电机轴的失效分析和优化设计[毕业论文+CAD图纸]

机械设计毕业论文：电机轴的失效分析和优化设计含论文，CAD图纸

目 录

前 言...................................................................1
第1章 失效分析..........................................................3
1．1 失效（分析）的概念.................................................3
1.2 失效（分析）的发展..................................................3
1.3 失效分析的目的...................................................4
1.4 失效（断裂）分析的方法............................-..............5
1.5 失效分析的思路.....................................................6
1.6 失效分析的程序......................................................7
第 2 章 电动机输出轴的断裂分析.......................................10
2.1 宏观分析...........................................................10
2.2性能检查.............................................................11
2.3 电机轴的性能检查.................................................11
第 3 章 输出轴的有限元分析及优化设计....................15
3.1 PRO/E建模............................................................15
3.2 ANSYS分析...........................................................17
3.3电机轴的优化设计....................................................19
结束语..................................................................22
附录1 参考文献...........................................................23

前 言

随着科技的突非猛进系统和设备日益复杂，功能不断提高，机械零件的不可靠和不安全因素增多，导致故障的原因也增多，因而对故障的分析研究工作亦越来越受到世界各国的关注。工业的发展、技术的进步正是人们不断与产品失效做斗争的结果，这在航空和航天事业的发展史中表现尤为突出。因为即使航天飞机这么先进的运载工具也可能发生故障，如美国的价值12亿美元的“挑战者”号航天飞机，在1986年1月28号第11次升空时突然爆炸，使7名宇航员遇难，这一惨痛悲剧再次告戒人们忽视产品失效问题将带来灾难性的恶果。任何一次失效都可以看成是产品在服役条案件下所做的一次最真实做可靠的学实验的结果；通过失效分析判断失效模式，找出失效的原因和影响因素，也就找到了薄弱环节所在，从而改进有关部门的工作。提高产品质量。失效分析是可靠性工程的技术基础之一；是安全工程的重要技术保障之一；是维修工程的理论基础和指导依据；可产生巨大的经济效益和社会效益。

电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是电动机中不可缺少的重要零件之一,也是最常见的失效零件。

为此，我们对电动机输出轴的断裂原因进行了比较系统的分析：轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的。使减速器的工作性能达到最优。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。

Pro/ENGINEE是1985年美国波士顿PTC公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，本文所进行轴的结构分析就是基于Pro/ENGINEER这一软件。

第1章 失效(断裂)分析

1.1 失效（分析）的概念

失效，按照国家标准GB3187-82《可靠性基本词术语及定义》，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做“失效分析”。失效分析是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。

美国《金属手册》认为,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:①当它完全不能工作时;②仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;③受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。

机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。本论文所研究的就是断裂失效。

1.2 失效（分析）的发展

早在远古时代，人们对产品失效就有了宏观认识。产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从100多年前的工业革命开始的。当蒸汽机动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。

因而1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。在1938-1945年间，美国质量管理学会发起“失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理论的研究。

近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。

1.3 失效分析的目的

失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:①失效性质的判断;②失效原因的分析;③采取措施,提高材料或产品的失效抗力。

产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析,找到造成产品或装备失效的真正原因,从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施,特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律,运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果,提出增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命,又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力,使材尽其用,这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容

材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展。虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。

1.4 失效（断裂）分析的方法

失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：

1．事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）；

2．事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）；

3．事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。

上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。

1.5 失效分析的思路

失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是:

1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。

2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。

3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。

4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。

5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:

（1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑

（2）结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;

(3)客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;

(4)实验室规律性试验研究与生产试验相结合。

1.6 失效分析的程序

进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:

1. 收集失效件的背景数据　除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:

(1) 失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况;

(2) 失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。

2. 失效零部件及全部碎片的外观检查　在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为:

(1) 观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;

(2) 观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹;

(3) 观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处;

(4) 观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤;

(5) 观察相邻零部件或配偶件的情况;

(6) 观察零部件表面有无附着物。

3. 试验室检验　在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。一般采用的分析手段有下列各项:

(1) 化学分析　目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或进行微区成分分析。当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分;

(2) 宏观(低倍)分析　主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷;

(3) 断口分析　对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜(特别是扫描电镜)对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;

(4) 微观组织分析　即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因;

(5) 力学性能试验　在必要时可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,以校验该零部件的实际性能是否符合技术要求;

(6) 其它检测项目　如用X射线衍射仪进行定性(如σ相)或定量(如残余奥氏体含量)分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。

4. 判定失效原因

进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节。断裂失效原因的分析过程见图2.1。一般要从影响零部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全面分析,真正找到导致该零部件早期失效的主导因素。重大的失效分析项目,在初步确定失效原因后,还应及时进行重现性试验(模拟试验),以验证初步结论的可靠性。
图1.1 断裂失效原因分析思路

5. 分析结果的反馈

积极的失效分析,其目的不仅在于失效性质和原因的分析判断,更重要的是反馈到生产实践中去。也就是从失效分析的结论中获得反馈信息,据以确定提高失效抗力的途径(形成反馈试验方案),并通过试验选择出最佳改进措施。反馈的结果可能是改进设计结构、材料、工艺、现场操作规程,也可能是综合改进。

对于轴等机械零部件,应着重于在结构设计、材料选择和制造工艺方面的反馈,特别是结构、材料、工艺上的综合反馈,例如在某些情况下,通过改进零部件的形状、尺寸来提高其失效抗力较之改进材料和工艺更为有效。而当设计结构的改进受到限制时,零部件的应力水平、应力分布和应力状态又要求制造零部件的材料和工艺与之相适应(例如几何形状复杂、应力状态较硬的零部件,要求材料有足够的塑韧性;带有尖锐缺口的零部件,要求材料有较低的缺口敏感度等等)。由此可见,在提高零部件的失效抗力时,零部件的结构设计与材料、工艺是相互渗透,相互依赖的。

第 2 章 电动机输出轴的断裂分析

电动机输出轴简图

2.1 宏观分析

由作用在肋板上的拉力、轴两端的拉力、轴颈处的重力引起，这些应力随运行过程不断发生变化，一旦过载、突然启动和制动、多次重载荷冲击，减速器轴的某些局部位置可能发生低周大应变疲劳开裂和扭转过载塑性断裂。

断轴情况主要发生在负荷侧，如轴承支承处、有明显的刀痕处、肋板与主轴的结合处、轴肩处及有槽的地方。电机轴在设计和工艺上经常有槽、阶梯过渡处和轴肩等结构，如果槽结构不合理或不均匀、过渡圆角太小、轴径变化较大等，电机轴在交变应力的作用下，这些部位的应力分布会极不均匀，在应力特别高的部位逐步形成微观裂纹且逐渐扩展，导致突然脆性断裂。这是减速器轴断裂最常见的原因。
另一方面，电机轴的非配合面在加工时经常被忽视，轴表面和轴肩过渡圆角处常留有刀痕，表面粗糙度过大，这样会引起状态系数β降低，使轴的抗疲劳能力降低而引起折断。

2.2 性能检查

齿轮轴的宏观检查

要研究零件的失效问题，首要问题就是对零件进行宏观检查，断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础，查找断裂源区是宏观分析的最重要环节。

我们对断轴进行了实地考察，电机轴断口，断面灰且较亮，粗晶区很大，在一侧边缘人字纹隐约可辩，极似最后撕裂的少量痕迹，纤维区和剪切唇很不明显，没有腐蚀的痕迹，断源在上放，贝纹量甚少且不明显，属“结晶状”断口。再综合径向观察，断裂处不是出现在连接处，而是前面的一小段距离的地方，观察发现，断裂处原始就有一圈深度为1mm圆弧沟。有此可知：此断口属脆性断口，起始于离拐轴连接处大概1m的圆弧沟槽。

2.3 电机轴的性能检查

在此同时，我们从该轴的设计图纸得到：该轴应采用30Cr Mo材料，要求该轴表面的硬度HRC38—43（HBC280—320），采用整体调质工艺。我们对断裂电机轴原件进行检验和实际调查，发现该轴实际生产时与设计有较大的出入，采用35CrMo材料，而采用30CrMo整体调质。我们对材质进行了化学成分、机械性能等方面进行了检验，并列表与设计中采用的材质进行了对比，具体情况如下表2.1-2.3所示。

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