《机电设备故障诊断与维修》（王仲）527-2 教案 第13课 轴的故障诊断与维修

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课题轴的故障诊断与维修课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）理解掌握轴的选材及工艺、轴的配置（2）掌握轴的拆卸与清洗，以及装配工艺素质目标：感受轴的拆卸清洗以及装配过程，培养学生脚踏实地、吃苦耐劳的精神，培养精益求精的工匠精神教学重难点教学重点：轴的选材及工艺，轴的拆卸与清洗，轴的装配教学难点：轴的拆卸与清洗，轴的装配教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→→传授新知（38min）第2节课：→任务实施（20min）→实操练习（15min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务请大家了解轴的选材、工艺，以及装配的相关内容。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解本次课的主要内容，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】介绍轴的主要作用及失效形式，然后提出相关问题轴的主要作用是支撑传动零件、传递运动和动力。其在工作时会承受较大的交变弯曲应力、扭转应力，以及一定的冲击载荷。轴的轴颈和花键部位一般承受较大的摩擦。轴常见的失效形式有疲劳断裂、过量的弯曲变形和扭转变形、过量磨损等。因此，对于轴来讲，其需要具备良好的综合力学性能，较高的疲劳强度，轴颈等部位还应具有高的硬度和良好的耐磨性。轴的选材应满足哪些性能呢？【学生】聆听、思考、回答通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（38min）【教师】讲解轴的选材及工艺，轴的配置，轴的拆卸、清洗和检查，轴的故障修复，轴的装配等相关内容一、轴的选材及工艺轴用材料应具有高的疲劳强度、良好的综合力学性能、良好的耐磨性等特点，以防轴出现疲劳断裂、过载断裂、轴颈磨损等失效形式。轴类零件一般选用以下材料。✈【多媒体】PPT图片展示，案例法讲解不同工况下，轴材料的选择，并分析其原因【教师】案例法讲解轴材料的选择【学生】观看、聆听、思考、记录1．调质钢根据轴的不同工作条件，对调质钢的选用可分为以下三种情况。①受力较小、精度要求不高、冲击载荷不大的轴（如C620车床主轴、CW61100车床主轴等），一般选用碳素钢（如45钢等）。②同时承受轴向和弯扭交变载荷，精度要求较高，又承受一定冲击的较重要的轴（如C6132车床主轴、M7475B磨床砂轮主轴等），可选用合金调质钢（如40Cr、40MnB等）。③承受较高交变载荷、冲击载荷，受强烈摩擦，且转速、精度要求高的重要轴（如T4240A坐标镗床主轴、C21506多轴自动车床中心轴等），可选用渗氮调质钢（如38CrMoAl）。选用调质钢来生产轴的一般工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴径高频淬火及低温回火→磨削。2．渗碳钢承受较重交变载荷、冲击载荷和强烈摩擦的轴（如Y236刨齿机、Y58插齿机主轴、SG8030精密车床主轴等），可选用渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi等）。选用渗碳钢来生产轴的一般工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火及低温回火→磨削。3．合金工具钢或滚动轴承钢承受中等或重载荷，且冲击载荷较小、精度要求很高、轴颈部分有更高耐磨性要求的轴（如MQ1420、MB1432A磨床砂轮主轴等），可选用合金工具钢或滚动轴承钢（如9Mn2V、Gr15）。选用合金工具钢或滚动轴承钢来生产轴的一般工艺路线为：下料→锻造→球化退火→粗加工→调质→精加工→淬火及低温回火→磨削。二、轴的配置✈【多媒体】PPT图片展示，案例法讲解不同应用场合下轴的配置，并分析其原因【教师】案例法讲解轴的配置【学生】观看、聆听、思考、记录轴的配置需要注意以下几个方面。①一般常用轴端具有倒角的阶梯轴，以方便轴上零件定位、装配和拆卸。②尽量减缓轴截面的变径尺寸，以减小应力集中，提高轴的抗疲劳强度。在不同直径的过渡处应采用圆角，其中内圆角的半径不应过小。如果轴上零件的圆角或倒角在配置轴时造成了限制，则可采用凹切圆角或肩环圆角，以保证圆角尺寸。③过盈配合会产生应力集中，因此应在轴上采取增大配合处的轴颈，或在轴上、轮毂上开卸荷槽等措施，减小应力集中。④可采用表面强化处理，如辊压、渗碳、渗氮或表面淬火等，以提高轴的承载能力，延长轴的使用寿命。三、轴的拆卸、清洗和检查1．轴的拆卸✈【教师】开展主题讨论：根据轴的配置，结合教材内容，请同学们讨论总结不同工况下，轴的拆卸方法✈【学生】结合教材及课程资源，分组讨论✈【教师】巡回指导，查看各小组讨论情况【教师】根据学生讨论情况进行总结【学生】聆听、思考、记录轴的拆卸应根据其结构特点，并配合相应的工具的方法。常用的拆卸方法有击卸法、拉卸法、压力机法、千斤顶法、温差法和破坏法等。1）击卸法用击卸法拆卸轴时，主要利用铜棒、铅块、胶木棒、硬木块等，以锤击的方式拆卸轴。锤击时必须对轴采取保护措施，并且禁止直接锤击轴头，以防止轴头变形损坏。锤击时，首先应试击，如果听到坚实的声音，则要停止击卸，查看拆卸方向是否正确，紧固件是否拆下。拆卸方向应总是朝向轴孔大端。2）拉卸法用拉卸法拆卸轴时，主要利用拉出器、退卸器或拉拔工具来拆卸轴。采用拉卸法时，应注意拉拔工具的各触点要紧密接触轴的表面，防止打滑和拉伤其表面。2．轴的清洗✈【多媒体】PPT视频动画展示轴的清洗过程，并讲解清洗过程的注意事项完成轴的拆卸后，一般要对轴进行清洗。清洗方法和清理质量，对零件鉴定的准确性，机电设备的修复质量、修理成本和使用寿命等都将产生重要影响。轴的清洗步骤如下。①将轴放在煤油或金属清洗剂中浸泡、清洗。②将轴放在碱性溶液中浸泡，并冲刷清洗。③用吹风机将轴吹干，避免生锈。④抹上润滑油。⑤用布包住轴，并将其存放于干燥整洁的环境中。3．轴的检查清洗完轴后，应用合适的工具检查轴上是否存在擦伤，磨损，裂纹，圆度、同轴度变化，弯曲变形等。常见的检查工具有游标卡尺、千分尺、千分表等。下面简单介绍裂纹、圆度、同轴度和圆跳动的检查。1）裂纹的检查通常采用磁粉探伤仪检查轴的裂纹，检查步骤如下。①将轴清洗、晾干、磁化。②向轴表面均匀细密地撒上铁粉，使轴产生磁力线分布。③分析磁力线的分布情况，看磁力线是否有凸起，凸起处则为轴上的裂纹。④将轴旋转一定角度，重复上述操作，直至将整个轴都测完。2）圆度的检查✈【多媒体】PPT图片展示圆度检查仪器及其适用方法，详情见教材，教师介绍圆度检查仪器的特点及使用方法，并播放示范视频【教师】讲解并播放示范圆度检查仪器的使用视频【学生】观看、聆听、思考、记录通常采用顶尖、V形块、游标卡尺、千分尺等测量圆度值。用顶尖和千分表测量圆度值，将轴放置在车床上，用两个同轴顶尖支撑轴，并用千分表测量支撑处轴的直径；用V形块和千分表测量圆度值，将轴放置在同标高的V形块上，用千分表测量V形块与轴的切线的夹角；用游标卡尺或千分尺测量圆度值，将轴放置于平台上，测量轴的直径。轴的圆度的检查步骤如下。①将被测磨损轴段分为左、中、右三处截面。②每个截面旋转一周，在旋转时选择8个以上的位置进行测量，并记录测量结果，取8个值中最大值和最小值的差的一半作为此截面的圆度值。再分别测量另两个截面的圆度值。③取三个截面中的最大值作为被测磨损轴段的圆度值。3）同轴度和圆跳动的检查✈【多媒体】PPT图片展示同轴度和圆跳动的检查过程，详情见教材【教师】讲解并示范圆度检查仪器的使用【学生】观看、聆听、思考、记录将主轴放置于检验平板的两个V形架上，主轴后端装入堵头，堵头中心孔处有一钢球，紧靠支撑板。在各轴颈处，将千分表触头与轴颈表面接触，同时转动轴，此时千分表指针的摆动差即为同轴度值，而端面处的千分表显示的即为轴肩端面圆跳动值。四、轴的故障修复✈【头脑风暴】开展“你问我答”活动，教师随机说出轴的故障，学生结合教材及教师所讲，思考后，积极回答相应的修复方法【教师】随机说出轴故障现象【学生】思考、抢答①轴上裂纹。针对该故障，一般直接更换轴。切忌使用焊接进行维修，因为焊接后轴上位置含碳量增加，易使轴应力集中，抗疲劳强度下降，甚至出现机电设备事故，危害人员生命健康。②轴上磨损。针对该故障，可采用电镀、喷涂等方法修复。③轴上有毛刺。针对该故障，可用细油石轻轻研磨。④轴弯曲。针对该故障，理论上可以用矫正的方法进行矫直，但在实际上难以成功，所以常直接更换轴。五、轴的装配1．装配前的检查装配前，应对轴和孔的尺寸精度进行校对，确认无误后方可进行装配。2．进行装配1）装配方案轴的装配通常以轴最大直径处的轴环为中心，分别将零件从轴的两端装入。2）零件在轴上的定位和固定✈【多媒体】PPT图文展示零件在轴上的轴向定位和固定以及周向定位和固定方式，并讲解定位固定原因零件在轴上的定位和固定分为轴向定位和固定、周向定位和固定两种。轴向定位和固定：包括轴肩和轴环、轴套（套筒）、圆螺母、圆锥面、轴端挡板、弹性挡圈、锁紧挡圈、紧定螺钉等定位和固定方式。具体选择哪种方式，应考虑零件所受轴向力的大小、轴的制造工艺、轴上零件拆装的难易程度等因素。周向定位和固定：包括键、销、过盈配合等定位和固定方式，此外紧定螺钉也可用于周向定位，但仅用于转矩不大的场合。具体选择哪种方式，应考虑传递转矩的大小和性质、零件对中精度的高低、操作难易等因素。3）注意事项✈【教师】提出问题轴在装配时需要注意些什么？✈【学生】聆听、思考、回答✈【教师】总结学生的回答在装配时应注意以下事项。①应在配合表面涂一层清洁润滑油，以减小配合表面的摩擦。②装配时应先对正，再逐步施加压力，避免刮伤轴和孔。③已装好的轴部件，应均匀地支撑在轴承上，用手转动时能感到轻快。3．装配后的检查在完成轴的装配后，还需要对轴间平行度、垂直度、同轴度等进行检查。✈【多媒体】PPT图文展示轴装配后检查过程，讲解检查注意事项，并播放示范视频【教师】讲解并播放检查视频【学生】观看、聆听、思考、记录1）轴间平行度的检查轴间平行度可用内径千分尺法进行检查。具体方法为：选择轴上距离较远的两处，用内径千分尺测量这两处的轴间距离，若这两处的轴间距离相等，则说明两轴平行。2）轴间垂直度的检查轴间垂直度可用直角尺或弯针进行检查。轴间垂直度的检查，只需测量图中a与b的值，a与b的差值越小，说明两轴的垂直度越好。3）轴间同轴度的检查轴间同轴度可用塞规进行检查。若测得的间隙a不变，则说明两轴是同轴的。【学生】聆听、思考、理解、记录通过PPT图片展示+案例法讲解，更加清晰易懂，便于学生理解、掌握通过PPT图片展示+案例法讲解，更加清晰易懂，便于学生理解、掌握通过学生自主讨论总结，加深学生对轴拆卸方法的理解示范讲解更加直观有效，学生容易理解、掌握通过你问我答活动，加深学生对轴故障修复方法的认识，帮助学生掌握相关内容PPT图片展示定位，更加清晰直观，学生容易理解掌握示范讲解更加直观有效，学生容易理解、掌握第二节课任务导入（5min）【教师】现场展示转子实验台、DH5902N数据采集分析系统，并对其进行简单介绍，然后布置任务“转轴的振动信号测量”请同学们运用所学知识，在实训室利用相关设备完成转轴的振动信号测量任务。【学生】聆听、记录使用任务驱动法教学，通过展示实训平台，让学生对实训设备有所了解任务实施（20min）【教师】介绍zhuanzhou的振动信号测量的步骤，安排学生扫描微课二维码观看视频“正常转轴振动信号的测量“(详见教材）一、实施方案1．组织形式每6～8位学生组成一组，以组为单位进行转轴的振动信号测量。2．作业准备转子实验台、DH5902N数据采集分析系统、计算机。二、操作步骤【示范】教师边讲实操步骤，边示范重点操作步骤1检查转子实验台，检查内容包括各地脚螺栓的预紧情况、各联轴器的对中情况、电动机与控制器的接线情况。此外，在使用转子实验台之前应向各滑动轴承中注入一定量的润滑油。步骤2安装计算机、采集卡和加速度传感器。首先，使用以太网线连接计算机与采集卡。其次，选取合适的加速度传感器，并将其安装在滑动轴承座上，其中1通道加速度传感器安装在水平方向，2通道加速度传感器安装在竖直方向。步骤3在双面转子上粘贴反光贴纸，并使用磁力座将激光转速传感器固定在转子实验台上，同时将其接到采集卡的相应通道。然后开启采集卡，调整激光转速传感器的方向和位置，使激光点能够打在反光贴纸的有效范围内。步骤4在计算机中设置存储规则，选择采样通道，并进行参数设置，详细设置信息与项目一任务一的任务实施步骤3相同。【资料卡】在测量旋转机械的振动时，通常选择振动的速度信号为检测信号，其单位一般选取mm/s。步骤5启动转子实验台。打开转子实验台控制器（详情见教材）开关，使用转速调节旋钮调节电机转子的输入电压，进而控制转子实验台转速。调节时，应注意电动机的输入电压和电流，严禁其超过额定值。步骤6仔细调节转速调节旋钮使转轴转速逐渐增大，当转轴转速达到表预定转速时，操作计算机采集振动信号并计算其频谱，填入表中，详情见教材。步骤7关闭转子实验台控制器电源，卸下联轴器、转轴和转盘。步骤8取一根相同直径并有横向裂纹的转轴（即故障转轴），将转盘安装到该转轴的相应位置上，并使用紧定螺钉固定。然后将该转轴安装到滑动轴承座上，并调整两个滑动轴承座的位置。最后向滑动轴承内注入一定量的润滑油。步骤9重复步骤5和步骤6，采集并记录故障转轴振动信号的有效值，填入教材表3-7中。【注意】1.在进行转轴振动信号的测量时应注意以下几点：2.转轴在升速过程中转速相对较高，因此一定要注意人身安全。3.传感器的信号线必须远离转轴，避免信号线缠绕到转轴上发生意外。4.各种工具、零部件、标准件等必须远离转轴，以免工具、零部件、标准件等碰到转轴而飞出伤人。5.必须远离运行时的转子实验台，尤其严禁停留在转轴旋转切线方向上。【学生】自行扫码观看配套微课，学习相关操作步骤，如遇问题可询问老师【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题通过教师示范操作，让学生了解实操过程及实操过程中的注意事