旋转主轴在承受一定内压时的强度校核计算*

张晓伟 李慧燕 刘菲菲 倪春林 李得龙 邵立承

(山东天力能源股份有限公司)

旋转主轴在承受一定内压时的强度校核计算*

张晓伟 李慧燕 刘菲菲 倪春林 李得龙 邵立承

(山东天力能源股份有限公司)

对于同时承受疲劳破坏与内压破坏的旋转主轴，首先假定主轴轴管名义壁厚，然后确定承受内压时的计算壁厚，按照矢量差关系计算出主轴在承受弯、扭矩作用下的计算壁厚，并以此计算壁厚和弯、扭矩合成的当量弯矩为依据得出计算应力，进而与一定材料、一定温度下的主轴许用疲劳强度做比较，最终确定假定壁厚的合适性，完成旋转主轴承受一定内压时的强度校核计算。

干燥设备 旋转主轴 疲劳破坏 内压破坏 强度校核 计算壁厚

在一些旋转干燥设备中，如桨叶干燥机、打散滚筒干燥机及圆盘干燥机等，通过主轴的旋转实现物料的推进、搅拌和打散。但在主轴内还往往通入一定压力的供热介质(如饱和蒸汽)，通过间接换热达到物料干燥或加速物料干燥的目的。这样，主轴在承受一定疲劳破坏的同时还要承受一定的内压力破坏，受力情况复杂。目前，对该工况下的主轴强度计算主要依据疲劳破坏计算主轴壁厚，然后附加一定余量用以抵抗内压破坏。该方法具有一定的盲目性，实践中往往会使壁厚过大，不仅造成材料浪费、加工成本过大，还会对主轴刚度带来负面影响。为此，笔者对同时承受疲劳破坏与内压破坏的主轴进行精准校核计算，最终确定计算壁厚的正确性。

1 校核计算参数

主轴结构简图如图1所示，图中未标示出主轴上焊接的用于增加换热面积的叶片、用于打散物料的打散装置和用于输送物料的输送装置。

图1 主轴结构简图

主轴主要校核计算参数见表1。

表1 校核计算参数

2 计算壁厚

2.1 主轴承受内压时的计算壁厚

主轴承受内压p时应具有的材料计算壁厚δp为：

式中p1——设计压力，p1=1.05×p=0.63MPa；

[σ]t——主轴材料在工作温度下的许用应力，[σ]t=130MPa；

φ——主轴轴管焊接系数。

无缝钢管φ=1.0。双面自动焊或手工对接焊缝时：局部无损探伤φ=0.9，不做无损探伤φ=0.7。单面自动焊或手工对接焊缝时：局部无损探伤φ=0.7，不做无损探伤φ=0.6。

2.2 主轴在计算内压力和弯、扭联合作用下满足强度需要的计算壁厚

主轴在内压力和弯、扭联合作用下应具有的计算壁厚δ1为：

δ1=δ-ΔS-b-c1-c2=36-0.2-2-1-0=32.8mm

式中b——焊制主轴轴管时的错边量；

c1——主轴轴管材料负偏差；

c2——主轴轴管材料腐蚀余量；

ΔS——主轴轴管外壁被磨损的附加余量。

当工作温度小于120℃时，碳钢、低合金钢材料的ΔS=0.2mm，不锈钢材料的ΔS=0.1mm；当工作温度大于120℃时，碳钢、低合金钢材料的ΔS=0.3mm，不锈钢材料的ΔS=0.2mm。

2.3 主轴在弯、扭作用下的计算壁厚

主轴在弯、扭作用下应具有的计算壁厚δ0与相对应的主轴抗弯系数W分别为：

=12657859mm3

3 主轴在弯、扭作用下的应力计算

3.1 功率输入链轮对主轴的作用力

链轮受力分析如图2所示。

图2 链轮受力分析

相关变量的计算式如下：

Fr=1.15×Fs=1.15×128339.2=147590N

Frx=Frcosθ=147590×cos35°=84654N

Fry=Frsinθ=147590×sin35°=120898N

式中Fr——作用于轴上的径向力，N；

Frx——链轮副作用于主轴上的水平分力，N；

Fry——链轮副作用于主轴上的垂直分力，N；

Fs——链条工作拉力，N；

T——链轮传递转矩，N·mm；

vs——链条工作速度，mm/s。

3.2 弯矩图和扭矩图

图3 主轴载荷分布

现将主轴横断面上最大合成弯矩处的MH、MV和M列于表2。

表2 主轴横断面上最大合成弯矩处的载荷

3.3 按弯、扭合成应力校核主轴强度

弯、扭合成计算应力σca为：

=56MPa

式中KT——温度系数；

α——弯、扭折合系数。

根据GB/T 150.1～150.4-2011，钢号S30408在工作温度(200℃)下的许用应力为130MPa，取安全系数为2，则[σ-1]=65MPa。因此σca<[σ-1]，故假设壁厚取值是安全且恰当的。

4 结束语

本文中只说明了旋转主轴在承受一定内压时的校核方法，因此只经一次迭代计算即得到最佳壁厚。但在实际工作设计时，需要经过多次的迭代计算才能获得最佳壁厚，因此需要根据笔者提出的方法和步骤编制一个简易的计算程序，以达到提高旋转主轴强度校核计算效率和正确性的目的，最终得到回转类干燥机的最优化设计。

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-

张晓伟(1988-)，工程师，从事回转类干燥机的设计工作，782100368@qq.com。

TQ051.8+92

A

0254-6094(2017)04-0414-04

2017-04-26)

(Continued on Page 451)