文/阮興家·一汽解放汽車有限公司卡車廠

一種快速修復(fù)機(jī)械壓力機(jī)主傳動軸的方法

文/阮興家·一汽解放汽車有限公司卡車廠

大型機(jī)械壓力機(jī)主傳動軸的結(jié)構(gòu)形式多為齒輪軸或漸開線花鍵軸，因其在設(shè)備上所處位置及功能決定其設(shè)計壽命至少等同于壓力機(jī)的壽命周期，所以一般設(shè)備使用單位不將其列為易損備件而儲備，這是符合設(shè)備的設(shè)計、制造理念的。但近幾年，我廠六十年代從英國進(jìn)口的S-1250t單點動壓力機(jī)和八十年代末從日本小松公司進(jìn)口的E2S-4000MB（公稱壓力4000t）雙點卡車縱梁生產(chǎn)用壓力機(jī)，這兩種壓力機(jī)的離合器主軸，在不同的時間節(jié)點均出現(xiàn)了離合器軸被扭斷的異?，F(xiàn)象。S-1250t離合器軸在制動器端出現(xiàn)的扭斷情況，如圖1所示；4000t壓力機(jī)離合器主軸扭斷情況，如圖2所示。

任何設(shè)備維修單位以正常的維修思路出發(fā)，發(fā)生傳動軸斷裂事故，都會通過制作新軸予以更換，這是一個正確的解決方法。然而，生產(chǎn)企業(yè)要面臨市場競爭，搶占市場就要與時間賽跑，如果因事先估計不足，既無軸的制造圖紙又沒有現(xiàn)成的備件，加工新軸的時間過長，在生產(chǎn)不允許長時間停歇的情況下，就只能另辟蹊徑，采取迂回措施，想辦法在短時間內(nèi)恢復(fù)設(shè)備運轉(zhuǎn)。S-1250t單點壓力機(jī)和E2S-4000MB雙點壓力機(jī)的離合器軸就是在這樣的背景下實施斷軸連接的。因二者修理方案基本一致，下文僅以S-1250t壓力機(jī)主軸修復(fù)為例進(jìn)行說明。

圖1 S-1250t離合器軸制動器端扭斷情況

圖2 4000t壓力機(jī)離合器主軸扭斷情況

斷軸連接方案的確定

連接斷軸的方法有很多，可以采用鍵連接、銷連接或焊接、過盈連接來實現(xiàn)，而每種連接方法各有利弊。

⑴鍵連接，可以采用雙平鍵連接或花鍵連接。雙平鍵連接加工簡單，依靠鍵的兩個側(cè)面?zhèn)鬟f扭矩，采用過渡配合，需要加工過渡鋼套將兩根半軸聯(lián)成一體，裝配容易，半軸零件之間及半軸與套之間均存在間隙?；ㄦI連接傳遞扭矩大，定心精度好，但加工也十分困難，且成本較高。其工藝特點決定了其齒側(cè)和徑向均存在一定裝配間隙。這兩類鍵連接的特點是：其定心精度低于一體軸，在設(shè)備運行時不僅會出現(xiàn)軸的徑向跳動和軸向竄動，還會導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)振動和噪聲，對設(shè)備上的軸承等其他零部件的精度和壽命均存在不利影響。

⑵銷連接或焊接。這兩種連接的特點是傳遞扭矩很小，無法達(dá)到軸傳遞工作扭矩的要求。焊接還存在焊后需要再加工和不可拆卸的缺點。

⑶過盈連接。該連接方法加工簡單，安裝容易，對中性好，對軸的強(qiáng)度削弱小，但對配合面的尺寸精度要求嚴(yán)格，對包容與被包容件的加熱溫度和膨脹量需要精準(zhǔn)把控，設(shè)計人員需要掌握理論力學(xué)、材料力學(xué)等方面基礎(chǔ)理論，而且過盈量的計算要求準(zhǔn)確。過盈量過大，連接軸承受的徑向負(fù)荷大，會產(chǎn)生塑性變形甚至脹裂；過盈量過小，傳遞的扭矩不足，在軸沒有達(dá)到額定扭矩的數(shù)值下，便會產(chǎn)生連接件的相對轉(zhuǎn)動。

圖3 預(yù)加工短軸

圖4 新加工短軸

綜合考慮，在我廠現(xiàn)有人員的理論水平和機(jī)械加工、裝配手段等方面的現(xiàn)狀下，曾經(jīng)有過此類成功的設(shè)計和制造案例，有可供借鑒的相關(guān)經(jīng)驗，故決定采用斷軸過盈連接方案。

斷軸連接方案的實施

確定斷軸連接方案后，在軸的什么位置連接易于加工，安裝方便；斷軸連接處需要產(chǎn)生多大摩擦扭矩及其最小危險截面積，選擇多大的過盈量，既可以保證傳遞足夠的摩擦扭矩，又不會產(chǎn)生塑性變形；選擇怎樣的裝配方式，易于操作，能一次裝配成功，這是此項目實施前，保證項目萬無一失必須要考慮的三個重要環(huán)節(jié)。

確定連接位置

在原斷裂處連接，這是一種最簡單的連接方式。如圖3所示，將短軸端重新制造，長度上增加，包含過盈配合的部分，并加工出φ140mm的孔；將長軸端端頭修整，至過盈連接后軸的總長度不變，待配合處加工成φ140mm的軸徑。完成兩段連接后，新連接軸與原軸各部位尺寸完全相當(dāng)，安裝方便，但離合器傳遞扭矩的托盤安裝在此位置，不僅承受設(shè)備額定扭矩，還承受一定的彎矩，綜合受力情況較為復(fù)雜，而且此位置原軸最大外徑φ170mm，內(nèi)孔加工成φ140mm（原斷裂位置外徑φ135mm，再小會影響強(qiáng)度）壁厚太小，過盈連接恐怕會引起塑性變形，因此原斷裂處不是最佳連接位置。選擇受力情況單一，與軸上其他零件無裝配關(guān)系，軸徑稍大的位置進(jìn)行過盈連接是明智之舉。如圖4所示，在距離短軸端1491mm處，只承受扭矩，無配合零件，軸徑可放大到φ196mm，這是技術(shù)組首肯的位置，最終的斷軸連接就選定在此位置。

計算過盈量

鑒于廠內(nèi)設(shè)備維修技術(shù)員的專業(yè)技術(shù)水平和工作性質(zhì)的限制，我們?nèi)绻麖膲毫C(jī)的主電機(jī)經(jīng)過皮帶到飛輪，再通過離合器傳到軸，依次地計算出各部分的傳遞扭矩，步步分解計算很困難，而且，用于驗算扭矩的很多計算用參數(shù)和系數(shù)我們也無從得到，那么離合器軸所需的抗扭強(qiáng)度如何確定呢？首先我們假定，傳動系統(tǒng)設(shè)計之初，所能承受的最大扭矩足夠，且安全系數(shù)為2，那么斷軸連接的過盈配合面所應(yīng)承受的扭矩只要大于φ135mm軸徑（扭斷處直徑）所承受的扭矩，就足夠滿足傳動要求。

通過對這根軸實際使用工況的確認(rèn)和查閱了《材料力學(xué)》教材和《機(jī)械設(shè)計》手冊后，我們采用第四強(qiáng)度理論計算軸所承受的扭矩為5.2×107N·m，標(biāo)準(zhǔn)配合可能產(chǎn)生的最大過盈量δmax為273μm；最小過盈量為δmin為223μm。

校核過盈連接零件的許用強(qiáng)度

已知所選配合的最大過盈量為273μm，但因采用膨脹法裝配，不考慮配合表面微觀峰尖被擦去，故裝配后可能產(chǎn)生的最大徑向應(yīng)力Pmax為96.31MPa。再由手冊查取45鋼的屈服強(qiáng)度σs1＝280MPa，則求得最大許用徑向應(yīng)力：Pmax1為140MPa，Pmax2為75.96MPa。

選擇過盈裝配方法

過盈配合最實用的安裝方法是溫差裝配法，即利用金屬的熱脹冷縮特性，將軸降低到一定溫度冷縮或?qū)⒖咨叩揭欢囟葻崦?，或者兩者兼用，使被裝配的軸和孔產(chǎn)生間隙，然后快速安裝冷卻到室溫，完成過盈裝配的方法。

溫差裝配法的兩個關(guān)鍵問題：一是軸與孔之間多少溫差能夠產(chǎn)生足夠的間隙以順利裝配。二是在裝配溫度下，零件的金相組織是否會發(fā)生改變，這將會影響到配合件的力學(xué)性能，經(jīng)計算確定裝配的溫度為319℃。根據(jù)計算所需的加熱溫度，已有的裝備情況，現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境和工件的形狀及尺寸，采用氧炔火焰加熱的方法比較可行，但溫度不好準(zhǔn)確控制，所以在實際操作時，采用邊加熱邊測量熱脹量的方法得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

裝配過程

為了順利安裝，對加工后待裝配的軸和孔進(jìn)行預(yù)先處理，清擦去除雜物，如圖5所示。將新加工的短軸孔朝上固定在地面上，將長軸焊上吊耳，用天車吊著準(zhǔn)備安裝。使用氧氣乙炔火焰加熱地面上的短軸，10min后開始間斷測量，大約經(jīng)過40min后，測得內(nèi)孔熱脹量達(dá)到600μm，長軸順利地裝入到短軸孔中，為了防止軸在熱脹冷縮的條件下出現(xiàn)變形，軸在自然冷卻至室溫之前，始終用天車垂直吊著。軸冷卻之后，將軸裝在臥式車床上進(jìn)行同軸度檢測，對軸的超差部位實施加工，直至滿足精度要求為止。斷軸連接后的效果如圖6所示。

圖5 裝配前的預(yù)處理圖

圖6 斷軸連接后的效果圖

結(jié)束語

主軸修復(fù)后自投入使用到現(xiàn)在已有兩年多時間，尚未出現(xiàn)軸扭斷、磨損及開裂現(xiàn)象。這是用理論指導(dǎo)實踐的一次成功案例。在這項實踐活動中，我們積累了寶貴的機(jī)械零件強(qiáng)度驗算和實際安裝經(jīng)驗，為今后大型零件的低成本應(yīng)急維修提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗。