內(nèi)置蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)研究★

王 建， 范洪燾， 周 紅

（江蘇和誠制藥設(shè)備制造有限公司， 江蘇 靖江 214500）

引言

軸是重要的機(jī)械零件之一。許多零件都需裝在軸上并和軸一起在軸承的支承下繞軸心回轉(zhuǎn)，傳遞轉(zhuǎn)矩[1]。軸發(fā)生故障后影響是比較嚴(yán)重的，所以軸必須要滿足規(guī)范要求并進(jìn)行剛度強(qiáng)度的校核，以保證在規(guī)定的載荷條件下運(yùn)行安全可靠并達(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限。轉(zhuǎn)軸作為內(nèi)置蒸發(fā)器的核心部件，其結(jié)構(gòu)特征與常規(guī)釜式攪拌裝置有一定的差異，因此在設(shè)計(jì)中尤其需要進(jìn)行認(rèn)真研究。

1 內(nèi)置蒸發(fā)器旋轉(zhuǎn)軸的概述

內(nèi)置蒸發(fā)器是由江蘇和誠制藥設(shè)備制造有限公司開發(fā)的新型節(jié)能蒸發(fā)器，整體為臥式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。內(nèi)置蒸發(fā)裝置的換熱器設(shè)置于蒸發(fā)室內(nèi)部，加熱轉(zhuǎn)子穿過蒸發(fā)腔，承載列管束，在電機(jī)的帶動(dòng)下可勻速轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。轉(zhuǎn)軸作為換熱器的一部分位于設(shè)備中心軸線上，管束的整體質(zhì)量通過管箱作用于轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸的支撐位于蒸發(fā)器的端蓋兩側(cè)并通過軸承固定，一端通過傳動(dòng)裝置進(jìn)行動(dòng)力傳遞。

圖1 內(nèi)置蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，轉(zhuǎn)軸的支承形式為外伸端的雙支點(diǎn)單跨軸，同時(shí)兩個(gè)支承點(diǎn)的跨距較大且軸和管束的質(zhì)量也比較重，在運(yùn)行過程中,同時(shí)承受較大的扭矩和彎矩等載荷的作用。攪拌軸的設(shè)計(jì)計(jì)算不僅考慮材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)包括強(qiáng)度計(jì)算（扭矩和彎矩組合作用強(qiáng)度）、臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和剛度計(jì)算（扭轉(zhuǎn)變形和彎曲擾度）[3]。

2.1 轉(zhuǎn)軸的材料選用

用于轉(zhuǎn)軸的材料應(yīng)具有良好的綜合性能，還需考慮制造工藝及經(jīng)濟(jì)合理性。內(nèi)置蒸發(fā)器是含鹽廢水理想的脫鹽設(shè)備，其材質(zhì)的選擇很重要。

在內(nèi)置蒸發(fā)器中的轉(zhuǎn)軸除了承受蒸發(fā)器內(nèi)的溫度影響外，還會(huì)受到介質(zhì)腐蝕的影響以及旋轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的扭矩、彎矩和沖擊力等作用，而且這些載荷多為隨機(jī)變化的。在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)應(yīng)充分考慮腐蝕對(duì)強(qiáng)度的影響，避免因材料腐蝕失強(qiáng)導(dǎo)致產(chǎn)生早期破壞[4]。經(jīng)過研究認(rèn)證，因優(yōu)質(zhì)低合金鋼16Mn具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的焊接性能而被采用，在軸的外周根據(jù)物料特性進(jìn)行整體防腐處理，對(duì)軸與軸頭的焊接連接位置進(jìn)行整體消應(yīng)力處理。

2.2 轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定軸的合理外形和軸各段長度、直徑及局部結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與承載性質(zhì)、大小、方向及傳動(dòng)布置、零件布置等相關(guān)聯(lián)。在整個(gè)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮：

1）在滿足轉(zhuǎn)軸的剛度和強(qiáng)度的條件下，盡量減少質(zhì)量，節(jié)約成本，比如采用空心軸的結(jié)構(gòu)形式；

2）盡量減少應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度；

3）對(duì)于轉(zhuǎn)軸上的支持板、管箱等零部件要有科學(xué)可靠的定位措施；

4）在滿足正常運(yùn)行狀態(tài)條件下，合理確定轉(zhuǎn)軸的加工精度及配合尺寸；

5）整體系統(tǒng)合理設(shè)置支承形式和支承點(diǎn)位置，轉(zhuǎn)軸合理受力，扭矩分流合理，彎矩分配合理。

2.3 轉(zhuǎn)軸的剛度計(jì)算

轉(zhuǎn)軸在外載荷及自重作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，當(dāng)這些變形超過允許值時(shí)就會(huì)使蒸發(fā)器的工作運(yùn)行產(chǎn)生影響甚至?xí)?dǎo)致裝置無法工作。如轉(zhuǎn)軸彎曲變形過大會(huì)影響換熱管束的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管束與蒸發(fā)器筒體相碰擦而停機(jī)。過大的彎曲變形還會(huì)使軸密封產(chǎn)生泄漏失效形成操作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染并影響蒸發(fā)效率。所以必須對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行剛度計(jì)算以保證轉(zhuǎn)軸的正常工作。轉(zhuǎn)軸的剛度計(jì)算按扭曲剛度和彎曲剛度進(jìn)行分別計(jì)算[5]。

1）扭曲剛度計(jì)算。受扭曲變形控制的轉(zhuǎn)軸徑d1根據(jù)轉(zhuǎn)軸材料許用扭轉(zhuǎn)變形量來核算：

式中：[γ]為轉(zhuǎn)軸的許用扭轉(zhuǎn)角，（°）/m；Mmax為轉(zhuǎn)軸材料的剪切性模量，MPa；N0為轉(zhuǎn)軸空心軸內(nèi)徑和外徑的比值。[γ]、Mmax、G、N0的選取及范圍參考機(jī)械攪拌設(shè)備HG/T20569—2013標(biāo)準(zhǔn)。

2）彎曲剛度計(jì)算。轉(zhuǎn)軸的彎曲變形按轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)處（或軸封處）徑向位移量計(jì)算，它包括：因軸承徑向游隙所引起轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)距離軸承的位移δ1x，由流體徑向作用力引起轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)距離軸承的位移δ2x，因換熱管束組合件的質(zhì)量偏心所引起的轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)距離軸承的位移δ3x，因換熱管束組合件的重力載荷和轉(zhuǎn)軸自身重力載荷所引起的轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)距離軸承的位移δ4x。轉(zhuǎn)軸按鋼性軸計(jì)算任意點(diǎn)處（或軸封處）徑向位移量 δx=δ1x+δ2x+δ3x+δ4x。

轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)處（或軸封處）徑向位移量的計(jì)算結(jié)果必須滿足小于允許的徑向位移量，即δx≤[δ]x。[δ]x選取范圍與物料介質(zhì)、操作條件、傳動(dòng)裝置及軸封等因素有關(guān)，還可參考機(jī)械攪拌設(shè)備HG/T 20569—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

2.4 轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度計(jì)算

在內(nèi)置蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)軸上管板的質(zhì)量位置及兩端支承位置是可以確定的，這樣軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也基本確定，在計(jì)算時(shí)可以按彎扭合成法進(jìn)行，這樣的計(jì)算是偏于安全的。計(jì)算步驟為：

1）按轉(zhuǎn)軸的受力狀態(tài)畫出同平面的受力簡(jiǎn)圖；

2）分別做出垂直和水平面上的受力圖和彎矩圖，再按矢量法求取合成彎矩；

3）作出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩圖；

4）選取承受彎矩、扭矩大，截尺寸較小，應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面確認(rèn)為轉(zhuǎn)軸的危險(xiǎn)截面；

5）根據(jù)轉(zhuǎn)軸材料的選用許用應(yīng)力[τ]；

6）按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)軸的軸徑并進(jìn)行圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)軸的軸徑：

式中：Mn為按傳動(dòng)裝置效率計(jì)算的轉(zhuǎn)軸傳遞的扭矩；M為轉(zhuǎn)軸的彎矩總和；N0為轉(zhuǎn)軸空心軸內(nèi)徑與外徑的比值。

2.5 轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)軸本身是一個(gè)彈性體系，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)，自身重量和彈性產(chǎn)生了自然振動(dòng)有其自振頻率，另外由于轉(zhuǎn)軸組合的各零件材料質(zhì)量不均勻、制造和安裝誤差等原因造成轉(zhuǎn)軸重心偏移引起旋轉(zhuǎn)離心力。運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)離心力為周期頻率的振動(dòng)。當(dāng)頻率相同或接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)軸系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞。產(chǎn)生共振現(xiàn)象時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。工作時(shí)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速嚴(yán)禁在臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)，并控制在臨界轉(zhuǎn)速的一定范圍之外。

臨界轉(zhuǎn)速的大小與材料的彈性特征，轉(zhuǎn)軸的形狀、尺寸、支承形式及轉(zhuǎn)軸上零件質(zhì)量有關(guān)。工藝要求的轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的比值必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，否則對(duì)旋軸軸徑或軸零件需進(jìn)行重新調(diào)整。根據(jù)內(nèi)置蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸的工作特點(diǎn)，旋軸的臨界轉(zhuǎn)速為帶圓盤且包括均勻質(zhì)量軸自重的臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算時(shí)分別求出各種條件下的臨界轉(zhuǎn)速n0,n01,n02,n03……n0i，再按鄧柯萊公式計(jì)算到整個(gè)轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速ncrk。

3 結(jié)語

在內(nèi)置循環(huán)蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)的過程中需要從多方面進(jìn)行考慮，如果計(jì)算結(jié)果不能滿足強(qiáng)度和剛度要求時(shí)，需采取相應(yīng)的措施修改軸的設(shè)計(jì)。在滿足結(jié)構(gòu)要求和強(qiáng)度、剛度條件下，設(shè)計(jì)尺寸小、質(zhì)量輕、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理又便于維護(hù)檢修的內(nèi)置蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸，以保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

當(dāng)然，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以應(yīng)用有限元分析或其他新的計(jì)算方法。有限元計(jì)算方法不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀成為行之有效的工程分析手段，也是一個(gè)值得研究的方向。