內置蒸發器轉軸的設計研究★

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，傳遞轉矩[1]。軸發生故障后影響是比較嚴重的，所以軸必須要滿足規范要求并進行剛度強度的校核，以保證在規定的載荷條件下運行安全可靠并達到其設計使用年限。轉軸作為內置蒸發器的核心部件，其結構特征與常規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 內置蒸發器旋轉軸的概述

內置蒸發器是由江蘇和誠制藥設備制造有限公司開發的新型節能蒸發器，整體為臥式結構，如圖1所示。內置蒸發裝置的換熱器設置于蒸發室內部，加熱轉子穿過蒸發腔，承載列管束，在電機的帶動下可勻速轉動[2]。轉軸作為換熱器的一部分位于設備中心軸線上，管束的整體質量通過管箱作用于轉軸上。轉軸的支撐位于蒸發器的端蓋兩側并通過軸承固定，一端通過傳動裝置進行動力傳遞。

圖1 內置蒸發器的結構圖

2 設計要點

根據上述的結構特點可以看出，轉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構設計，還應包括強度計算（扭矩和彎矩組合作用強度）、臨界轉速計算和剛度計算（扭轉變形和彎曲擾度）[3]。

2.1 轉軸的材料選用

用于轉軸的材料應具有良好的綜合性能，還需考慮制造工藝及經濟合理性。內置蒸發器是含鹽廢水理想的脫鹽設備，其材質的選擇很重要。

在內置蒸發器中的轉軸除了承受蒸發器內的溫度影響外，還會受到介質腐蝕的影響以及旋轉工作時產生的扭矩、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生早期破壞[4]。經過研究認證，因優質低合金鋼16Mn具有優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 轉軸的結構設計

轉軸的結構設計主要是確定軸的合理外形和軸各段長度、直徑及局部結構，其結構與承載性質、大小、方向及傳動布置、零件布置等相關聯。在整個轉軸的結構設計過程中應該考慮：

1）在滿足轉軸的剛度和強度的條件下，盡量減少質量，節約成本，比如采用空心軸的結構形式；

2）盡量減少應力集中，提高疲勞強度；

3）對于轉軸上的支持板、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條件下，合理確定轉軸的加工精度及配合尺寸；

5）整體系統合理設置支承形式和支承點位置，轉軸合理受力，扭矩分流合理，彎矩分配合理。

2.3 轉軸的剛度計算

轉軸在外載荷及自重作用下會產生扭轉和彎曲變形，當這些變形超過允許值時就會使蒸發器的工作運行產生影響甚至會導致裝置無法工作。如轉軸彎曲變形過大會影響換熱管束的平穩旋轉，嚴重時會引起管束與蒸發器筒體相碰擦而停機。過大的彎曲變形還會使軸密封產生泄漏失效形成操作現場環境的污染并影響蒸發效率。所以必須對轉軸進行剛度計算以保證轉軸的正常工作。轉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軸徑d1根據轉軸材料許用扭轉變形量來核算：

式中：[γ]為轉軸的許用扭轉角，（°）/m；Mmax為轉軸材料的剪切性模量，MPa；N0為轉軸空心軸內徑和外徑的比值。[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。轉軸的彎曲變形按轉軸上任意點處（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軸上任意點距離軸承的位移δ1x，由流體徑向作用力引起轉軸上任意點距離軸承的位移δ2x，因換熱管束組合件的質量偏心所引起的轉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軸自身重力載荷所引起的轉軸上任意點距離軸承的位移δ4x。轉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。

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

2.4 轉軸的強度計算

在內置蒸發器的轉軸上管板的質量位置及兩端支承位置是可以確定的，這樣軸的結構設計也基本確定，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）按轉軸的受力狀態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）作出轉軸的轉矩圖；

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軸的危險截面；

5）根據轉軸材料的選用許用應力[τ]；

6）按彎扭合成強度計算轉軸的軸徑并進行圓整到標準尺寸。

按彎扭合成強度計算轉軸的軸徑：

式中：Mn為按傳動裝置效率計算的轉軸傳遞的扭矩；M為轉軸的彎矩總和；N0為轉軸空心軸內徑與外徑的比值。

2.5 轉軸的臨界轉速

轉軸本身是一個彈性體系，當其旋轉時，自身重量和彈性產生了自然振動有其自振頻率，另外由于轉軸組合的各零件材料質量不均勻、制造和安裝誤差等原因造成轉軸重心偏移引起旋轉離心力。運行時產生以旋轉離心力為周期頻率的振動。當頻率相同或接近時就會產生共振現象，甚至會造成轉軸系統的嚴重破壞。產生共振現象時的轉速稱為臨界轉速。工作時的轉軸轉速嚴禁在臨界轉速內，并控制在臨界轉速的一定范圍之外。

臨界轉速的大小與材料的彈性特征，轉軸的形狀、尺寸、支承形式及轉軸上零件質量有關。工藝要求的轉速與臨界轉速的比值必須滿足標準規范要求，否則對旋軸軸徑或軸零件需進行重新調整。根據內置蒸發器轉軸的工作特點，旋軸的臨界轉速為帶圓盤且包括均勻質量軸自重的臨界轉速，計算時分別求出各種條件下的臨界轉速n0,n01,n02,n03……n0i，再按鄧柯萊公式計算到整個轉軸系統的臨界轉速ncrk。

3 結語

在內置循環蒸發器轉軸設計的過程中需要從多方面進行考慮，如果計算結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。在滿足結構要求和強度、剛度條件下，設計尺寸小、質量輕、安全可靠、經濟合理又便于維護檢修的內置蒸發器轉軸，以保證在設計使用年限內安全穩定的運行。

當然，隨著計算機技術的發展，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。