120 m2立盤過濾機傳動軸改進

張 雯

（中國鋁業山東工程技術有限公司，山東淄博 255051）

1 存在的問題

GPL-120型120m2立盤過濾機（中國鋁業山東工程技術有限公司生產）主要用于氧化鋁生產中的過濾工序，將固體顆粒與母液分離開，從而實現過濾目的。中國鋁業山東工程技術有限公司某下屬企業使用2臺該型號的立盤過濾機，經過一段時間運行，出現2個問題：①設備運行平穩性較差，振動較大；②設備運轉率較低，軸承壽命較短。

2 120 m2立盤過濾機的結構

（1）槽體。槽體由鋼板焊接而成，用于儲存料漿。槽體上有進料口和卸料口，濾布洗滌管。

（2）傳動部分。主傳動電機采用變頻調速電機，電機通過皮帶傳動和減速機連接，減速機直接和傳動軸的傳動軸相連接，從而實現系統的運轉。

（3）過濾盤。過濾盤是實現過濾作用的機構，整機共有3個濾盤，每個由48塊扇形板構成一個圓盤，用保持架、螺栓和環形支撐架固定在主傳動軸上，每塊扇形板外面包有濾布。

（4）分配頭。分配頭用以實現過濾機過濾過程的過濾、干燥和吹落等3個階段，傳動軸每轉一周，過濾機便完成一次過濾過程。

（5）傳動軸。傳動軸用以濾液流通和帶動過濾盤，傳動軸有24個隔開的密封腔，與3個過濾盤的扇形板相通。

3 問題分析

該設備傳動軸組成：①驅動軸，驅動軸一端連接減速機，另一端連接中心軸，兩端均為平鍵連接。②中心軸，中心軸上裝有濾板，軸上空腔內有濾液流動。③分配頭軸，該軸連接中心軸與軸承座，其與中心軸也采用平鍵連接。由此可見，若將傳動軸兩側軸承座位置視為固定端，則驅動軸與分配頭軸均為懸臂梁，這兩段軸在與中心軸連接位置將產生較大變形。

分析驅動軸的變形，為簡化模型，不考慮設備運轉過程的過濾、干燥和吹落等3個階段產生的交變載荷，而是將其折算為靜載荷，分析靜載荷狀態下驅動軸的變形。圖1為應用ANSYS軟件建立的驅動軸模型。在建模時，簡化了軸肩等對變形影響不大的細節。圖2為劃分網格及施加載荷的情況，在分析時，將軸承位置簡化為固定端約束，將中心軸對驅動軸的載荷簡化為均布載荷作用于軸的表面。圖3為ANSYS軟件的分析結果，分析時，考慮到施加載荷為面載荷，經計算，取應力q=2.33×106Pa。分析結果可知，軸端最大變形量為2 mm。為驗證結論可靠性，用材料力學的知識進行復核驅動端軸的最大撓度。為簡化計算，將兩段軸直徑統一為200 mm。驅動端軸受力簡圖如圖4所示。

圖1 驅動軸模型

圖2 驅動軸劃分網格及加載

圖3 軸變形結果

圖4 驅動端軸受力簡圖

由以上結果分析可知，在靜載荷作用下，驅動端軸最大變形為2 mm。在復雜的工況條件下，立盤過濾機傳動軸部分的同軸度將無法保證，且中心軸的兩側軸孔將在設備運行過程中產生較大變形，嚴重影響軸承壽命，最終導致設備無法正常運轉。

4 改進方案

為了減少軸的變形，采取在驅動軸與分配頭軸之間采用厚壁鋼管焊接的方式將它們連接在一起以提高傳動軸部分的剛度。主要改造內容如下。

（1）驅動軸。驅動軸與中心軸連接端增加一段Φ200 mm×160 mm的軸伸，以方便與鋼管焊接。

（2）分配頭軸。取消與中心軸連接的鍵槽，改為用鋼管傳遞扭矩，并且同樣增加一段Φ200 mm×160 mm的軸伸，以方便與鋼管焊接。

（3）無縫鋼管。改造采用規格為Φ200 mm×20 mm無縫鋼管，用其連接驅動軸與分配頭軸。制作時在鋼管端部開15 mm×15 mm的焊接坡口，且在端部制作4個寬40 mm、長100 mm的長形孔，并與兩段軸堆焊在一起，以增強連接強度，鋼管如圖5所示。改進后，仍采用ANSYS軟件計算軸的變形。圖6為應用ANSYS劃分網格并加載的軸的有限元模型。軸的變形結果見圖7，從中可以看出，在與中心軸接觸的部位，軸的變形只有1mm，較好地減少了軸的變形。

圖5 無縫鋼管

圖6 劃分網格及加載后的軸

圖7 軸的變形結果

5 結論

改進后的120 m2立盤過濾機提高了設備可靠性和運轉率，對同類設備的改進有借鑒意義。

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