粮食加工机械轴类零件设计要点

吴 梦，刘素山

（河北苹乐面粉机械集团有限公司，河北 正定 050800）

粮食加工机械主要指应用于粮食清理、粉碎、输送、碾磨等工序的机械设备。这些设备主要工作部件都离不开轴类零件，所有这些设备只要轴类零件出现破损、断裂，就会造成停工停产状况，甚至导致安全事故发生，因此轴类零件的设计非常重要。这里结合轴类零件设计方法和步骤以及注意事项，有针对性地做一详细介绍。

1 轴类零件的设计要求

轴类零件设计一般要满足强度、刚度以及使用寿命等要求，不能在设备生命周期内出现疲劳破坏、弯曲报废等。一般轴类零件设计要可靠，杜绝磨损、疲劳、断裂。设计时要考虑工况环境、合理选择材质、正确设计结构、合理设计余量。在满足使用功能前提下，轴类零件的设计还要同时考虑设计成本、加工成本、维护成本和安装方便等因素。

2 轴类零件材质的确定

轴类零件材料，主要是普通碳钢Q235、45#钢和合金钢如20Cr,40Cr,35SiMn,42SiMn等。根据轴类零件的重要程度确定具体材质的选用。不重要轴类零件或强度要求不高的轴类零件选用Q235。对于强度和刚度，以及耐磨性能等有要求的轴类零件宜选用优质碳钢30#、40#、45#钢，其中最常用的是45#钢。为保证良好的机械性能，应对其进行热处理，如调质、淬火、回火及正火等。通过热处理，45#钢抗拉强度可以达到600～650 MPa。

尽量少用合金钢材料，粮食加工机械对材料要求并不苛刻，合金类材料价格昂贵，并且合金类材料易应力集中，对设计和机加工精度要求都高，控制不好会得不偿失，设计上杜绝采用合金材料来替代普通碳钢热处理设计。

3 轴径的确定方法

轴类机械零件设计直径的确定，是机械设计入门者纠结的一个问题。直径小了强度不够，直径大了浪费材料。设计时应充分考虑设备使用寿命、工况环境条件、重要程度及加工成本等诸多因素。如何确定，通常有三个方法。

3.1 类比法

这个方法最直观简便，就是类比应用成熟的同类产品，别人用多大直径，就用多大直径。测绘设计就是如此，直接参照前人经验和技术成果。

3.2 经验公式法

根据不同功率，从动力方面入手考虑。就是以电动机轴头直径来做参考确定。这里确定的直径是轴类零件最细处的直径。一般取d≈（0.8～1.2）D,D为电机轴头直径，d为设计轴最细处直径。

3.3 按扭转强度计算确定

轴类零件一般承受弯矩和扭矩，弯矩与轴类零件支撑点距离及轴类零件受到的径向力有关，这里不再赘述。只考虑扭矩，由力学知识可知，轴类零件承受扭矩作用时，其强度条件为：

由（1）推导出

式中：d为轴的直径，mm;

τ为轴剖面中最大扭转切应力，MPa;

P为轴传递的功率，kW;

n为轴的转速，r/min;

「τ」为许用扭转切应力，MPa,见表 1;

C为由许用扭转切应力确定的系数，见表1;

表1 轴的常用材料的许用扭转切应力「τ」和C值

Wr为抗扭剖面模量。

计算得出轴最小直径d后，如果该最小轴处的剖面有键槽时要做相应地直径补偿，当有一个键槽时，直径增大5%，当有两个键槽时，直径增大10%。

4 轴的结构设计

轴的结构设计与机械本身结构和使用功能密切相关。没有固定形式，但设计时要注意以下几点。

4.1 制造容易、安装方便

在满足使用功能条件下，结构尽可能简单，保证容易制造和方便安装。

4.2 轴上零部件的固定方法

轴上零部件的固定方法主要有利用轴肩固定法，利用顶丝固定法，利用套筒及圆螺母固定法，利用轴端挡圈固定法，以及定位要求不高时利用弹性挡圈固定法等。

利用轴肩固定法，设计时轴肩根部合理设计成圆弧角，该圆弧角半径要小于安装零件的接触轴肩根部部位圆角半径。对于要求精度高或特别重要的轴类零件设计，需要考虑过度肩环、凹切圆角、增加卸载槽、退刀槽等具体设计方案。对于粮食机械来说一般不建议采用，这里不详细叙述。

4.3 提高轴的强度措施

合理布置轴上传动零部件位置，降低最大转矩。合理设计轴上零件结构，避免应力集中。减小应力集中，合理设计倒角、退刀槽等结构细节。对轴类材料采用45#钢以及合金类材料时，应进行表面热处理如正火、回火、调质、淬火及渗碳等增强轴耐磨性地处理，提高轴类零件抗疲劳破坏的强度。

5 总结

实际设计完成后，往往需要对轴的强度和刚度以及安全性系数进行校核验算，确保所设计的轴类零件安全可靠。限于篇幅所限，这里只针对粮食加工机械设计中通常遇到的问题阐述一些观点，一切以实用为主，免去冗余理论推导。其它相关数据机械设计手册均可参阅采纳，这里不再赘述。