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轴(shaft)是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件,但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状,各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。
基本信息
轴轴 zhou 形声。字从车,从由,由亦声。“由”意为“滑动”。“车”与“由”联合起来表示“车轮上的滑动部件”。
本义:车轮上的旋转部件。
说明:《说文》:“轴,持轮也。从车,由声”。
常见的轴有曲轴、直轴和软轴三种。
直轴又可分为:①转轴,工作时既承受弯矩又承受扭矩,是机械中最常见的轴,如各种减速器中的轴等。②心轴,用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩,有些心轴转动,如铁路车辆的轴等,有些心轴则不转动,如支承滑轮的轴等。③传动轴,主要用来传递扭矩而不承受弯矩,如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢,也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度,转速高时还取决于振动稳定性。
轴轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸,为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式,载荷的性质、方向、大小及分布情况,轴承的类型与尺寸,轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输,对轴的变形等因素有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计,必要时可做几个方案进行比较,以便选出最佳设计方案,以下是一般轴结构设计原则:
1、节约材料,减轻重量,尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状;
2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整;
3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施;
4、便于加工制造和保证精度。
1、加工精度
1)尺寸精度 轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。按使用要求,主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级,精密的轴颈也可达IT5级。轴长尺寸通常规定为公称尺寸,对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。
2)几何精度 轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上,这两个轴颈称为支撑轴颈,也是轴的装配基准。除了尺寸精度外,一般还对支撑轴颈的几何精度(圆度、圆柱度)提出要求。对于一般精度的轴颈,几何形状误差应限制在直径公差范围内,要求高时,应在零件图样上另行规定其允许的公差值。
3)相互位置精度 轴类零件中的配合轴颈(装配传动件的轴颈)相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。通常普通精度的轴,配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm,高精度轴为0.001-0.005mm。
此外,相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度,轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。
2、表面粗糙度
根据机械的精密程度,运转速度的高低,轴类零件表面粗糙度要求也不相同。一般情况下,支撑轴颈的表面粗糙度 Ra值为0.63-0.16 μm ;配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.63 μ m
轴类磨损是轴使用过程中最为常见的设备问题。轴类出现磨损的原因有很多,但是最主要的原因就是用来制造轴的金属特性决定的,金属虽然硬度高,但是退让性差(变形后无法复原),抗冲击性能较差,抗疲劳性能差,因此容易造成粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损等,大部分的轴类磨损不易察觉,只有出现机器高温、跳动幅度大、异响等情况时,才会引起人们的察觉,但是到人们发觉时,大部分轴都已磨损,从而造成机器停机。
大型设备轴头磨损后的修复是一个值得关注的问题。当轴的材质为 45号钢(调质处理)时,如果仅采用堆焊处理,则会产生焊接内应力,在重载荷或高速运转的情况下,可能在轴肩处出现裂纹乃至断裂的现象。如果采用去应力退火,则难于操作,且加工周期长,检修费用高。当轴的材质为HT200时,采用铸铁焊也不理想。
国内针对轴类磨损一般采用的是补焊、襄轴套、打麻点等,如果停机时间短又有备件,一般会采用更换新轴,一些维修技术较高的企业会采用电刷镀、激光焊、微弧焊甚至冷焊等,这些维修技术需要采购高昂的设备和高薪聘请技术工人,国内一些中小企业一般通过技术较高外协来帮助修复高价值轴,只不过要支付高昂的维修费用和运输费用。
对于以上修复技术,在欧美日韩企业已不太常见,因为传统技术效果差,而激光焊、微弧焊等高级修复技术对设备和人员要求高,费用支出大,现在欧美日韩一般采用的是福世蓝高分子复合材料技术和纳米技术,现场操作,不仅有效提升了维修效率,更是大大降低了维修费用和维修强度。
因金属材质为“常量关系”,虽然强度较高,但抗冲击性以及退让性较差,所以长期的运行必造成配合间隙不断增大造成轴磨损,意识到这种关键原因后,欧美新技术研究机构研制的高分子复合材料即具有金属所要求的强度和硬度,又具有金属所不具备的退让性(变量关系),通过“模具修复”、“部件对应关系”、“机械加工”等工艺,可以最大限度确保修复部位和配合部件的尺寸配合;同时,利用复合材料本身所具有的抗压、抗弯曲、延展率等综合优势,可以有效地吸收外力的冲击,极大化解和抵消轴承对轴的径向冲击力,并避免了间隙出现的可能性,也就避免了设备因间隙增大而造成相对运动的磨损,所以针对轴与轴承的静配合,复合材料不是靠“硬度”来解决设备磨损的,而是靠改变力的关系来满足设备的运行要求。
轴的扭转刚度校核是计算的轴的工作时扭转变形量,是用每米轴长的扭角度量的。轴的扭转变形要影响机器的性能和工作精度,如内燃机凸轮轴的扭转角过大,会影响气门的正确启闭时间;龙门式起重机运动机构传动轴的扭转角会影响驱动轮的同步性;对有发生扭转振动危险的轴以及操纵系统中的轴,都需要有较大的扭转刚度。