旋轉主軸在承受一定內壓時的強度校核計算*

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)

旋轉主軸在承受一定內壓時的強度校核計算*

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)

對于同時承受疲勞破壞與內壓破壞的旋轉主軸，首先假定主軸軸管名義壁厚，然后確定承受內壓時的計算壁厚，按照矢量差關系計算出主軸在承受彎、扭矩作用下的計算壁厚，并以此計算壁厚和彎、扭矩合成的當量彎矩為依據得出計算應力，進而與一定材料、一定溫度下的主軸許用疲勞強度做比較，最終確定假定壁厚的合適性，完成旋轉主軸承受一定內壓時的強度校核計算。

干燥設備 旋轉主軸 疲勞破壞 內壓破壞 強度校核 計算壁厚

在一些旋轉干燥設備中，如槳葉干燥機、打散滾筒干燥機及圓盤干燥機等，通過主軸的旋轉實現物料的推進、攪拌和打散。但在主軸內還往往通入一定壓力的供熱介質(如飽和蒸汽)，通過間接換熱達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還要承受一定的內壓力破壞，受力情況復雜。目前，對該工況下的主軸強度計算主要依據疲勞破壞計算主軸壁厚，然后附加一定余量用以抵抗內壓破壞。該方法具有一定的盲目性，實踐中往往會使壁厚過大，不僅造成材料浪費、加工成本過大，還會對主軸剛度帶來負面影響。為此，筆者對同時承受疲勞破壞與內壓破壞的主軸進行精準校核計算，最終確定計算壁厚的正確性。

1 校核計算參數

主軸結構簡圖如圖1所示，圖中未標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 主軸結構簡圖

主軸主要校核計算參數見表1。

表1 校核計算參數

2 計算壁厚

2.1 主軸承受內壓時的計算壁厚

主軸承受內壓p時應具有的材料計算壁厚δp為：

式中p1——設計壓力，p1=1.05×p=0.63MPa；

[σ]t——主軸材料在工作溫度下的許用應力，[σ]t=130MPa；

φ——主軸軸管焊接系數。

無縫鋼管φ=1.0。雙面自動焊或手工對接焊縫時：局部無損探傷φ=0.9，不做無損探傷φ=0.7。單面自動焊或手工對接焊縫時：局部無損探傷φ=0.7，不做無損探傷φ=0.6。

2.2 主軸在計算內壓力和彎、扭聯合作用下滿足強度需要的計算壁厚

主軸在內壓力和彎、扭聯合作用下應具有的計算壁厚δ1為：

δ1=δ-ΔS-b-c1-c2=36-0.2-2-1-0=32.8mm

式中b——焊制主軸軸管時的錯邊量；

c1——主軸軸管材料負偏差；

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。

當工作溫度小于120℃時，碳鋼、低合金鋼材料的ΔS=0.2mm，不銹鋼材料的ΔS=0.1mm；當工作溫度大于120℃時，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、扭作用下的計算壁厚

主軸在彎、扭作用下應具有的計算壁厚δ0與相對應的主軸抗彎系數W分別為：

=12657859mm3

3 主軸在彎、扭作用下的應力計算

3.1 功率輸入鏈輪對主軸的作用力

鏈輪受力分析如圖2所示。

圖2 鏈輪受力分析

相關變量的計算式如下：

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、扭合成應力校核主軸強度

彎、扭合成計算應力σca為：

=56MPa

式中KT——溫度系數；

α——彎、扭折合系數。

根據GB/T 150.1～150.4-2011，鋼號S30408在工作溫度(200℃)下的許用應力為130MPa，取安全系數為2，則[σ-1]=65MPa。因此σca<[σ-1]，故假設壁厚取值是安全且恰當的。

4 結束語

本文中只說明了旋轉主軸在承受一定內壓時的校核方法，因此只經一次迭代計算即得到最佳壁厚。但在實際工作設計時，需要經過多次的迭代計算才能獲得最佳壁厚，因此需要根據筆者提出的方法和步驟編制一個簡易的計算程序，以達到提高旋轉主軸強度校核計算效率和正確性的目的，最終得到回轉類干燥機的最優化設計。

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，從事回轉類干燥機的設計工作，782100368@qq.com。

TQ051.8+92

A

0254-6094(2017)04-0414-04

2017-04-26)

(Continued on Page 451)