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某無縫廠作業(yè)區(qū)穿孔機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)下傳動(dòng)軸突然斷裂。為分析傳動(dòng)軸斷裂的原因，實(shí)測穿孔機(jī)在生產(chǎn)大系列鋼管時(shí)(原料270mmX3300mm，穿孔機(jī)軋制后小306mmX24mmX9000mm，材質(zhì)34Mn6)上、下傳動(dòng)軸的扭矩。共測得穿孔機(jī)生產(chǎn)33支鋼時(shí)的扭矩信號(hào)數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。
傳動(dòng)軸扭矩的測試采用電阻應(yīng)變電測技術(shù)。由材料力學(xué)知，當(dāng)受扭矩作用時(shí)，軸表面有最大剪應(yīng)力。軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45°的方向上有最大正應(yīng)力。相應(yīng)的變形為氣和龜，當(dāng)測得應(yīng)變后，便可算出hax。測量時(shí)應(yīng)變片沿與軸線成45°的方向粘貼。若測得沿45°方向的應(yīng)變場，則相應(yīng)的剪應(yīng)力為：采用美國產(chǎn)扭矩遙測系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行上下軸扭矩測量。該系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)，發(fā)射機(jī)安裝在轉(zhuǎn)軸上，將應(yīng)變片組成的電橋信號(hào)進(jìn)行放大、變換并發(fā)射出去，接收機(jī)接收到發(fā)射機(jī)無線電信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換成模擬電壓，與發(fā)射機(jī)設(shè)定的應(yīng)變測量范圍相對(duì)應(yīng)。該模擬信號(hào)送入便攜式振動(dòng)分析與監(jiān)測系統(tǒng)美國產(chǎn)ZonicBook618E型。
表為實(shí)測上下軸扭矩值共33支，篇幅所限取10支數(shù)據(jù)，實(shí)測33支鋼管扭矩統(tǒng)計(jì)結(jié)果：上軸出現(xiàn)的最大扭矩為597.8kN.m，扭矩平均值548.8kN.m，標(biāo)準(zhǔn)偏差19.5kN.m，下軸最大扭矩為539kN.m，扭矩平均值506.7kN.m，標(biāo)準(zhǔn)偏差19.2kN.m，上軸扭矩平均值高出上軸扭矩42.1kN.m，約7.7070，在33支鋼中每支鋼的最大扭矩值比較集電標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于19.6kN。
按疲勞強(qiáng)度條件對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行精確校核。這種校核計(jì)算的實(shí)質(zhì)在于確定變應(yīng)力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形，尺寸及載荷的基礎(chǔ)上，即可通過分析確定出一個(gè)或數(shù)個(gè)危險(xiǎn)截面，按下式求出計(jì)算安全系數(shù)Sca并應(yīng)使其稍大于或至少等于設(shè)計(jì)安全系數(shù)S，即：穿孔機(jī)傳動(dòng)軸主要承受脈動(dòng)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，可按非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)Sca，僅有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力時(shí)計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)大于或至少等于設(shè)計(jì)安全系是系數(shù)，即：式中，y剪切疲勞極限安全系數(shù)，S設(shè)計(jì)安全系數(shù)功：材料特性系數(shù)，ST剪應(yīng)力計(jì)算K：有效應(yīng)力集中系數(shù)，尺寸系數(shù)，月表面質(zhì)量系數(shù)，瓜應(yīng)力幅，平均應(yīng)力。實(shí)測下轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最大應(yīng)變值為216，uE，最大剪切應(yīng)力為：傳動(dòng)軸材料采用合金鋼42CrMo，由于斷裂的傳動(dòng)軸未經(jīng)熱處理包鋼技術(shù)中心檢驗(yàn)結(jié)果)，取強(qiáng)度極限b=800MPa，則剪切疲勞極限0.23，b=184MPa，合金鋼材料特性系數(shù)功a02，0.3，取功a0.3，則功0.15。傳動(dòng)軸斷裂處相關(guān)尺寸：法蘭直徑Ir800mm，傳動(dòng)軸外經(jīng)d=500mm，圓角半徑為r=20mm，d=0.04，查表得：零件的尺寸系數(shù)0.56，傳動(dòng)軸表面粗車的表面系數(shù)0.78，有效應(yīng)力集中系數(shù)K=1.62，代入公式計(jì)算：查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，軋鋼機(jī)萬向接手傳動(dòng)軸的安全系數(shù)一般取3，即S=3，故ST<S。
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