内置蒸发器转轴的设计研究★

王 建， 范洪焘， 周 红

（江苏和诚制药设备制造有限公司， 江苏 靖江 214500）

引言

轴是重要的机械零件之一。许多零件都需装在轴上并和轴一起在轴承的支承下绕轴心回转，传递转矩[1]。轴发生故障后影响是比较严重的，所以轴必须要满足规范要求并进行刚度强度的校核，以保证在规定的载荷条件下运行安全可靠并达到其设计使用年限。转轴作为内置蒸发器的核心部件，其结构特征与常规釜式搅拌装置有一定的差异，因此在设计中尤其需要进行认真研究。

1 内置蒸发器旋转轴的概述

内置蒸发器是由江苏和诚制药设备制造有限公司开发的新型节能蒸发器，整体为卧式结构，如图1所示。内置蒸发装置的换热器设置于蒸发室内部，加热转子穿过蒸发腔，承载列管束，在电机的带动下可匀速转动[2]。转轴作为换热器的一部分位于设备中心轴线上，管束的整体质量通过管箱作用于转轴上。转轴的支撑位于蒸发器的端盖两侧并通过轴承固定，一端通过传动装置进行动力传递。

图1 内置蒸发器的结构图

2 设计要点

根据上述的结构特点可以看出，转轴的支承形式为外伸端的双支点单跨轴，同时两个支承点的跨距较大且轴和管束的质量也比较重，在运行过程中,同时承受较大的扭矩和弯矩等载荷的作用。搅拌轴的设计计算不仅考虑材料的选择和结构设计，还应包括强度计算（扭矩和弯矩组合作用强度）、临界转速计算和刚度计算（扭转变形和弯曲扰度）[3]。

2.1 转轴的材料选用

用于转轴的材料应具有良好的综合性能，还需考虑制造工艺及经济合理性。内置蒸发器是含盐废水理想的脱盐设备，其材质的选择很重要。

在内置蒸发器中的转轴除了承受蒸发器内的温度影响外，还会受到介质腐蚀的影响以及旋转工作时产生的扭矩、弯矩和冲击力等作用，而且这些载荷多为随机变化的。在计算强度时应充分考虑腐蚀对强度的影响，避免因材料腐蚀失强导致产生早期破坏[4]。经过研究认证，因优质低合金钢16Mn具有优良的力学性能和良好的焊接性能而被采用，在轴的外周根据物料特性进行整体防腐处理，对轴与轴头的焊接连接位置进行整体消应力处理。

2.2 转轴的结构设计

转轴的结构设计主要是确定轴的合理外形和轴各段长度、直径及局部结构，其结构与承载性质、大小、方向及传动布置、零件布置等相关联。在整个转轴的结构设计过程中应该考虑：

1）在满足转轴的刚度和强度的条件下，尽量减少质量，节约成本，比如采用空心轴的结构形式；

2）尽量减少应力集中，提高疲劳强度；

3）对于转轴上的支持板、管箱等零部件要有科学可靠的定位措施；

4）在满足正常运行状态条件下，合理确定转轴的加工精度及配合尺寸；

5）整体系统合理设置支承形式和支承点位置，转轴合理受力，扭矩分流合理，弯矩分配合理。

2.3 转轴的刚度计算

转轴在外载荷及自重作用下会产生扭转和弯曲变形，当这些变形超过允许值时就会使蒸发器的工作运行产生影响甚至会导致装置无法工作。如转轴弯曲变形过大会影响换热管束的平稳旋转，严重时会引起管束与蒸发器筒体相碰擦而停机。过大的弯曲变形还会使轴密封产生泄漏失效形成操作现场环境的污染并影响蒸发效率。所以必须对转轴进行刚度计算以保证转轴的正常工作。转轴的刚度计算按扭曲刚度和弯曲刚度进行分别计算[5]。

1）扭曲刚度计算。受扭曲变形控制的转轴径d1根据转轴材料许用扭转变形量来核算：

式中：[γ]为转轴的许用扭转角，（°）/m；Mmax为转轴材料的剪切性模量，MPa；N0为转轴空心轴内径和外径的比值。[γ]、Mmax、G、N0的选取及范围参考机械搅拌设备HG/T20569—2013标准。

2）弯曲刚度计算。转轴的弯曲变形按转轴上任意点处（或轴封处）径向位移量计算，它包括：因轴承径向游隙所引起转轴上任意点距离轴承的位移δ1x，由流体径向作用力引起转轴上任意点距离轴承的位移δ2x，因换热管束组合件的质量偏心所引起的转轴上任意点距离轴承的位移δ3x，因换热管束组合件的重力载荷和转轴自身重力载荷所引起的转轴上任意点距离轴承的位移δ4x。转轴按钢性轴计算任意点处（或轴封处）径向位移量 δx=δ1x+δ2x+δ3x+δ4x。

转轴上任意点处（或轴封处）径向位移量的计算结果必须满足小于允许的径向位移量，即δx≤[δ]x。[δ]x选取范围与物料介质、操作条件、传动装置及轴封等因素有关，还可参考机械搅拌设备HG/T 20569—2013标准进行计算。

2.4 转轴的强度计算

在内置蒸发器的转轴上管板的质量位置及两端支承位置是可以确定的，这样轴的结构设计也基本确定，在计算时可以按弯扭合成法进行，这样的计算是偏于安全的。计算步骤为：

1）按转轴的受力状态画出同平面的受力简图；

2）分别做出垂直和水平面上的受力图和弯矩图，再按矢量法求取合成弯矩；

3）作出转轴的转矩图；

4）选取承受弯矩、扭矩大，截尺寸较小，应力集中较严重的截面确认为转轴的危险截面；

5）根据转轴材料的选用许用应力[τ]；

6）按弯扭合成强度计算转轴的轴径并进行圆整到标准尺寸。

按弯扭合成强度计算转轴的轴径：

式中：Mn为按传动装置效率计算的转轴传递的扭矩；M为转轴的弯矩总和；N0为转轴空心轴内径与外径的比值。

2.5 转轴的临界转速

转轴本身是一个弹性体系，当其旋转时，自身重量和弹性产生了自然振动有其自振频率，另外由于转轴组合的各零件材料质量不均匀、制造和安装误差等原因造成转轴重心偏移引起旋转离心力。运行时产生以旋转离心力为周期频率的振动。当频率相同或接近时就会产生共振现象，甚至会造成转轴系统的严重破坏。产生共振现象时的转速称为临界转速。工作时的转轴转速严禁在临界转速内，并控制在临界转速的一定范围之外。

临界转速的大小与材料的弹性特征，转轴的形状、尺寸、支承形式及转轴上零件质量有关。工艺要求的转速与临界转速的比值必须满足标准规范要求，否则对旋轴轴径或轴零件需进行重新调整。根据内置蒸发器转轴的工作特点，旋轴的临界转速为带圆盘且包括均匀质量轴自重的临界转速，计算时分别求出各种条件下的临界转速n0,n01,n02,n03……n0i，再按邓柯莱公式计算到整个转轴系统的临界转速ncrk。

3 结语

在内置循环蒸发器转轴设计的过程中需要从多方面进行考虑，如果计算结果不能满足强度和刚度要求时，需采取相应的措施修改轴的设计。在满足结构要求和强度、刚度条件下，设计尺寸小、质量轻、安全可靠、经济合理又便于维护检修的内置蒸发器转轴，以保证在设计使用年限内安全稳定的运行。

当然，随着计算机技术的发展，可以应用有限元分析或其他新的计算方法。有限元计算方法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状成为行之有效的工程分析手段，也是一个值得研究的方向。