閆照鋒, 王孝兵, 韓洪偉
(中航鋰電(洛陽(yáng))有限公司,河南 洛陽(yáng) 470003)
隨著新能源市場(chǎng)的持續(xù)向好,鋰電行業(yè)迎來了空前的發(fā)展,但也面臨著同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)、核心技術(shù)缺乏等問題。三元軟包電池以其體積小、重量輕、能量比高、安全性高、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),獲得了較大的發(fā)展空間,目前配套設(shè)備存在問題較多,存在安全隱患。
圖1是封裝軟包電池采用的夾具升降機(jī)構(gòu)示意圖,通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)夾具升降。前期使用中,機(jī)架轉(zhuǎn)軸于安裝軸承位置突然發(fā)生斷裂,設(shè)備在室溫下工作,每天運(yùn)轉(zhuǎn)20 h,正常工作2個(gè)月,電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min,潤(rùn)滑狀況良好,無任何腐蝕環(huán)境,熱處理工藝為正火和回火。為查明轉(zhuǎn)軸斷裂原因,避免類似失效發(fā)生,對(duì)其取樣進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。
圖1 夾具升降機(jī)構(gòu)示意圖
45鋼價(jià)格便宜,來源方便,加工性能好,淬火、調(diào)質(zhì)處理后,能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合力學(xué)性能[1],因此轉(zhuǎn)軸材料選擇45鋼。在轉(zhuǎn)軸斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,表1所示為樣品化學(xué)分析結(jié)果,可見鍛件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T6397-2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》[2]的規(guī)定。
工作原理:電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),兩端采用鏈條傳動(dòng),鏈條中部與軌道采用過渡板連接,過渡板與滑塊、機(jī)架連接,通過鏈條帶動(dòng)其上下移動(dòng)。從圖1可以看出,轉(zhuǎn)軸斷裂主要原因?yàn)椋?)機(jī)架變形,夾具移動(dòng)中卡死;2)鏈輪傳動(dòng)精確度低,兩邊受力不同步;3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不合理,受力不均勻。
表1 樣品化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析
在轉(zhuǎn)軸1/2半徑處制取2根20 mm的縱向拉伸試樣,室溫(23℃)進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果見表2,可見轉(zhuǎn)軸材料各項(xiàng)拉伸性能也均符合JB/T6908-2006對(duì)45鋼的技術(shù)要求[3]。
表2 轉(zhuǎn)軸拉伸測(cè)試
根據(jù)斷口的宏觀特征,斷面由平滑區(qū)和粗糙瞬斷區(qū)構(gòu)成[4],平滑區(qū)域可觀察到波浪型的輝紋,局部出現(xiàn)二次裂紋,瞬斷區(qū)為突然性破壞,呈現(xiàn)出靜斷裂或沖擊斷裂外觀;裂紋源是從軸邊緣開始,然后向中心部擴(kuò)展,最后于中心部位斷裂,斷口平整光亮,有金屬光澤,圖2中A、B、C分別表示裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[5]。
從光滑區(qū)和粗糙區(qū)面積比例看,粗糙區(qū)約占50%左右,疲勞條帶較多,轉(zhuǎn)軸在扭轉(zhuǎn)、彎曲循環(huán)應(yīng)力作用下,開裂過程中裂紋張合間隙大,說明軸受到較大應(yīng)力作用;A區(qū)與B區(qū)呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)彎刀形,說明裂紋源與瞬斷區(qū)存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng),判斷其為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂[6-7],轉(zhuǎn)軸承受一定的彎曲應(yīng)力,表明其在使用過程中同軸度不高,產(chǎn)生異常彎曲應(yīng)力。疲勞擴(kuò)展至一定深度后,有效承載面積不足,轉(zhuǎn)軸發(fā)生快速斷裂。
圖2 轉(zhuǎn)軸斷口宏觀形貌
轉(zhuǎn)軸整體對(duì)稱,如圖3所示,總長(zhǎng)為770 mm,鍵槽寬度為5 mm,深度為3 mm,鍵槽將鏈輪與轉(zhuǎn)軸連接,傳遞轉(zhuǎn)矩,中間段軸徑為20 mm,兩端軸徑均為15 mm,長(zhǎng)徑比大于38,為細(xì)長(zhǎng)軸。
由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性很差,車削時(shí)受切削力、切削熱和振動(dòng)等作用和影響,極易產(chǎn)生變形,出現(xiàn)直線度、圓柱度等加工誤差,對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行受力分析具有重要意義[8]。
圖3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)尺寸
假如從動(dòng)輪受到拉力F為1000 N,從圖4主動(dòng)輪與從動(dòng)輪位置關(guān)系,兩者存在10°夾角,可以得出:
聯(lián)合式(1)、式(3)、式(5)、式(6)得出:FAx=0 N,F(xiàn)Bx=944 N,F(xiàn)Cx=41 N。聯(lián)合式(2)、式(4)、式(7)、式(8)得出:FAy=7.5 N,F(xiàn)By=0 N,F(xiàn)Cx=7.5 N。
綜合分析可以得出:FA=7.5 N,F(xiàn)B=944 N,F(xiàn)C=41.7 N??梢钥闯鯞點(diǎn)受力占94%,會(huì)引起轉(zhuǎn)軸應(yīng)力集中,進(jìn)而造成斷裂。
圖5 轉(zhuǎn)軸X方向受力示意圖
圖6 轉(zhuǎn)軸Y方向受力示意圖
對(duì)轉(zhuǎn)軸支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,增加支撐點(diǎn)D,假如從動(dòng)輪受到拉力F為1000 N,由主動(dòng)輪與從動(dòng)輪位置關(guān)系圖4可以得出:
由受力關(guān)系圖7、圖8可以得出:
聯(lián)合式(9)、式(11)、式(13)、式(14)可以得出:FAx=FCx;FBx=FDx;FAx+FBx=492.5 N。
聯(lián)合式(10)、式(12)、式(15)、式(16)可以得出:FAy=FCy;FBy=FDy;FAy+FBy=7.5 N。
圖7 轉(zhuǎn)軸X方向受力示意圖
圖8 轉(zhuǎn)軸Y方向受力示意圖
通過結(jié)果可以看出:假設(shè)A點(diǎn)受力為0 N,B點(diǎn)受力為最大值493 N,占總受力的49%,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,B點(diǎn)受力小于總受力的49%,通過增加支撐點(diǎn)D,轉(zhuǎn)軸受力最大點(diǎn)明顯降低,整體受力相對(duì)穩(wěn)定。
通過對(duì)比優(yōu)化前后轉(zhuǎn)軸受力分析:1)優(yōu)化前C點(diǎn)受力明顯大于A點(diǎn),轉(zhuǎn)軸兩邊傳動(dòng)不同步,會(huì)造成夾具卡死,是造成轉(zhuǎn)軸斷裂的影響因素;2)受力最大點(diǎn)B在優(yōu)化后,減少接近45%,同時(shí)轉(zhuǎn)軸兩邊受力均等,較好保證轉(zhuǎn)軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖9為機(jī)架優(yōu)化后的結(jié)構(gòu),通過對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)軸增加支撐點(diǎn),將原支撐受力減少45%,保證轉(zhuǎn)軸整體受力均勻,目前設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,無斷裂現(xiàn)象。
圖9 優(yōu)化后機(jī)架結(jié)構(gòu)
本文介紹了機(jī)架工作原理,對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了化學(xué)分析和宏觀分析,以及優(yōu)化前后受力分析對(duì)比,得出如下結(jié)論:1)通過宏觀分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)軸失效為使用過程中同軸度不高引起的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂;2)通過對(duì)轉(zhuǎn)軸優(yōu)化前后受力分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)不合理是造成轉(zhuǎn)軸斷裂的主要因素;3)實(shí)踐證明:對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)軸增加支撐點(diǎn),使得支撐點(diǎn)受力減少45%,保證其受力均勻性和穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行。
[1] 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)定圖:GB/T1979-2001[S].
[2] 大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件:JB/T6397-2006[S].
[3] 容積式壓縮機(jī)用鋼鍛件:JB/T6908-2006[S].
[4] 孫野,朱榮杰.45號(hào)鋼電機(jī)軸斷裂失效分析[J].防爆電機(jī),2012,47(4):50-53.
[5] 陳俊健.45 鋼驅(qū)動(dòng)軸斷裂原因分析[J].機(jī)械工程師,2013(5):5-7.
[6] 謝金鵬,鐘振前,馮冉,等.某壓縮機(jī)45鋼轉(zhuǎn)軸斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2014,50(12):919-921.
[7] 張博,白培謙.重型汽車后橋軸頭斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2004,40(10):527.
[8] 趙昌勝,楊峰,崔晴,等.45鋼軸類零件斷裂分析及預(yù)防[J].金屬加工熱處理,2012(5):45-47.