金屬驅動軸斷裂失效分析及改進研究

李 劍

（東芝扶梯（中國）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

金屬驅動軸是扶梯的一個主要部件，它安裝在扶梯的驅動輪與電動機之間，其主要作用是確保扶梯能夠順暢運行[1]。眾所周知，金屬驅動軸的平穩(wěn)工作不僅僅影響著扶梯的安全運行，同時它還影響著乘客乘坐扶梯的安全性和舒適性。除此以外，金屬驅動軸是扶梯系統(tǒng)的輸出軸與軸承一同承載著扶梯的運行工作，因此，金屬驅動軸的失效或者零件破損不僅會影響扶梯安全生產，甚至會造成很大的安全事故[2]。為此，本文主要對金屬驅動軸斷裂進行的全面的分析研究，并在此基礎之上提出了相關的改進措施。

1 金屬驅動軸斷裂失效分析研究

1.1 扶梯金屬驅動軸斷裂的斷口分析

扶梯金屬驅動軸斷裂的斷口是金屬驅動軸斷裂后金屬表面所出現的一種外觀形貌，它主要是指斷口產生的裂紋或者是斷口擴展時所產生的痕跡，其形狀或者外形直接記錄了扶梯金屬驅動軸斷裂的起因、斷裂過程以及最終斷裂的相關信息[3]。通過對扶梯金屬驅動軸斷裂斷口的形貌特征進行觀察分析研究可以得到有關扶梯金屬驅動軸的使用信息，同時了解扶梯金屬驅動軸的斷面形狀以及斷裂裂紋的擴展方向等相關信息，以此來進一步判斷扶梯金屬驅動軸的斷裂原因，為進一步完善扶梯金屬驅動軸鍛煉失效模式、改進設計結構以及合理選材等提供優(yōu)化方向。

金屬驅動軸斷裂斷口分析還是金屬驅動軸材料鍛煉失效分析研究的一個主要內容，通過對金屬驅動軸斷裂斷口進行分析和研究能夠有效的揭示金屬驅動軸斷裂的機理，以此來確定金屬驅動軸斷裂失效的原因，從而更好的根據金屬驅動軸斷裂失效原因分析其優(yōu)化措施。

1.2 扶梯金屬驅動軸材質分析

扶梯金屬驅動軸材質分析主要是分析材料的使用特征。金屬材料的抗拉強度與材料的疲勞強度在一定條件下呈正比例關系。因此，在進行扶梯金屬材質分析時要注意材質的疲勞強度和抗拉強度。有一些金屬驅動軸在生產過程當中其材料中摻雜了鋼元素，從而導致金屬驅動軸的疲勞強度和抗拉強度降低，從而降低了金屬驅動軸的使用壽命，給扶梯的運行帶來極大的隱患。除此以外，金屬驅動軸在其生產加工過程當中都要經過冶煉、鑄錠以及鍛造等冶金程序，其冶金過程的質量高低也直接影響著金屬驅動軸的最終疲勞強度、抗拉強度和使用壽命。

1.3 化學成分分析

對扶梯金屬驅動軸的材料進行化學成分分析主要是為了研究金屬驅動軸化學成分當中的碳化物和非碳化物所形成的合金元素，這些化學元素在進行熱處理之后能夠提升金屬驅動軸的各項力學性能。金屬驅動軸在扶梯運行過程當中承受著各個各樣的沖擊力和載荷力，因此對金屬驅動軸的材質要求也相對較高。通過相關的技術資料查詢可以得知，當前我國扶梯金屬驅動軸所選用的材料牌號主要為42CrMo材料。42CrMo材料作為一種綜合性優(yōu)良的金屬結構鋼材料，其材料當中主要包含合金元素Cr與Mo兩種非碳化物所形成的合金元素，其中Cr元素能夠有效的提升金屬的穩(wěn)定性，同時降低金屬的臨界冷卻速度，從而有效的提升金屬材料的淬透性，確保金屬材料的穩(wěn)定性。

1.4 機械性能測試

在扶梯金屬驅動軸斷裂失效分析當中，金屬驅動軸的機械性能測試主要是為了檢測金屬驅動軸斷裂零件的材料塑性、材料強度以及材料強度指標，即檢測金屬驅動軸失效抗力指標是否達到指標，以此來更好的判斷金屬驅動軸零件材料是否滿足金屬驅動軸運行要求以及相關機械性能。

為了檢測金屬驅動軸的機械性能，進行了拉伸實驗和硬度檢測實驗。通過拉伸實驗不僅僅可以檢測金屬材料在靜載荷作用下所形成的載荷與伸長量的關系，同時還能夠獲得靜載條件下金屬驅動軸的材料的延伸率、抗拉強度、屈服極限以及斷面收縮率等相關的力學性能指標，具體的拉伸實驗結構圖如圖1所示，為拉伸實驗結構圖。

圖1 拉伸實驗結構圖

通過實驗可以得出扶梯金屬驅動軸拉伸實驗結果如下所示。

屈服強度δs＝10055MPa，試件的抗拉強度δb＝12048MPa，斷面伸率δ＝17.55%。

根據相關要求，42CrMo材料調質處理后的所產生力學性能為抗拉強度σb≥1100MPa，其屈服強度σs≥650MPa，斷面延伸率δ≥12%，因此，將實驗數據與國家標準數據進行比較分析得出，扶梯金屬驅動軸的韌性和強度等機械性均已達到國家標準要求。

2 金屬驅動軸失效的改進研究

為了提高扶梯金屬驅動軸的使用壽命，降低和避免出現金屬驅動軸失效的難題，急需對金屬驅動軸的設計進行優(yōu)化。本文設計的優(yōu)化方案主要有兩種，分別是優(yōu)化金屬驅動軸鏈接方式和金屬驅動軸軸徑尺寸優(yōu)化，下文對兩種優(yōu)化方式進行全面詳細的介紹。

2.1 優(yōu)化金屬驅動軸鏈接方式

當前，市面上較為常用的機械回轉部件鏈接方式是鍵連接和過盈連接或焊接，其中，鍵連接主要是利用鍵來實現金屬驅動軸與其軸上零件進行負載傳遞，它屬于機械傳動中使用最廣泛的一種鏈接方式，其具有加工簡單、拆裝維修方便以及性能好等優(yōu)點，但是其也存在著一些缺點，比如無法承受重型載荷、削弱連接件的疲勞強度以及降低金屬驅動軸的承載能力和壽命等等。過盈連接與其不同，它主要是通過被連接件之間的過盈配合實現扶梯金屬驅動軸和其軸上零件的鏈接，其優(yōu)點主要是能承受重型載荷和沖擊載荷、傳動精度高以及削弱金屬驅動軸連接件疲勞強度的結構缺陷等等。但是它與焊接一樣也存在一定的缺點，比如拆裝及維護困難，這在一定程度上限制了過盈連接及焊接的應用。

2.2 金屬驅動軸軸徑尺寸優(yōu)化

優(yōu)化金屬驅動軸在去除金屬軸的螺紋孔和縮短鍵槽的長度后，其所輸出的軸端的應力明顯降低，導致疲勞壽命有所提高；然而，此種優(yōu)化方式使軸端階梯處的安全系數卻明顯偏低，使得疲勞壽命也相應降低。于此可知，僅僅優(yōu)化金屬驅動軸外部結構仍無法滿足金屬驅動軸運行需求，因此需對金屬驅動軸軸徑尺寸進行優(yōu)化。金屬驅動軸軸徑尺寸優(yōu)化主要是指對金屬驅動軸的軸徑進行合理優(yōu)化。為提高扶梯金屬驅動軸的使用壽命，通過改變扶梯金屬驅動軸的軸徑尺寸來提高金屬驅動軸的疲勞強度。

3 結束語

總而言之，扶梯金屬驅動軸斷裂失效屬于脆性斷裂的范疇，且在使用過程當中不會產生塑性變形，且沒有任何的先兆。所以扶梯金屬驅動軸斷裂后往往產生災難性后果，導致巨大的經濟和人員損失。為了降低和避免扶梯金屬驅動軸斷裂事件的發(fā)生要及時對其進行檢測和優(yōu)化，以此來確保扶梯的順利運行。