锥形转子电动机断轴原因分析

杭州电机总厂(杭州　310012)　张庆德

1　前言

带制动器的锥形转子电动机，主要用于电动葫芦起升及其运行机构。多年来，该电动机电机轴制动端花键段存在不同程度的断轴问题，严重影响电动葫芦的安全使用。为解决此问题，早在70年代末，行业内有关单位对此进行了研究，提出加大花键尺寸和花键淬火由高频加热改为中频加热两种方案。考虑到设备投资及利用率等因素，我厂选择了前一方案，即加大花键尺寸，并仍然采用高频淬火。此后，情况在总体上有所好转，但断轴事故依然时有发生，其中以715kW电动机最为严重。行业内其他生产厂，不同程度亦存在同样问题。

本文通过对电机轴花键断口宏观形态及断裂位置的分析，认为该断口无疲劳断口的一般特征，而以材料韧性不足在冲击载荷下引起断裂的可能性较大，提出取消以提高电机轴花键疲劳强度为目的的高频淬火的建议。通过5年多的不断探索，疲劳寿命试验和逐步扩大范围的实际应用，证实上述观点的正确性。

2　热处理技术要求及热处理制度

在该电动机服役过程中，电机轴花键与制动器内花键之间无相对滑动，且内花键无热处理要求，故不考虑电机轴花键的硬度要求对提高耐磨性的作用。当初设计电机轴花键热处理强化之目的，只能是为提高其疲劳强度。

该轴的材料为40Cr钢，预先热处理为调质，硬度229～269HB，最终热处理后花键硬度45～50HRC，要求淬火部位长度≥52mm，见图1。

图1　715kW电机轴制动端示意图                    图2　电机轴花键断头

从60年代产品投产以来，电机轴一直存在不同程度的花键段断轴问题，该轴的热处理硬度被行业规定为产品检验的关键项目。本厂对该轴花键的高频淬火，采用100%硬度检验，尽管高频加热后采用油冷却，淬裂的可能性极小，但仍进行按10%比率磁粉探伤检查。

3　宏观断口及其位置

图2为电机轴花键断头照片，其断口为正断型扭转断口。在断口上，无贝壳纹弧线，无磨光标记，目测或低倍放大镜下，未发现裂纹源位置，整个断面粗糙，无裂纹扩展区和瞬时断裂区之分。

图3为电机轴花键断裂位置及表面硬度分布示意图。常见断口出现在紧挨内外花键配合的外侧，约距左端36～46mm的高频淬火区间。未发现断口出现在高频淬火的热影响区BCD段的情况。应当指出，按图3所示的高频淬火长度是不合理的，因为热影响区可能落在花键末端应力较集中的位置，理应将高频淬火长度延伸到图3E点以左，使热影响区远离危险截面。但考虑到多年来断裂位置并不与热影响区重合的事实，故没有必要改变淬火长度。相反，如果断定断裂确实与花键表层硬度高、韧性差有关，则延伸淬火长度反而会增加断轴机会。

图3　花键断口位置及表面硬度分布示意图          图4　40Cr钢调质+高频淬火+回火后金相组织　×500

4　断轴原因分析

图4中电机轴花键断口处的金相组织为回火屈氏体。花键齿被淬透，齿表面硬度为46HRC。从热处理状态正常及前述宏观断口形态看，该零件不属于疲劳断裂。由断口位置主要出现在高频淬火区这一事实，也说明除该处应力集中外，断轴原因很可能与材料韧性不足有关，电动葫芦在使用过程中，要进行频繁的起动制动，电机轴制动端花键受到很大的扭转冲击。因此，在满足强度的条件下，电机轴还必须有足够高的韧性，以保证起重机械的使用安全。热处理强化是提高材料强度的基本手段之一，但强度和韧性往往是矛盾的。通过对该轴在调质或正火状态下疲劳强度、强度安全系数校核(计算从略)，表明轴的强度已能满足要求。从而进一步确认取消该电机轴的高频淬火，有利于避免或减少花键断轴事故的发生。

5　寿命试验及实际应用

5.1　寿命试验

将未经高频淬火的715kW锥形转子电动机花键轴安装在5t电动葫芦上，于额定载荷(5t)下在专用自动试验架上进行寿命试验。循环周期为12s，其中起升2s，停止4s，下降2s，停止4s。试验周期总数定为25万次。试验结束后，对电机轴花键进行裂纹和尺寸检查，未发现可见的裂纹及塑性变形。

5.2　实际应用

由于该型号电动机是行业联合设计的，电机轴硬度又被规定为行业产品检验关键项目，因此，企业对改变原电机轴热处理设计持十分慎重态度。为了使失误的可能性降低到最小，采用了渐进的逐步扩大实际应用范围的办法。一旦出现偏差，可立即停止生产，进行分析研究。整个应用过程分4个步骤:第一步：向断轴用户提供花键未高频淬火的转子部件，这一方法风险小，见效快，较易被持不同观点的人接受，最坏的结果无非是再断一次轴。另一方面，断轴用户往往具有较特殊的使用环境，由于生产急用，可及时地把供给的部件装上使用，便于对比和质量跟踪，信息反馈快。第二步：按生产量30%之比例，将带有不经高频淬火花键轴的电机，装入电动葫芦整机上，出厂供用户使用，并进行质量跟踪。第三步：将上述应用范围扩大到50%。第四步：下达技术通知，从0.2kW～13kW共8种规格的锥形转子电动机电机轴花键(包括输入端花键和制动端花键)的高频淬火全部取消。

经过3年多的逐步扩大应用范围的实际应用，目前，电机轴的断轴现象已基本杜绝。根据以往统计，该类电机的断轴以发生在电动葫芦使用2～3个月时居多。至今尚未发现1例因取消轴花键高频淬火发生的断轴事故。

6　结论

(1) 锥形转子电动机花键断轴不是疲劳失效，而是由于韧性不足在电机制动的冲击载荷下失效。

(2) 取消该电机轴花键的高频淬火，降低了生产成本，保持了材料的韧性，避免或减少断轴的可能性，提高了产品的使用安全性。

(3) 建议用45钢代替现行40Cr钢制造该电机轴，预先(最终)热处理由现行调质改为正火。