电梯传动轴的失效分析外文翻译资料
2022-10-01 21:25:43
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电梯传动轴的失效分析
- yuuml;rekGouml;ksenli*,I.B.Er
Faculty of Mechanical Engineering,Istanbul Technical University, Guuml;muuml;ssuyu 34437,Taksim,Istanbul,Turkey
摘要：在这项研究中详细解析了电梯传动轴的失效分析。故障发生在轴的键槽，轴的微观结构、机械和化学性质是确定的。通过对断口进行可视化研究，可得出断裂的发生是由扭转弯曲疲劳引起的，疲劳裂纹在键槽的边缘发起。考虑到电梯和驱动系统，作用于轴上的力和力矩是确定的，可以计算出发生在故障表面的应力，再运用有限元法进行应力分析，并与计算值进行比较。计算疲劳极限和疲劳安全系数，估算轴的疲劳周期。对失败的原因进行研究和总结，得出断裂的发生是由于错误的设计或制造的键槽（键槽角落的低曲率半径造成高缺口效应）。综上所述，通过使用有限元法对曲率半径的变化对应力分布的影响进行了解释，并且澄清了必须采取的预防措施，以防止类似的故障的出现。
关键词：驱动轴、电梯、失效分析、缺口效应、有限元法
- 引言
本文中研究的电梯驱动轴服役了30年，电梯的驱动系统安装在建筑物的底部（图1）。据悉，轴在运行过程中没有进行任何的维护，这个电梯是用在一栋8层16套房的建筑物里，电梯最大限度能载4人（320公斤）。就在事故发生前，有两人离开了电梯，由于轴的突然断裂，滑轮和电动发动机之间的联系被打破，导致发动机的制动系统发生故障。由于平衡器的重量，电梯以一个很快的速度向上抬起，所幸在这场事故中没人受伤。
- 电梯传动系统分析
在电梯传动系统分析中，可以得出的结论是电机产生的转矩是由齿轮轴传送的。这个电动发动机能产生6.5马力，能旋转1500转，它的蜗轮减速比是28.6。轴通过一个键带动皮带轮旋转，电梯的四条主要绳索放在滑轮上，电梯通过传动轴和皮带轮两个方向的旋转上下移动。电梯的运行速度是0.6m/s，轴以轴颈轴承三点的形式支撑（图2）。
图1.大楼内的电梯系统
图2.电梯传动系统
- 断裂面可视化研究
初级可视化研究后发现断裂发生在皮带轮与轴紧固的键槽上（图3）。
在分析断面（图4）后，检测出了典型的扭转弯曲疲劳断面[1]。疲劳裂纹在键槽处开始并几乎沿整个表面移动。小面积的脆性断裂面表示着低应力。疲劳线仅检测到附近的脆性断裂区域，这可能是由于两个相互分离的表面的摩擦，导致形成的疲劳线消失。
- 材料性能
由于没有关于轴材料的化学成分的信息，因此在失效分析中的第一任务是材料识别。要确定轴的材料，对其化学，力学性能和微观结构进行了分析。
图3.失效的轴
图4.断裂面
4.1.化学分析
用轴的吸收光谱法进行了轴的化学分析并记录数据于表一
4.2.微观结构
轴的材料的微观结构是在金刚砂抛光后，用2%硝基溶液蚀刻并在显微镜下观察得到的（图5），铁素体-珠光体的细晶粒结构清晰可见。
4.3.力学性能
进行拉伸和硬度试验，以确定轴的机械性能，数据记录于表二。
考虑到力学、化学和微观结构的分析结果，轴的材料预估采用St52.0,拉伸，屈服，伸长率和硬度值是适合于DIN1629[2]St52.0的目录值的[2]。
表一
轴的化学成分
图5.轴材料的显微组织
表二
轴的机械性能
- 应力分析
通过应力分析，对发生在操作过程中的断裂面上的最小和最大的正常及剪切应力值进行了研究。首先，确定轴上的力和力矩。通过分析最小应力值，指只考虑了空舱（420公斤）和平衡重量（580公斤）的情况。在这种情况下，反应力导致在断裂面上产生的437.4的弯矩形成了大小为20.6MPa的正常应力值。由空舱，绳索和天平的重量的作用导致的剪切力形成了3.5MPa的剪切应力。通过分析最大应力值，平衡重量，客舱以及里面4人重量（每个人是80公斤，客舱总的重量是740公斤），而且扭转力矩和冲击比是考虑在内的。在这种情况下，发生在断裂表面的大小为571的弯矩造成了大小为27MPa的正常应力值。由于剪切力，剪切应力值为4.7MPa。6.5马力的电动发动机转速是1500r/min，蜗轮传动比为28.6，传动系统的效率是0.7（由于是蜗轮机构）。考虑到这些参数，扭转力矩计算为887.7。在这些情况下，总的剪切应力值计算为25.7MPa。
通过视觉检查，可以确定从键槽表面到键槽侧面（拐角）的过渡是大致垂直的，并且可以观察到几乎没有曲率半径（RC），见图6。
理论上，RC不能为零，通过铣磨刀具它也只能达到0.5mm的值[3]。因此，通过计算RC是0.4mm，造成了巨大的高缺口效应。分析了两个状态下的理论缺口效应（使用相关的表[4]），剪切缺口效应（）被确定为2.93，而弯曲缺口效应（）被确定为2.72，考虑轴的几何形状和材料，缺口疲劳系数（beta;）可计算成：
（1）
图6.失效轴和断面
在这里表示缺口敏感性因数，它的值是0.85[4]。利用试（1）计算剪切疲劳缺口效应（）得2.64，，而正常的疲劳缺口效应（）是2.46，影响比系数是1.2。考虑剪应力和正应力，冲击系数（rho;）、疲劳缺口效应和等效应力（）能用“形状变形能假说”[5]来计算：
（2）
总结的结果见表三。
5.1.疲劳强度分析
轴材料的疲劳强度（疲劳极限）计算用[6]
（3）
考虑直径为60mm的尺寸因子（），得，而表面因子（精细抛光），新的极限耐力（）计算如下：
（4）
。在我们的计算完成之前，我们知道平均应力值（）是不为零的，要确定对疲劳极限的影响，我们不得不弄清楚或者估算。为了计算出，我们必须考虑发生在断裂表面的应力值随时间的变化，但这是相当困难的。在我们的计算完成之前，我们计算出了最大和最小的应力值，最小应力值发生在空舱和静止位置（速度为零），并且没有加速度，最大应力值发生在电梯加速并且电梯里有四个人（每个人被假定为80公斤）的时候，但在现实中，在客舱内运送的人数并不总是最大交通量（4人）。因此，发生在断裂面的变幅应力取决于舱内的人员数量（图7）。
每一个最低峰值显示了发生在断面上的应力值出现在电梯不动或者是空的的时候，每一个最高峰值显示了发生在断面上的应力值出现在电梯舱内有人或者考虑加速度的时候。
为计算平均应力值，我们必须通过假设总是最大应力发生在断裂面来将变幅应力转化为等幅应力（总是4人被运送），根据这个假设，我们可以在图8应力随时间的变化，在这种情况下，平均应力值是108MPa。
在计算的耐久极限值被修改之前，要考虑平均应力值。通过分析，古德曼[6]标准是被推崇的（图9），改进的耐力极限（）可以用下式计算：
（5）
考虑修改的耐久极限（）和等效应力（），疲劳安全系数（v）可以计算为：
（6）
5.2.疲劳寿命分析
从式（6）中可以看出，疲劳安全系数非常低（v=1.05），对于详细的疲劳寿命分析，生命周期可以通过以下假设来预估：建筑内的电梯总位移为8层约21m。这栋建筑物由16套公寓组成，有一半的公寓住两人，另外一半的公寓住三人，每个人一天用两次电梯，这电梯一年要被使用340天，并且轴已经运行了30年。滑轮的直径是400mm，并且每次转动电梯都移动1.257m。考虑到这些情况，轴的总寿命约为个周期。
对于进一步的疲劳分析，轴的应力循环曲线是可以估计的。为绘制轴的S-N曲线，根据juvinall和Shigley [7,8]，在周期内发生的疲劳失效时的应力值可以计算为：
（7）
表三
在运行过程中发生在断裂表面的应力、力和扭矩值
图7.应力作用于断裂表面的时间取决于舱内的人员数量（变幅载荷）
图8.作用于断裂表面的应力-时间图（恒幅载荷）
图9.考虑平均应力值为108MPa的情况下确定改进的耐力极限（根据Goodman）
在m=0.9的地方发生弯曲，根据式（7），在周期时的应力值为512MPa。图中的第二点是周期时的钢的极限耐力值，根据这些说明，可以在图十中看到估计的S-N图。
由于低应力值和高疲劳周期，故障会发生在和周期[9]，因此，预估的个生命周期的疲劳失效支持我们的论点。
图10.预估的应力循环图
- 有限元分析
为了检验键槽和断口的应力分布，应用了有限元分析（FEM），通过分析，采用ANSYS程序，建立了轴的精确的几何模型。因为轴太长而无法作为一个三维的对象来进行全面分析，因此只进行了键槽和断裂区的详细建模（图11）。
可以清晰的观察到高应力区，特别是在键槽拐角的地方，应力值提高的显性影响是曲率半径小造成高缺口效应。用有限元分析进行应力分析的的目的是验证我们之前计算过的应力值。从图11中我们可以看出，在断裂面的应力值与计算值相近。
- 讨论
通过增加曲率半径值（RC），可以有效地降低发生在键槽拐角的应力值。为了确定RC在应力分布上的影响，，进行了有限元分析。通过这次检测，在应力值减少的视觉分析中，RC值逐步增加，这可以在图12中看出。
可以清楚地看到键槽拐角处的应力值是急剧减小的。为了进一步研究，对RC结构的变化对应力值和疲劳安全系数的影响进行了详细的分析，这在图13和14中可以看出。
通过增加曲率半径，甚至是从0.5mm到2mm也会让应力值从163MPa减小到104MPa，而且疲劳安全系数将会从1.05提高到1.78。图13和14说明曲率半径的增加可能会防止电梯驱动轴的故障。总之，可以确定的是轴断裂的发生是由于错误的设计或者键槽的加工问题（曲率半径小）导致了高缺口效应。
图11.轴的有限元网络
图12.曲率半径（RC）对应力分布的影响的有限元分析
图13.RC对应力分布的影响
图14.RC对疲劳安全系数的影响
- 总结
对某电梯传动轴的失效分析进行了详细的研究，轴的微观结构、力学和化学性质都是确定的。通过对端口进行可视化研究，得出了断裂发生的原因是由于扭转弯曲疲劳，疲劳裂纹在键槽的边缘开始，在轴上的力和力矩是确定的，发生在断面上的应力是可以计算的。计算疲劳极限和疲劳安全系数，预估轴的疲劳分析和疲劳寿命。该轴断裂的发生是由于错误的设计和制造的键槽（曲率半径小）导致高的缺口效应。总之，通过使用有限元分析的方法说明了曲率半径的变化对应力强度和分布的影响，并且表明我们不得不采取防止类似故障发生的预防措施。
参考文献：
[1] Eryuuml;rek IB.Failure analysis.Istanbul:Birsen Publisher;1993.
[2] Eube J.Standards for steel–a handbook of tables from DIN standards. Beuth;2007.
[3] Edwards K,McKee BR.Fundamentals of mechanical component design.New York:McGraw-Hill;1991.
[4] Frost NE,Marsh KJ,Pook LP.Metal fatigue.New York:Dove
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