【摘 要】隨著國(guó)內(nèi)冶金、電力行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)組容量變得越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)的選型參數(shù)變得越來(lái)越大。因此，選用風(fēng)機(jī)的葉輪直徑變得越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量變的越來(lái)越重，這給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)帶來(lái)了許多困難。大型風(fēng)機(jī)采用空心主軸結(jié)構(gòu)可有效地減輕風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量，采用銷(xiāo)連接及過(guò)盈聯(lián)接設(shè)計(jì)使得空心主軸制造工藝變得更為簡(jiǎn)單，又降低了空心主軸的制造成本。

【關(guān)鍵詞】離心風(fēng)機(jī)；空心軸；機(jī)械設(shè)計(jì)

1.空心軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)介紹

1.1離心風(fēng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

例如某型離心冷卻風(fēng)機(jī)參數(shù)如下：入口流量 1204198m3/h、風(fēng)機(jī)全壓 5500Pa、入口溫度 20℃、入口氣體密度 1.0341kg/m3。根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)為：DFY30F-C4A 雙吸入離心式，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的工頻電機(jī)功率為 2700Kw，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 740rpm，葉輪直徑3000mm，由于風(fēng)機(jī)為寬系列，致使軸承支撐跨距為 7440mm。

1.2空心主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，由于材質(zhì)不均、零件加工或安裝不準(zhǔn)確，使轉(zhuǎn)子的重心不可能與其幾何軸線完全重合，存在一個(gè)偏心距離（即使是平衡得較好的轉(zhuǎn)子，也只是偏心距較小而已）。因此，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生了周期性變化的干擾力，引起轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。當(dāng)干擾力的頻率接近或等于轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子就發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)（即使轉(zhuǎn)子完全平衡，因外界小干擾也能引起強(qiáng)烈振動(dòng)），造成轉(zhuǎn)子、機(jī)器的損壞。這種現(xiàn)象實(shí)質(zhì)就是共振。使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生共振的轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速 n0。當(dāng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速 n 等于臨界轉(zhuǎn)速 n0時(shí)，即干擾力頻率等于固有頻率ω0時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生共振。理論上要求臨界轉(zhuǎn)速 n0與工作轉(zhuǎn)速n 之比大于等于 1.25。根據(jù)要求臨界轉(zhuǎn)速要大于 1.25 倍工作轉(zhuǎn)速，所以臨界轉(zhuǎn)速要求大于 925rpm。由于此風(fēng)機(jī)運(yùn)行的葉輪重量大（寬系列大直徑葉輪），由上臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可得在 l、a、n0已經(jīng)確定的情況下，為了滿(mǎn)足臨界轉(zhuǎn)速的要求，當(dāng) G 值比較大時(shí)，主軸的直徑d 要求比較大。選用Φ360 內(nèi)徑軸承，通過(guò)計(jì)算為了滿(mǎn)足臨界轉(zhuǎn)速要求，主軸中間最粗段的直徑為Φ700mm，可見(jiàn)中間最粗段直徑比較大。從圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)截面上剪切應(yīng)力的分布規(guī)律可知，截面上各點(diǎn)剪切應(yīng)力的大小與該點(diǎn)到軸心的距離成正比，軸心處的剪切應(yīng)力為零。受扭轉(zhuǎn)的軸越接近軸心處其應(yīng)力越小，這樣可以理解為接近軸心處的材料沒(méi)有充分發(fā)揮作用。如果在設(shè)計(jì)時(shí)，將軸心處的材料移向邊緣，就可以充分利用材料，這樣既能減輕設(shè)備重量，又能更好的節(jié)約成本。而且針對(duì)這種大直徑主軸，通常情況下采用調(diào)質(zhì)熱處理，針對(duì)這種直徑達(dá)到ф600mm 以上的大直徑主軸，中心一定范圍內(nèi)的材料是淬不透的，達(dá)不到材料的應(yīng)具有的機(jī)械性能。綜上所述，從圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)截面上剪切應(yīng)力的分布規(guī)律和粗軸熱處理狀況等方面考慮，針對(duì)粗軸采用空心軸結(jié)構(gòu)是具有一定優(yōu)越性的。當(dāng)采用空心軸結(jié)構(gòu)時(shí)，由于中間長(zhǎng)軸段為空心，使兩軸承支撐點(diǎn)之間的軸的重量減小了，所以 G 值變小了。再次利用上述臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，在滿(mǎn)足臨界轉(zhuǎn)速 1.25n 的條件下，計(jì)算得主軸中間最粗段的直徑為 650mm。通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度計(jì)算，同時(shí)類(lèi)比相接近產(chǎn)品，根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝要求設(shè)計(jì)出軸的形狀、尺寸。中間段采用壁厚為 70mm 的空心軸，兩端采用實(shí)心軸頭，空心軸與實(shí)心軸聯(lián)合使用。至今為止，實(shí)心軸頭與空心鋼管的連接方式采用焊接型式、過(guò)盈鏈接形式。焊接聯(lián)接型式要求焊接的空心主軸其軸頭與鋼管的材料都應(yīng)具備可焊接的性能，并且強(qiáng)度還要滿(mǎn)足要求，材料的選擇受限制，受材料機(jī)械性能約束，有時(shí)為了滿(mǎn)足空心主軸的強(qiáng)度不得已加大鋼管直徑使成本及重量加大，一定程度減少了空心主軸使用的優(yōu)勢(shì)。另外，焊接空心主軸的軸頭與鋼管采用環(huán)形焊縫，聯(lián)接焊縫質(zhì)量要求高，而且需要對(duì)工件開(kāi)合適的焊縫坡口、焊接過(guò)程嚴(yán)格又復(fù)雜，主軸焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢查，如焊縫不符合要求需要清理焊縫重新焊接，同時(shí)焊接使焊縫周?chē)a(chǎn)生熱影響區(qū)，使其機(jī)械性能下降，如果對(duì)焊縫處應(yīng)力處理不當(dāng)給風(fēng)機(jī)制造后的運(yùn)行帶來(lái)隱患，焊接時(shí)對(duì)環(huán)境溫度與清潔度也有嚴(yán)格要求。焊接空心主軸存在受選材限制，加工復(fù)雜、成本較高，但是焊接空心主軸一直被國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)行業(yè)采用。

過(guò)盈聯(lián)接型式：靠軸與孔的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，這種聯(lián)接方式適合于傳遞扭矩較小的情況。當(dāng)傳遞扭矩過(guò)大時(shí)要求軸與孔的過(guò)盈量大，而且實(shí)心軸伸進(jìn)空心鋼管的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，這種情況就給實(shí)心軸與空心軸的裝配帶來(lái)困難。傳遞扭矩越大，要求軸與孔的過(guò)盈量越大，實(shí)心軸伸進(jìn)空心鋼管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，制約了空心軸結(jié)構(gòu)的利用?；谝陨戏治?，筆者提出一種新型的空心軸結(jié)構(gòu)方案，采用銷(xiāo)聯(lián)結(jié)同時(shí)兼顧過(guò)盈配合共同實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)連接銷(xiāo)為特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其與普通銷(xiāo)不同。銷(xiāo)釘開(kāi)有一小孔，主要作用是在銷(xiāo)釘?shù)陌惭b過(guò)程中氣體壓縮會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，在銷(xiāo)釘上開(kāi)有一小孔，使氣體從小孔中釋放出去，使銷(xiāo)釘順利安裝到指定的位置。銷(xiāo)釘安裝完后，將銷(xiāo)釘尾部與輪轂銷(xiāo)內(nèi)孔塞焊上。為實(shí)現(xiàn)該軸系的結(jié)構(gòu)功能。采用如下幾方面細(xì)節(jié)處理方案，在空心軸軸頭頂進(jìn)末端開(kāi)兩個(gè)ф6的小孔，以便實(shí)心軸頭裝入空心軸時(shí)氣體從小孔排出，以免氣體積留產(chǎn)生強(qiáng)大壓力，阻礙實(shí)心軸的裝入。同時(shí)空心軸內(nèi)倒角大于軸頭倒角，以便軸頭能夠頂進(jìn)去。軸盤(pán)與軸之間采用相同的連接傳動(dòng)方式，軸與軸盤(pán)采用過(guò)盈連接，同時(shí)兩側(cè)采用銷(xiāo)連接相同，共同實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。銷(xiāo)釘采用相同結(jié)構(gòu)。銷(xiāo)釘安裝完后，銷(xiāo)釘尾部與輪轂銷(xiāo)內(nèi)孔不塞焊上，以便將來(lái)檢修和更換輪轂時(shí)拆裝。

2.機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完的產(chǎn)品在車(chē)間組裝后由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)在 740rpm 額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行 60 分鐘，同時(shí)監(jiān)測(cè)支撐軸承與止推軸承溫升均小于 40℃，軸承箱水平方向和垂直方向上的振動(dòng)速度有效值均小于 4.6mm/s，風(fēng)機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。此兩項(xiàng)參數(shù)充分證明此空心軸軸系的設(shè)計(jì)是合理的。

3.結(jié)束語(yǔ)

銷(xiāo)聯(lián)接兼顧過(guò)盈聯(lián)接的空心主軸首次應(yīng)用在大型離心風(fēng)機(jī)上是成功的，兩年來(lái)此風(fēng)機(jī)一直在變轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行承受了交變負(fù)載運(yùn)行的考驗(yàn)。銷(xiāo)聯(lián)接兼顧過(guò)盈聯(lián)接空心主軸的應(yīng)用將給風(fēng)機(jī)制造廠的空心主軸制造帶來(lái)方便、降低了主軸的制造成本，完全可以取代焊接的空心主軸，同時(shí)采用銷(xiāo)聯(lián)接排除了只采用過(guò)盈聯(lián)接的局限性，拓展了空心軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。采用銷(xiāo)聯(lián)接兼顧過(guò)盈聯(lián)接空心主軸，就風(fēng)機(jī)制造本身而言節(jié)省了鍛件主軸的生產(chǎn)成本。同時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子重量輕，便于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。也便于轉(zhuǎn)子的運(yùn)輸、安裝與現(xiàn)場(chǎng)檢修。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]李慶宜.通風(fēng)機(jī)[Z].

[2]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].1991.