空心軸結構在大型離心風機中的應用

摘 要：隨著我國工業經濟的迅速發展，冶金球團行業對風機能力的要求越來越大，風機的設計參數，即流量和壓力越來越大，導致離心風機的葉輪直徑越來越大，機殼等靜子件尺寸大致使風機的支撐跨距越來越大。針對這種狀況采用大直徑空心軸結構來對其進行處理，以提高軸系的臨界轉速、提高軸的強度剛度同時降低軸承負荷，最終滿足運行要求；而且還降低了鍛件軸的最大外圓直徑，極大的降低了材料成本。文章以現場實際應用為例，介紹了空心軸在大型離心風機中的應用及空心軸的結構創新。

關鍵詞：大型離心風機；空心軸；過盈配合；銷聯接；結構設計

引言

隨著國內冶金、電力行業的快速發展，機組容量變得越來越大，風機的選型參數變得越來越大。因此，選用風機的葉輪直徑變得越來越大，風機轉子重量變的越來越重，這給風機轉子啟動帶來了許多困難。大型風機采用空心主軸結構可有效地減輕風機轉子重量，采用銷連接及過盈聯接設計使得空心主軸制造工藝變得更為簡單，又降低了空心主軸的制造成本。

1 空心軸的設計計算及結構介紹

1.1 離心風機的基本設計參數

2012年沈陽鼓風機通風設備有限責任公司為某海外項目生產了1臺大型離心冷卻風機。風機參數如下：入口流量1204198m3/h、風機全壓5500Pa、入口溫度20℃、入口氣體密度1.0341kg/m3。根據風機參數選擇風機型號為：DFY30F-C4A 雙吸入離心式，驅動風機轉動的工頻電機功率為2700Kw，風機轉速740rpm，葉輪直徑3000mm，由于風機為寬系列，致使軸承支撐跨距為7440mm。

1.2 空心主軸的設計計算

通風機的轉子，由于材質不均、零件加工或安裝不準確，使轉子的重心不可能與其幾何軸線完全重合，存在一個偏心距離（即使是平衡得較好的轉子，也只是偏心距較小而已）。因此，在轉子旋轉時就產生了周期性變化的干擾力，引起轉子的振動。當干擾力的頻率接近或等于轉子的固有頻率時，轉子就發生強烈振動（即使轉子完全平衡，因外界小干擾也能引起強烈振動），造成轉子、機器的損壞。這種現象實質就是共振。使轉子產生共振的轉速，稱為轉子的臨界轉速n0。當轉子工作轉速n等于臨界轉速n0時，即干擾力頻率等于固有頻率ω0時，轉子產生共振。理論上要求臨界轉速n0與工作轉速n之比大于等于1.25。本項目大型離心風機屬F式傳動方式，如圖1：其臨界轉速計算公式如下：nc=166×103×■，其中：l-兩支撐間軸的跨距、a-葉輪重心至支撐A的距離、d-中間段軸的直徑、G-葉輪及兩支撐點中間軸段的總重量。其中，上式中結構布置使跨距l，支撐軸承的支撐點距葉輪中心距離a，風機運轉轉速n（740rpm）均已經固定，根據要求臨界轉速要大于1.25倍工作轉速，所以臨界轉速要求大于925rpm。由于此風機運行的葉輪重量大（寬系列大直徑葉輪），由上臨界轉速計算公式可得在l、a、n0已經確定的情況下，為了滿足臨界轉速的要求，當G值比較大時，主軸的直徑d要求比較大。選用？椎360內徑軸承，通過計算為了滿足臨界轉速要求，主軸中間最粗段的直徑為？椎700mm，可見中間最粗段直徑比較大。

從圓軸扭轉時截面上剪切應力的分布規律可知，截面上各點剪切應力的大小與該點到軸心的距離成正比，軸心處的剪切應力為零。由圖2可知，受扭轉的軸越接近軸心處其應力越小，這樣可以理解為接近軸心處的材料沒有充分發揮作用。如果在設計時，將軸心處的材料移向邊緣，就可以充分利用材料，這樣既能減輕設備重量，又能更好的節約成本。而且針對這種大直徑主軸，通常情況下采用調質熱處理，針對這種直徑達到φ600mm以上的大直徑主軸，中心一定范圍內的材料是淬不透的，達不到材料的應具有的機械性能。綜上所述，從圓軸扭轉時截面上剪切應力的分布規律和粗軸熱處理狀況等方面考慮，針對粗軸采用空心軸結構是具有一定優越性的。

當采用空心軸結構時，由于中間長軸段為空心，使兩軸承支撐點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速計算公式，在滿足臨界轉速1.25n的條件下，計算得主軸中間最粗段的直徑為650mm。通過扭轉強度及剛度計算，同時類比相接近產品，根據結構工藝要求設計出軸的形狀、尺寸如圖4所示。中間段采用壁厚為70mm的空心軸，兩端采用實心軸頭，空心軸與實心軸聯合使用。

至今為止，實心軸頭與空心鋼管的連接方式采用焊接型式、過盈鏈接形式。焊接聯接型式要求焊接的空心主軸其軸頭與鋼管的材料都應具備可焊接的性能，并且強度還要滿足要求，材料的選擇受限制，受材料機械性能約束，有時為了滿足空心主軸的強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勢。另外，焊接空心主軸的軸頭與鋼管采用環形焊縫，聯接焊縫質量要求高，而且需要對工件開合適的焊縫坡口、焊接過程嚴格又復雜，主軸焊接后對焊縫進行探傷檢查，如焊縫不符合要求需要清理焊縫重新焊接，同時焊接使焊縫周圍產生熱影響區，使其機械性能下降，如果對焊縫處應力處理不當給風機制造后的運行帶來隱患，焊接時對環境溫度與清潔度也有嚴格要求。焊接空心主軸存在受選材限制，加工復雜、成本較高，但是焊接空心主軸一直被國內外風機行業采用。

過盈聯接型式：靠軸與孔的過盈配合實現聯接，這種聯接方式適合于傳遞扭矩較小的情況。當傳遞扭矩過大時要求軸與孔的過盈量大，而且實心軸伸進空心鋼管的長度比較長，這種情況就給實心軸與空心軸的裝配帶來困難。傳遞扭矩越大，要求軸與孔的過盈量越大，實心軸伸進空心鋼管的長度越長，制約了空心軸結構的利用。

基于以上分析，筆者提出一種新型的空心軸結構方案，采用銷聯結同時兼顧過盈配合共同實現扭矩傳遞如圖3所示。（1）空心軸與實心軸頭采用過盈配合，軸？準520■■，孔？準520H7■■計算方法參見文獻[3]。（2）同時空心軸與實心軸頭采用銷連接。銷釘的強度計算公式如下：Mn=973600■其中：N-通風機所需功率（kW） n-葉輪轉速（rpm）Mn-扭矩（kg mm）。在圓周半徑上固定空心軸與軸頭的銷釘所受之力為：Fmax=■銷釘所受的平均剪切應力為：？子max=■ 其中：d-鉚釘直徑（mm）Z-鉚釘數要求？子max？燮[？子s]通過計算，銷釘的大??？椎20，一圓周上使用3個。

本次產品設計連接銷為特殊設計結構，其與普通銷不同。銷釘開有一小孔，主要作用是在銷釘的安裝過程中氣體壓縮會產生強大的壓力，在銷釘上開有一小孔，使氣體從小孔中釋放出去，使銷釘順利安裝到指定的位置。連接銷結構如圖5所示。銷釘安裝完后，將銷釘尾部與輪轂銷內孔塞焊上。

為實現該軸系的結構功能。采用如下幾方面細節處理方案，如圖所示在空心軸軸頭頂進末端開兩個φ6的小孔，以便實心軸頭裝入空心軸時氣體從小孔排出，以免氣體積留產生強大壓力，阻礙實心軸的裝入。同時空心軸內倒角大于軸頭倒角，以便軸頭能夠頂進去。軸盤與軸之間采用相同的連接傳動方式，軸與軸盤采用過盈連接，軸？準660■■，孔？準660H7■■，同時兩側采用銷連接，與圖3所示相同，共同實現扭矩的傳遞。銷釘采用圖5所示相同結構。銷釘安裝完后，銷釘尾部與輪轂銷內孔不塞焊上，以便將來檢修和更換輪轂時拆裝。

2 機械運轉實驗驗證

設計完的產品在車間組裝后由主電機驅動在實驗臺上進行機械運轉試驗。風機在740rpm額定轉速下連續運行60分鐘，同時監測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速度有效值均小于4.6mm/s，風機機械運轉平穩。此兩項參數充分證明此空心軸軸系的設計是合理的。

3 結束語

沈陽鼓風機通風設備有限責任公司生產的這臺大型離心冷卻風機從2012年底開始在海外某項目現場投產運轉距今已有2年時間了，風機至今運轉平穩，空心主軸沒有出現過任何問題，這足以說明：（1）銷聯接兼顧過盈聯接的空心主軸首次應用在大型離心風機上是成功的，兩年來此風機一直在變轉速工況下運行承受了交變負載運行的考驗，這充分說明沈陽鼓風機通風設備有限責任公司在大型風機空心主軸的設計、制造技術走在了風機行業的前面。（2）銷聯接兼顧過盈聯接空心主軸的應用將給風機制造廠的空心主軸制造帶來方便、降低了主軸的制造成本，完全可以取代焊接的空心主軸，同時采用銷聯接排除了只采用過盈聯接的局限性，拓展了空心軸結構的應用范圍。（3）采用銷聯接兼顧過盈聯接空心主軸，就風機制造本身而言節省了鍛件主軸的生產成本。同時風機轉子的轉動慣量小，使得風機轉子重量輕，便于電動機的起動。也便于轉子的運輸、安裝與現場檢修。

參考文獻

[1]李慶宜.通風機[Z].

[2]徐灝.機械設計手冊[M].1991.

[3]孫麗雪.同等剛度條件下空心軸與實心軸的設計比較[J].新技術新工藝，2011（11）.