 改進之后的裝配圖 改進模型的有限元分析 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 ,得到以下結果 (圖 。 a） 單元受力情況圖 b） 應力分布圖 圖 改進模型的 應力分布圖 從圖 軸的結構進行改進以后，在應力分布最大處，應力過渡平穩，用新的零件將應力最大值從 低到 符合使用應力。可以看出在優化之后應力集中的狀況有了非常大的改善。所以優化設計是 成功的。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 21 結 在上述兩種情況的比較中可以看出，最大應力均發生在軸肩附近，說明該處有嚴重的應力集中，是斷裂最先發生區，這與兩斷軸均在該處斷開、裂紋擴展連線最長這一現象是一致的。 結論 通過電機軸材料的宏觀、微觀、斷口、力學性能、有限元分析及優化設計等方面的研究得出以下結論： 1結論 （ 1） 由斷軸材料化學成分分析報告、機械性能結果及金相實驗報告表明，該材質的成分和機械性能合格，整個斷口新鮮，無氧化和腐蝕現象，沒有塑性變形痕跡，說明裂紋從產生到斷裂是有較短的時間內完成的，可斷定該軸裂紋為典型的脆 性斷裂特征。 （ 2）選材中采用 3530替了設計中的 30料，使軸根部在采用 30火工藝中出現缺陷成為了裂紋源，這就是發生脆性斷裂的主要原因之一。雖然 35o（ 30化學成分和機械性能方面基本達到要求，但在實際的制作上，以水淬代替了油淬，增大了軸冷卻速度，加上淬火操作不當或回火不及時致使工件中存在過大的殘余應力，在該軸截面急劇變化部位產生了較大的溫差，引起較大的熱應力。裂紋的產生主要是以下過程：起源點（階梯截面部位的冶金缺陷） 淬火裂紋 氫脆開裂（氫含量過高） 應力集中處 脆性斷裂。 （ 3） 軸結構上由于有一道半徑約為 1的存在使該位置變成了危險截面，即為軸斷裂的地方。由該軸的應力和位移分布狀態的力學分析報告中得知，應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構進行改進，在軸端連接處用 果表明，應力的最大值由原來的 力集中在優化后減小了接近 58%。此值與理論值 果可信，符合工況要求。