王 建， 范洪燾， 周 紅

（江蘇和誠制藥設備制造有限公司， 江蘇 靖江 214500）

引言

軸是重要的機械零件之一。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重的，所以軸必須要滿足規(guī)范要求并進行剛度強度的校核，以保證在規(guī)定的載荷條件下運行安全可靠并達到其設計使用年限。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，因此在設計中尤其需要進行認真研究。

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，在電機的帶動下可勻速轉(zhuǎn)動[2]。轉(zhuǎn)軸作為換熱器的一部分位于設備中心軸線上，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，一端通過傳動裝置進行動力傳遞。

圖1 內(nèi)置蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖

2 設計要點

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)特點可以看出，轉(zhuǎn)軸的支承形式為外伸端的雙支點單跨軸，同時兩個支承點的跨距較大且軸和管束的質(zhì)量也比較重，在運行過程中,同時承受較大的扭矩和彎矩等載荷的作用。攪拌軸的設計計算不僅考慮材料的選擇和結(jié)構(gòu)設計，還應包括強度計算（扭矩和彎矩組合作用強度）、臨界轉(zhuǎn)速計算和剛度計算（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)軸的材料應具有良好的綜合性能，還需考慮制造工藝及經(jīng)濟合理性。內(nèi)置蒸發(fā)器是含鹽廢水理想的脫鹽設備，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，還會受到介質(zhì)腐蝕的影響以及旋轉(zhuǎn)工作時產(chǎn)生的扭矩、彎矩和沖擊力等作用，而且這些載荷多為隨機變化的。在計算強度時應充分考慮腐蝕對強度的影響，避免因材料腐蝕失強導致產(chǎn)生早期破壞[4]。經(jīng)過研究認證，因優(yōu)質(zhì)低合金鋼16Mn具有優(yōu)良的力學性能和良好的焊接性能而被采用，在軸的外周根據(jù)物料特性進行整體防腐處理，對軸與軸頭的焊接連接位置進行整體消應力處理。

2.2 轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設計

轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設計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、方向及傳動布置、零件布置等相關(guān)聯(lián)。在整個轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設計過程中應該考慮：

1）在滿足轉(zhuǎn)軸的剛度和強度的條件下，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）盡量減少應力集中，提高疲勞強度；

3）對于轉(zhuǎn)軸上的支持板、管箱等零部件要有科學可靠的定位措施；

4）在滿足正常運行狀態(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)合理設置支承形式和支承點位置，轉(zhuǎn)軸合理受力，扭矩分流合理，彎矩分配合理。

2.3 轉(zhuǎn)軸的剛度計算

轉(zhuǎn)軸在外載荷及自重作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，當這些變形超過允許值時就會使蒸發(fā)器的工作運行產(chǎn)生影響甚至會導致裝置無法工作。如轉(zhuǎn)軸彎曲變形過大會影響換熱管束的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，嚴重時會引起管束與蒸發(fā)器筒體相碰擦而停機。過大的彎曲變形還會使軸密封產(chǎn)生泄漏失效形成操作現(xiàn)場環(huán)境的污染并影響蒸發(fā)效率。所以必須對轉(zhuǎn)軸進行剛度計算以保證轉(zhuǎn)軸的正常工作。轉(zhuǎn)軸的剛度計算按扭曲剛度和彎曲剛度進行分別計算[5]。

1）扭曲剛度計算。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械攪拌設備HG/T20569—2013標準。

2）彎曲剛度計算。轉(zhuǎn)軸的彎曲變形按轉(zhuǎn)軸上任意點處（或軸封處）徑向位移量計算，它包括：因軸承徑向游隙所引起轉(zhuǎn)軸上任意點距離軸承的位移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)軸上任意點距離軸承的位移δ4x。轉(zhuǎn)軸按鋼性軸計算任意點處（或軸封處）徑向位移量 δx=δ1x+δ2x+δ3x+δ4x。

轉(zhuǎn)軸上任意點處（或軸封處）徑向位移量的計算結(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、傳動裝置及軸封等因素有關(guān)，還可參考機械攪拌設備HG/T 20569—2013標準進行計算。

2.4 轉(zhuǎn)軸的強度計算

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)設計也基本確定，在計算時可以按彎扭合成法進行，這樣的計算是偏于安全的。計算步驟為：

1）按轉(zhuǎn)軸的受力狀態(tài)畫出同平面的受力簡圖；

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，應力集中較嚴重的截面確認為轉(zhuǎn)軸的危險截面；

5）根據(jù)轉(zhuǎn)軸材料的選用許用應力[τ]；

6）按彎扭合成強度計算轉(zhuǎn)軸的軸徑并進行圓整到標準尺寸。

按彎扭合成強度計算轉(zhuǎn)軸的軸徑：

式中：Mn為按傳動裝置效率計算的轉(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)軸本身是一個彈性體系，當其旋轉(zhuǎn)時，自身重量和彈性產(chǎn)生了自然振動有其自振頻率，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。運行時產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)離心力為周期頻率的振動。當頻率相同或接近時就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，甚至會造成轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的嚴重破壞。產(chǎn)生共振現(xiàn)象時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。工作時的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速嚴禁在臨界轉(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準規(guī)范要求，否則對旋軸軸徑或軸零件需進行重新調(diào)整。根據(jù)內(nèi)置蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸的工作特點，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，計算時分別求出各種條件下的臨界轉(zhuǎn)速n0,n01,n02,n03……n0i，再按鄧柯萊公式計算到整個轉(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)軸設計的過程中需要從多方面進行考慮，如果計算結(jié)果不能滿足強度和剛度要求時，需采取相應的措施修改軸的設計。在滿足結(jié)構(gòu)要求和強度、剛度條件下，設計尺寸小、質(zhì)量輕、安全可靠、經(jīng)濟合理又便于維護檢修的內(nèi)置蒸發(fā)器轉(zhuǎn)軸，以保證在設計使用年限內(nèi)安全穩(wěn)定的運行。

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