旋轉(zhuǎn)主軸在承受一定內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度校核計(jì)算*

張曉偉 李慧燕 劉菲菲 倪春林 李得龍 邵立承

(山東天力能源股份有限公司)

旋轉(zhuǎn)主軸在承受一定內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度校核計(jì)算*

張曉偉 李慧燕 劉菲菲 倪春林 李得龍 邵立承

(山東天力能源股份有限公司)

對(duì)于同時(shí)承受疲勞破壞與內(nèi)壓破壞的旋轉(zhuǎn)主軸，首先假定主軸軸管名義壁厚，然后確定承受內(nèi)壓時(shí)的計(jì)算壁厚，按照矢量差關(guān)系計(jì)算出主軸在承受彎、扭矩作用下的計(jì)算壁厚，并以此計(jì)算壁厚和彎、扭矩合成的當(dāng)量彎矩為依據(jù)得出計(jì)算應(yīng)力，進(jìn)而與一定材料、一定溫度下的主軸許用疲勞強(qiáng)度做比較，最終確定假定壁厚的合適性，完成旋轉(zhuǎn)主軸承受一定內(nèi)壓時(shí)的強(qiáng)度校核計(jì)算。

干燥設(shè)備 旋轉(zhuǎn)主軸 疲勞破壞 內(nèi)壓破壞 強(qiáng)度校核 計(jì)算壁厚

在一些旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備中，如槳葉干燥機(jī)、打散滾筒干燥機(jī)及圓盤(pán)干燥機(jī)等，通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料的推進(jìn)、攪拌和打散。但在主軸內(nèi)還往往通入一定壓力的供熱介質(zhì)(如飽和蒸汽)，通過(guò)間接換熱達(dá)到物料干燥或加速物料干燥的目的。這樣，主軸在承受一定疲勞破壞的同時(shí)還要承受一定的內(nèi)壓力破壞，受力情況復(fù)雜。目前，對(duì)該工況下的主軸強(qiáng)度計(jì)算主要依據(jù)疲勞破壞計(jì)算主軸壁厚，然后附加一定余量用以抵抗內(nèi)壓破壞。該方法具有一定的盲目性，實(shí)踐中往往會(huì)使壁厚過(guò)大，不僅造成材料浪費(fèi)、加工成本過(guò)大，還會(huì)對(duì)主軸剛度帶來(lái)負(fù)面影響。為此，筆者對(duì)同時(shí)承受疲勞破壞與內(nèi)壓破壞的主軸進(jìn)行精準(zhǔn)校核計(jì)算，最終確定計(jì)算壁厚的正確性。

1 校核計(jì)算參數(shù)

主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，圖中未標(biāo)示出主軸上焊接的用于增加換熱面積的葉片、用于打散物料的打散裝置和用于輸送物料的輸送裝置。

圖1 主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

主軸主要校核計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 校核計(jì)算參數(shù)

2 計(jì)算壁厚

2.1 主軸承受內(nèi)壓時(shí)的計(jì)算壁厚

主軸承受內(nèi)壓p時(shí)應(yīng)具有的材料計(jì)算壁厚δp為：

式中p1——設(shè)計(jì)壓力，p1=1.05×p=0.63MPa；

[σ]t——主軸材料在工作溫度下的許用應(yīng)力，[σ]t=130MPa；

φ——主軸軸管焊接系數(shù)。

無(wú)縫鋼管φ=1.0。雙面自動(dòng)焊或手工對(duì)接焊縫時(shí)：局部無(wú)損探傷φ=0.9，不做無(wú)損探傷φ=0.7。單面自動(dòng)焊或手工對(duì)接焊縫時(shí)：局部無(wú)損探傷φ=0.7，不做無(wú)損探傷φ=0.6。

2.2 主軸在計(jì)算內(nèi)壓力和彎、扭聯(lián)合作用下滿(mǎn)足強(qiáng)度需要的計(jì)算壁厚

主軸在內(nèi)壓力和彎、扭聯(lián)合作用下應(yīng)具有的計(jì)算壁厚δ1為：

δ1=δ-ΔS-b-c1-c2=36-0.2-2-1-0=32.8mm

式中b——焊制主軸軸管時(shí)的錯(cuò)邊量；

c1——主軸軸管材料負(fù)偏差；

c2——主軸軸管材料腐蝕余量；

ΔS——主軸軸管外壁被磨損的附加余量。

當(dāng)工作溫度小于120℃時(shí)，碳鋼、低合金鋼材料的ΔS=0.2mm，不銹鋼材料的ΔS=0.1mm；當(dāng)工作溫度大于120℃時(shí)，碳鋼、低合金鋼材料的ΔS=0.3mm，不銹鋼材料的ΔS=0.2mm。

2.3 主軸在彎、扭作用下的計(jì)算壁厚

主軸在彎、扭作用下應(yīng)具有的計(jì)算壁厚δ0與相對(duì)應(yīng)的主軸抗彎系數(shù)W分別為：

=12657859mm3

3 主軸在彎、扭作用下的應(yīng)力計(jì)算

3.1 功率輸入鏈輪對(duì)主軸的作用力

鏈輪受力分析如圖2所示。

圖2 鏈輪受力分析

相關(guān)變量的計(jì)算式如下：

Fr=1.15×Fs=1.15×128339.2=147590N

Frx=Frcosθ=147590×cos35°=84654N

Fry=Frsinθ=147590×sin35°=120898N

式中Fr——作用于軸上的徑向力，N；

Frx——鏈輪副作用于主軸上的水平分力，N；

Fry——鏈輪副作用于主軸上的垂直分力，N；

Fs——鏈條工作拉力，N；

T——鏈輪傳遞轉(zhuǎn)矩，N·mm；

vs——鏈條工作速度，mm/s。

3.2 彎矩圖和扭矩圖

圖3 主軸載荷分布

現(xiàn)將主軸橫斷面上最大合成彎矩處的MH、MV和M列于表2。

表2 主軸橫斷面上最大合成彎矩處的載荷

3.3 按彎、扭合成應(yīng)力校核主軸強(qiáng)度

彎、扭合成計(jì)算應(yīng)力σca為：

=56MPa

式中KT——溫度系數(shù)；

α——彎、扭折合系數(shù)。

根據(jù)GB/T 150.1～150.4-2011，鋼號(hào)S30408在工作溫度(200℃)下的許用應(yīng)力為130MPa，取安全系數(shù)為2，則[σ-1]=65MPa。因此σca<[σ-1]，故假設(shè)壁厚取值是安全且恰當(dāng)?shù)摹?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中只說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)主軸在承受一定內(nèi)壓時(shí)的校核方法，因此只經(jīng)一次迭代計(jì)算即得到最佳壁厚。但在實(shí)際工作設(shè)計(jì)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)多次的迭代計(jì)算才能獲得最佳壁厚，因此需要根據(jù)筆者提出的方法和步驟編制一個(gè)簡(jiǎn)易的計(jì)算程序，以達(dá)到提高旋轉(zhuǎn)主軸強(qiáng)度校核計(jì)算效率和正確性的目的，最終得到回轉(zhuǎn)類(lèi)干燥機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

StrengthCalculationandCheckofRotatingSpindleunderCertainInternalPressure

ZHANG Xiao-wei,LI Hui-yan,LIU Fei-fei,NI Chun-lin,LI De-long,SHAO Li-cheng

(ShandongTianliEnergyCo.,Ltd.)

Regarding the rotating spindle damaged by the fatigue and internal pressure,having nominal wall thickness of its shaft tube assumed at first and then the wall thickness determined to bear internal pressure were implemented,including having the vector difference based to calculate the wall thickness required to bear bending moment and torque.Based on the calculated wall thickness and the equivalent bending moment deter-

張曉偉(1988-)，工程師，從事回轉(zhuǎn)類(lèi)干燥機(jī)的設(shè)計(jì)工作，782100368@qq.com。

TQ051.8+92

A

0254-6094(2017)04-0414-04

2017-04-26)

(Continued on Page 451)