机械毕业设计（论文）-三足式离心机设计【全套图纸】.doc

绪 论离心机是实现离心分离过程的机器。卤水蒸发水分以后盐呈结晶析出，将固体晶盐从含盐浆料液中分离出来，此分离过程就是靠离心机来完成的。盐浆离心脱水的好坏不仅与结晶盐粒的粗细、盐浆中含固体石膏的多少，旋流后盐浆的固液比以及料液的粘度等因素有关外，还直接与选用的离心机机型有关。制盐生产中使用的离心机的机型较多，但是，我国现行真空制盐生产中普遍使用的离心机则不外乎两种关型: 第一种，活塞卸料离心机，如广重产的wh-800活塞卸料离心机、引进瑞士的p-4/2型双级活塞卸料离心机、江北机械厂生产的hr500-n型双级活塞卸料离心机及杭州产的双级活塞卸料离心机等。第二种，离心力卸料离心机，如广重产的wi-650型锥蓝离心机及自行改装wz-sso型锥蓝离心机等。表0-1 各种机型离心机的主要技术参数一、各种机型结构的比较上述几种离心机其工作原理是相同的，都是利用离心分离的原理来分离物料的，所不同的只是其结构上的差异和卸料方式的不同而已，这就决定了它们在结构上存在着诸多的异同点。结构上的相同点：由于这几种离心机分离的工作原理相同，因此它们在结构上必有很多相同点.此四种机型的离心机都有回转体，机壳、轴承座、机座等部件.活塞卸料离心机都有卸料机构和液压系统。而且这些部件在不同的机型上所起的作用也是相同的，回转体转鼓壁上开有过滤孔，转鼓内装有筛网，用以阻留物料，分离料液，转动主轴同转鼓相连，用以传递转矩;布料斗(分配盘)同转鼓同步旋转，均匀分布物料于筛网上，机壳则起收集物料及分离出的料液;轴承座起支撑回转体的作用。而机座除支撑轴承座外还起降低设备的重心，增强设备的稳定性等作用。对于活塞卸料离心机，其液压系统是提供液压油，而卸料机构则以液压油为动力，将转鼓内的物料推出进入前机壳或集料槽。结构上的不同点：以上几种离心机，锥蓝离心机的结构最简单，它没有液压系统和卸料机构，其卸料是靠其本身高速旋转所产生的离心力来完成的。其转鼓是圆锥形的，电机带动主轴，转鼓随同主轴一起旋转，在分离出料液的同时物料在离心力的作用下沿着筛网的表面卸出而进入前机壳。所以它的结构较活塞卸料离心机大大简化。活塞卸料离心机的物料卸出是靠液压系统提供的液压油使活塞在换向滑杆的作用下实现往复运动，由与推杆相连的推料盘将物料卸出，也正由于它们有液压系统和推料机构，并有安全阀、调节阀等附属结构，较锥蓝离心机结构复杂得多。而双级活塞卸料离心机较单级活塞卸料离心机结构更为复杂，双级活塞卸料离心机有两级转鼓，其推杆是与一级转鼓相连，而推料盘在轴向和径向上均与二级转鼓保持相对固定，其初级转鼓兼作二级转鼓的推料盘。其检修难度较单级活塞卸料离心机要大，检修时间也长。全套图纸，加153893706因此，从结构上看，锥蓝离心机明显优越于其它机型的离心机:结构简单，检修方便。二、分离能力的比较离心机分离因数fr = rw2 /g是表示离心机性能的重要参数，其值愈大，表示物料受到的离心力愈大，则分离的效果也愈好。从表1可以看出锥蓝离心机的分离因数最大，故分离效果也最好;单级活塞离心机wh-800的分离因数最小.故分离的效果也最差;而p-4/2或hr500-n型)型的离心机的分离因数介于前二者之间。物料的含水量也是衡量离心机分离效果好坏的一个重要指标。活塞卸料离心机，由于其物料在转鼓内停留的时间较长，同时推料盘的脉动推料，物料有个不断被挤压的过程，所以分离出的物料含水量较小;对于双级活塞卸料离心机，其物料在卸出的过程中有个完全疏松、重新布料的过程，故其分离的效果更好，含水量更小。含水量越小，越有利于下一工序干燥。由上所述可知，p-4/2型(或hr500-n型)离心机较wi一650(或wz一650)型或wh一800型离心机更适合于制盐生产。1 生产能力及能耗的比较 表0-1可以看出p-4/2型(或hr500-n型)离心机的生产能力最大，每小时可产盐12 18t;锥蓝离心机的生产能力为7 12t/h, wh-800型离心机的生产能.力最小，为37t/h，一台p-4/2型离心机相当于两台wh-800离心机的生产能力还要多。由0-表2可知，锥蓝离心机吨盐耗电最小;而wh-800离心机吨盐耗电最多，运行不经济.p-4/2型则介于其间。2 操作及卒故频度的比较现真空制盐所使用的离心机均需手动洗车，人工调节进料量，其自动化程序较低，但是其操作均较简单。对于活塞卸料离心机，可每班洗车一次.在工艺稳定的情况下，其运行状况是很稳定的，而不需经常调节，一旦工艺有波动，则对其影响较大.需适当调节进料量;对于锥蓝离心机.则需每半小时洗车一.次，操作工的劳动强度较活塞卸料离心机要大。但是其运行状况较活塞卸料离心机要稳定得多，其原因是物料的锥形转鼓内停留时间很短，短时的不均匀进料对其影响很小，一旦进料正常，它可很快回到稳定运行状态，调节进料量次数比活塞卸料离心机要少。 锥蓝离心机由于结构简单.运行状况稳定，出现设备事故的情况很少，如我厂除因油泵电机烧毁、电气联锁装置失灵而使轴承烧毁情况外，没有出现过其它事故。同时由于结构的不断完善和改进，更换面网更为方便，面网的使用寿命大为延长，停机检修的频度很小。wh-800离心机结构复杂，推料速度慢，对工艺波动适应性最差，经常发生振动、机身螺丝断或松动、转鼓松动等事故，事故发生率最高;p-4/2型(或hr500-n型)离心机推料速度较快，对工艺波动适应性较wh-800离心机要好得多，虽然其结构较wh-800型离心机要复杂，但是其发生事故的频率却较小。因此，从这方面来看，wi-650型离心机和p-4/2型(或hr500一n型)离心机wh一800型离心机。 因此，wi - 650型离心机和p - 4/2型(或hr500-n型)离心机较wh一800离心机运行要经济。以上从三个方面对制盐在役的几种离心机进行比较，我们可以得到以下几点结论:1.不论从哪一方面看，wh- 800离心机都应属于被淘汰的机型。2.虽然从结构、能耗及故障率等方面来看，锥蓝离心机具有明显的优势.但是从设备的技术先进性，盐的含水量、生产能力及劳动强度的改善方面来看，p-4/2(或hr500-n)型离心机比wi-650型锥蓝离心机更适合于制盐生产。3.由于锥蓝离心机具有结构简单、检修方使等特点。它在很长一段时间将同p-4/2(或hr500-n型)离心机并存而不会被取而代之，如果其自动洗车问题得到解决，它将有很大的发展前途。三、选型论证，总体结构概述，本机型的发展简史及趋势 分离机械的选型应从分离物料的性质、分离效果、处理量、分离过程的工艺要求、经济性等几方面考虑。 (一)分离物料的性质、分离效果 分离物料的特性对分离机械的选用至关重要。物料中固相浓度含量、固体颗粒大小、形状及分布、液固相的重度、液相粘度、挥发性、ph值、颗粒聚积状态、腐蚀性、是否易燃、易爆、有毒等，这些特性决定了分离机械的类型，如液一液分离，则用分离机；如有毒则必须使用密闭式的，含固量少且颗粒小的宜用分离因素大的分离机；易挥发的不宜用真空过滤机；固相颗粒较细，物料易堵塞滤布或滤网不易再生的，可采用沉降式离心机等等。另外分离效果、分离要求对选型也至关重要。若分离后回收的是滤渣，则应考虑滤渣的完整性，如不允许破坏固体颗粒结晶的则不能用刮刀卸料离心机或螺旋卸科离心机，还应考虑滤渣的干燥度及洗涤效果等；若分离后回收的是滤液，则须考虑滤液的澄清度，滤液的回收率等。(二)分离过程的工艺要求及处理量分离过程为间歇的还是连续的，卸渣是人工的还是自动的，自控的程度为多少，处理量的大小，这些因素对分离机械的选型起决定性的作用。如管式分离机适于处理量较小的场合等。选择分离机械时，可根据分离物料的要求及物料特性，选出一种或几种适用的机械，再根据经济性、安装维修是否方便等选出最佳的分离机械。三足式离心机：三足式离心机是一种间歇操作的离心机。适用于分离含固相颗m的悬浮液，如枝状、结晶状或纤维状物料，也可供纺织物的脱水，金属切削铁屑和润滑油的回收等。该类机型具有结构简单，操作方便，适应性强，过滤时间可根据物料特性及分离要求灵活掌握，滤渣洗涤充分，固体颗粒不易破碎等优点。主要技术参数表0-2 表 0-2转鼓直径mm800高度mm400有效容积l100装料限度kg1000转速r/min1500分离因素1000电机功率kw7.5外形尺寸长宽高 mm16301250980主机重量kg988第1章 材料选择1.1 转鼓的材料nacl与转鼓有直接接触，对一般的材料具有腐蚀作用，故需采用抗腐蚀材料对转鼓进行设计，不锈钢钢种很多，性能又各异，常见的分类方法有： 按钢的组织结构分类，如马氏体不锈钢、铁索体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢等。 按钢中的主要化学成分或钢中一些特征元素来分类，如铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。 按钢的性能特点和用途分类，如耐硝酸(硝酸级)不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、高强度不锈钢等。 按钢的功能特点分类，如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢、超塑性不锈钢等。铬镍奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类，铬镍奥氏体不锈钢在多种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性，并且综合力学性能良好，同时工艺性能和可焊性等优良，因此选用此类不锈钢作为转鼓的材料制造，由于介质中含有cl-1离子，所以要加入钼这种合金元素，加入钼后的铬镍奥氏体不锈钢，提高了钢的耐还原性介质的腐蚀性能和耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀等的性能，所以在实际应用中此类不锈钢常常比不含钼钢具有更好的耐氯化物应力腐蚀性能。选用的不锈钢的钢号为：0cr18ni12mo2ti。性能如下：表1-1 化学成分(%)钢号csimncrnimotisp0cr18ni12mo2ti0.081.02.0161911141.82.55(c%0.020.8)0.0300.035表1-2 力学性能热处理制度室温力学性能b，mpas，mpab,%，%10001100水冷530205405510001100水冷53976721641441.2675577.5热处理制度温度高温力学性能b，mpa02，mpa，%，%k，109j/m22020040050060070058845145143139230425517717712811811865383240354775686162624725.535.335.335.332.3状态温度低温力学性能b，mpas，mpa,%，%退火冷却后2176932127582493223317360表1-3 耐蚀性 （主要为cl离子腐蚀）介质条件腐蚀速度mm/a介质浓度，%温度，盐酸0.50.51155101020203020沸腾2050206020602060200.13.00.13.00.13.01.03.010.03.010.03.010.0氯干燥的潮湿的潮湿的氯水2020100200.110.010.01.0氯化氢干燥的气体干燥的气体201002001.010.0氯化铁氯化铵氯化钙碘碘仿溴化钾305028饱和溶液饱和溶液溶液蒸汽溶液201001002060203.00.10.110.00.10.1工艺性能：0cr18ni12mo2ti钢有良好的冷、热加工性能，热加工适宜温度为9001200，此钢可进行冷轧、冷拔、深冲、弯曲、卷边、折叠等冷加工成型而无特殊困难。固溶处理温度为10001100，加热后需快冷(水冷或空冷)。此类钢的焊接性能均佳，可采用通用的方法进行焊接。但钨极氩弧焊、金属极氩弧焊和手工电弧焊最为常用，焊后均无晶间腐蚀倾向。一般采用奥202，奥207，奥212焊条。 表1-4 物理性能钢号密度103kg/m3弹性模量e（20）mpa线胀系数10-6k-1热导率102w/(mk)2010020300205001001001000cr18ni12mo2ti7.919900015.716.717.60.160.210.241.2 主轴的材料主轴零件要求材料具有良好的机械强度、韧性和耐磨性。这些性质是通过热处理方法实现的。因此要求材料具有良好的淬火硬度，同时保持材料内在的韧性。一般机器的主轴用45钢。45钢是优质碳素结构钢(gb/t699-1999), 表1-5 化学成分：%钢号csimnsp450.420.290.620.0090.017表1-6 力学性能：b，mpas，mpa，%，%，mpa600355164035 表1-7 经不同工艺处理的40cr和45钢的力学性能比较钢号热处理工艺力学性能b，mpa，%，%k，纵向/横向/jcm-2硬度，hbs40cr1160锻造余热淬火660回火85666.119.5166/94252260850淬火610回火79965.620.6163/59249255451180锻造余热淬火600回火91458.219.3123246850淬火550回火87757.418.2121235热处理工艺：调质是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类，不管是碳钢还是合金钢，其含碳量控制比较严格。如果含碳量过高，调质后工件的强度虽高，但韧性不够，如含碳量过低，韧性提高而强度不足。为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在0.300.50%。45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。1.3 油箱和机壳的材料由于油箱和机壳一般采用铸造或焊接，当采用铸造式，常用铸铁(ht150或ht200)制成。铸铁易于切削，抗压性能好，并且有一定的吸振性。但其弹性模量e较小，刚性较差，因为离心机振动较大，故在离心机中比较少使用。当采用钢板焊接来代替铸造时，不但不用模具，简化了毛胚制造，而且由于钢的弹性模量e与切变模量g均较铸铁大40%-70%，因而可以得到重量较轻而刚性较好的油箱和机壳。这里选用铸造碳钢牌号为：zg230-450。我国多年来沿用的是以钢的含碳量作为分级的标准。牌号中的“zg表示铸钢，其后的数字表示钢中碳的重量分数的公称值，以万分之几表示。铸造碳钢依其杂质元素磷和硫含量的高低而分为三级，磷和硫单项质量分数各低于0.04%的特质(级)钢;低于0.05%的优质(级)钢.低于0.06%的为普通（级）钢。一般工程用铸造碳钢的标准（gb5676-85）将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为5个牌号，即zg200-400、zg230-450、zg270-500、zg310-570和zg340-640。对钢中的基本化学成分只规定其质量分数的上限，对钢中残余合金元素的限制比较宽。第2章 转鼓的机械计算离心机的转鼓是在较高的转速下运转，转速从每分钟几百转、几千转到几万转。因此转鼓壁在回转时，除了承受鼓壁自身质量产生的离心力所引起的应力外，转鼓内壁上还存在物料和液体层，它们回转时产生的离心力也作用在鼓壁上面而引起应力。有时在这些离心力作用下产生很大的应力，使转鼓壁“飞裂”，引起严重后果。因此需要计算这些应力以保证鼓壁的强度。对于转鼓壁与拦液板，鼓壁与鼓底的边缘连接的地方（活塞卸料离心机无拦液板），以及转鼓的圆筒形与圆锥形边缘连接（如上悬式离心机）的部分，由于变形相互受到约束，将产生附加的“边缘应力”。边缘应力一般都是局限在连接处，随着离边缘距离的增大而迅速的衰减。如对钢制圆筒，当离产生边缘应力的距离（r为圆筒半径、s为圆筒壁厚）处，边缘应力就衰减到很小的数值。在工程设计中，往往要采用合理的结构来减小边缘应力。如为了尽量避免由于厚度、载荷和曲率发生突变，使连接件变形不谐调，而采用连接处用圆弧连接，或加小一段圆滑的过渡部分；也有时在边缘连接处适当增加厚度以承受边缘应力，并采用塑性好的材料制作转鼓。这里仅研究在高速回转下受离心载荷作用的转鼓壁的强度计算。转鼓鼓壁在工作时，需承受转鼓鼓壁本身质量在回转时所产生的离心力、筛网质量产生的离心力以及物料质量产生的离心力。转鼓的示意图如下2.1 圆筒形转鼓的鼓壁质量引起的鼓壁应力图2-1所示为绕对称轴旋转的圆筒形转鼓。图2-1 圆筒形转鼓示意图设鼓壁的半径为r，鼓壁的厚度为s，高度为l，密度为o。在转鼓上划出宽度为的细条，当转鼓以一定的角速度旋转时，转鼓细条单元质量所产生的离心力为 (2-1) 其中为转鼓壁的平均半径，但因sr，所以取。此力可认为均匀地作用于这一单元体的表面上，因此由鼓壁本身质量产生的单位面积上的离心压力为 (2-2)p1是由转鼓鼓壁本身质量而产生的垂直于鼓壁的离心压力。由p1的作用，使得转鼓象受内压的壳体一样，它的环向应力可由拉普拉斯方程式求得 (2-3)式中 经向应力； 环向应力; r1第一曲率半径，此r1 r2第二曲率半径，此r2r； p壳体内压力，此pp1； s壳体壁厚，m。因为r1=，所以0，则 即 (2-4)由鼓壁质量所产生的离心压力pc1的方向是垂直于轴线而指向外的，因此，它不产生轴向力，也不产生经向应力，即 (2-5)由式(2-4)、(2-5)可导出： (2-6)即离心机转鼓的最大圆周速度umax仅取决于转鼓材料的许用拉应力及密度o。因此，对于超高速离心机，其转鼓要选用强度高而密度小的材料制做。2.2 圆筒形转鼓内的筛网质量引起的鼓壁应力过滤式离心机的转鼓壁内侧，均匀的布满着筛网。当转鼓高速旋转时，筛网质量也就产生离心力作用在转鼓的内壁上。这相当于转鼓受内压。使鼓壁产生应力。作用在鼓壁单位面积上的离心压力为 (2-7)式中 ms筛网的总质量，； ss筛网当量厚度，m； s筛网当量密度，kg/m3； r筛网回转半径，一般取鼓壁内径； l筛网的宽度。在此离心压力作用下，引起鼓壁的环向应力为 (2-8)而离心压力在鼓壁内不产生经向应力，即2.3 圆筒形转鼓内的物料质量引起的鼓壁应力对于立式离心机，其转鼓内的物料在高速回转时，液面基本为平行于轴线的同心圆柱面；而卧式离心机转鼓内的物料表面为平行于轴线的同心圆柱面，如图2-2所示。图2-2 物料作用在转鼓上的离心压力若想求出物料质量引起的鼓壁应力，首先须导出物料在高速回转时作用于鼓壁的离心压力。为此在转鼓内任取一微块的物料(见图2-2)，其体积为。设物料的密度为mf，则该微块物料所受的离心力为 (2-9)根据微块物料在径向上的平衡条件可得因d很小，经化简可得 积分得 (2-10)上式中的积分常数c由边界条件来确定：=r0时，p=0，则式(2-10)可得 代入式(2-10)后，得到物料作用于转鼓壁上的离心压力为 (2-11)由上式可见，物料层产生的离心压力随半径的变化而变化，当=r时，离心压力达最大值，即： (2-12)求得了离心压力，就可分析鼓壁的应力和形变。根据轴向平衡条件可得： (2-13)离心压力p3引起转鼓壁上的环向应力可由拉普拉斯方程式求得 (2-14)式中 k转鼓的填充系数，。对于有顶盖和鼓底的转鼓，离心压力p3不仅作用于转鼓壁上，同时也作用于顶盖和鼓底上。作用于顶盖和鼓底上的离心压力p3将引起鼓壁的经向应力，此应力的大小可根据轴向力的平衡条件而求得。其平衡条件为 (2-15)则物料离心力在转鼓上引起的经向应力为 (2-16)2.4 转鼓壁的强度计算由于转鼓壁上有开孔的，也有关无孔的，而鼓壁上开孔对鼓壁的强度影响较大，因此进行强度计算时要分别考虑。2.4.1开孔转鼓过滤式离心机的转鼓壁上开有许多小孔，属于开孔转鼓。对于过滤式离心机，因转鼓上开有许多小孔，一方面，使鼓壁强度降低，许用应力还需计入开孔削弱系数的影响，即为。开孔削弱系数为 (2-22)式中 d开孔直径，m； t转鼓在轴线方向上的相邻两孔间的距离，m。另一方面使鼓壁质量有所减小，从而使鼓壁质量离心力产生的应力变为，其中为开孔率，=鼓体开孔总面积/鼓体全面积。并为了计算方便起见，近似取筛网质量离心力产生的应力为。圆筒形转鼓壁的经向总应力和环向总应力分别为 (2-23)当，并令，则上式可简写为： (2-24)按第三强度理论，开孔转鼓的强度条件为： (2-25)由式(2-25)可得转鼓壁厚度为 (2-26)2.5 具体设计过程2.5.1 转鼓壁厚计算现已知物料nacl悬浮液的密度mf=1.56103kg/m3；转鼓材料的密度0=7.9103kg/m3；筛网材料的密度s=7.9103kg/m3；转鼓的内径d=800mm。计算开孔率：开孔有很多种方法，主要有正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形。其中正三角形用的最多。如图2-3所示图2-3 开孔方式开孔直径选取，这里取20mm，正三角形排列。相邻两孔的间距t通常为(25) d；这里取30mm。开孔率 开孔削弱系数 焊缝系数进行100%的射线探伤进行检查，其焊缝系数取为。物料层内径d0=600mm。筛网的当量厚度ss=0.0055m。材料许用应力常温下0cr18ni12mo2ti的不锈钢, ，则 mpampa取mpa。mpa 所以设计厚度sd=s+c2=4.3+3=7.3mm，其中腐蚀裕量c2取3mm；名义厚度sn=sd+c1=7.3 +0.6=7.9mm，其中厚度负偏差c1取0.3mm；圆整名义厚度取sn=12mm2.5.2 转鼓的刚度分析离心机转鼓周向旋转速度达到数十米每秒，分离腔内将产生强烈的湍流流场，转鼓处于其中肯定会发生振动。如果激励频率和转鼓的固有频率相接近，即共振现象，转鼓将产生剧烈的变形，严重的将发生爆裂，所以转鼓还应满足其刚度要求。m其中：e、0分别为转鼓材料的弹性模量、泊松比和密度； k2由公式来计算。 即 r、l分别为转鼓的半径、长度，是开孔削弱系数。对于0cr18ni12mo2ti材料，pa，kg/m3所以设计厚度sd1=s1+c2=5.5+3=8.5mm，其中腐蚀裕量c2取3mm；名义厚度sn1=sd1+c1=8.5+0.6=9.1mm，其中厚度负偏差c1取0.6mm；圆整名义厚度取sn1=12mm由强度计算和刚度计算，取转鼓标准厚度s=12mm第3章 主轴计算3.1 概述作回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动，大多数轴还起着传递转矩的作用轴要用滑动轴承或滚动轴承来支承。在一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度，对于机床主轴，后者尤为重要。高速转轴则还决定于它的振动稳定性。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其他一系列的要求，例如：多数轴上零件不允许在轴上作轴向移动，需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；为传递转矩，轴上零件还应作周向固定；对轴与其他零件(如滑动轴承、移动齿轮)间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性；对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。3.2 轴的结构设计（1）轴的毛坯尺寸较小的轴可以用圆钢车制，尺寸较大的轴则应用锻造毛坯。铸造毛坯应用很少。为了减少质量或结构需要，有一些机器的轴(如水轮机轴和航空发动机主轴等)常采用空心的截面。因为传递转矩主要靠轴的近外表面材料，所以空心轴比实心轴在材料的利用上较经济。但空心轴的制造比较费工，所以必须从经济和技术指标进行全面分析才能决定是否有利。有时为了节约贵重的合金钢或优质钢，或是为了解决大件锻造的困难，也可用焊接的毛坯。（2） 轴颈、轴头、轴身轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成：轴上被支承部分叫做轴颈，安装轮毂部分叫做轴头，联接轴颈和轴头的部分叫做轴身。轴颈和轴头的直径应该按规范取圆整尺寸，特别是装滚动轴承的轴颈必须按轴承的内直径选取。轴颈、轴头与其相联零件的配合要根据工作条件合理地提出，同时还要规定这些部分的表面粗糙度，这些技术条件对轴的运转性能关系很大。为使运转平稳，必要时还应对轴颈和轴头提出平行度和同轴度等要求。对于滑动轴承的轴颈，有时还须提出表面热处理的条件等。从节省材料、减少质量的观点来看，轴的各横截面最好是等强度的。但是从加工工艺观点来看，轴的形状却是愈简单愈好。简单的轴制造时省工，热处理不易变形，并有可能减少应力集中。当决定轴的外形时，在能保证装配精度的前提下，既要考虑节约材料，又要考虑便于加工和装配。因此，实际的轴多做成阶梯形(阶梯轴)，只有一些简单的心轴和一些有特殊要求的转轴，才做成具有同一名义直径的等直径轴。（3）轴上零件的联接轴上零件常以其毂和轴联接在一起。轴和毂的固定可分为轴向固定和周向固定两类。轴上零件的轴向固定轴上零件轴向固定的方法有：轴肩(或轴环)、挡圈、圆螺母、套筒、圆锥形轴头等。轴肩结构简单，可以承受较大的轴向力；螺钉锁紧挡圈用紧定曙钉固定在轴上，在轴上零件两侧各用一上挡圈时，可任意调整轴上零件的位置，装拆方便，但不能承受大的轴向力，且钉端坑会引起轴应力集中；当轴上零件一边采用轴肩定位时，另一边可采用套筒定位，以便于装拆；如果要求套筒很长时，可不采用套筒而用螺母固定轴上零件，螺母也可用于轴端；轴端挡圈常用于轴端零件的固定；圆锥形轴头对中好，常用于转速较高时，也常用于轴端零件的固定。轴上零件的周向固定周向固定的方法可采用键、花键、成形、弹性环、销、过盈等联接，通称轴毂联接。3.3 轴的强度计算轴的强度计算主要有三种方法：许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。许用切应力计算只需知道转矩的大小，方法简便，但计算精度较低。它主要用于下列情况：传递以转矩为主的传动轴；初步估算轴径以便进行结构设计；不重要的轴。弯矩等的影响，可在计算中适当降低许用切应力。许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数。为此，常先按转矩估算轴径并进行轴的结构设计后，即可画出轴的弯扭合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的、弯扭复合的轴，计算精度中等。安全系数校核计算也要在结构后进行，不仅要定出轴的各段直径，而且要定出过渡圆角、轴毂配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要的轴，计算精度较高，但计算较复杂，且常需有足够的资料才能进行。安全系数校核计算能判断各危险截面的安全程度，从而改善各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。3.3.1 按许用切应力计算受转矩t(nmm)的实心圆轴，其切应力 mpa (3-1)写成设计公式，轴的最小直径 mm (3-2)其中 wt轴的抗扭截面系数，mm3 p轴传递的功率，kw n轴的转速，r/min t 许用切应力，mpa c与轴材料有关的系数3.3.2 按许用弯曲应力计算由弯矩所产生的弯曲应力b应不超过许用弯曲应力b。计算应满足下列条件：实心轴 (3-3) 其中 w轴的抗弯截面系数3.3.3 安全系数校核计算疲劳强度校核疲劳强度的校核即计入应力集中、表面状态和尺寸影响以后的精确校核。计算应满足下列条件： (3-4)其中 弯矩作用下的安全系数 转矩作用下的安全系数 s复合安全系数静强度校核静强度校核的目的在于校核轴对塑性变形的抵抗能力。轴上的尖峰载荷即使作用时间很短和出现次数很少，不足以引起疲劳破坏，但却能使轴产生塑性变形。所以设计时应当按尖峰载荷进行静强度校核。在校核时取 (3-6)其中 和由于尖峰载荷所产生的弯曲应力和切应力 和材料的弯曲和剪切屈服极限3.4 具体计算过程现在进行主轴的计算。轴结构图见附图2以下是尺寸简图：图3-1 主轴简图3.4.1 计算主轴受力转矩 t1=95500nmm圆周力 ft=3183.3n 图3-2 主轴受力图3.4.2 计算支承反力水平面反力 垂直面反力 水平面(xy)受力图： 图3-3 水平面受力图垂直面(xz)受力图： 图3-4 垂直面受力图3.4.3 画轴弯矩图水平面弯矩图： 图3-5 水平面弯矩图垂直面弯矩图： 图3-6 垂直面弯矩图合成弯矩图： 图3-7 合成弯矩图3.4.4 画轴转矩图轴受转矩 t=t1 t=196306nmm转矩图： 图3-8 轴转矩图3.4.5 许用应力许用应力值 用插入法由机械设计表16.3查得：0b=102.5mpa，-1b=60mpa应力校正系数 =0.593.4.6 画当量弯矩图当量转矩 t=56345nmm当量弯矩 在左轴承中间截面处 在右轴承中间截面处 当量弯矩图：图3-9 当量弯矩图3.4.7 校核轴径 =19.68 =54.9 即所设计轴合适。第4章 临界转速计算4.1 概述离心式压缩机、轴流式压缩机、离心机、汽轮机、燃气轮机和高速离心泵等高速回转机械的振动问题，主要是转子的振动问题，特别是由于离心式压缩机的转速不断地提高，机组越来越大转子的振动问题更显得突出。在一般情况下，振动是有害的，它会加速机器零部件的磨损，缩短机器的寿命，恶化操作条件，甚至使机器遭致破坏。4.2 转子的振动和临界转速高速回转机械的振动，从振动位移的特征来看，主要是转轴的弯曲振动和扭转振动；从振动频率来看，可以同时包含着从低频到高频相当多的频率成分。机器在运转中，由于作用在转子上的激励因素大多数是横向干扰力，并且在通常情况下转子的弯曲刚度低于扭转刚度，因而弯曲振动固有频率是低于扭转振动的固有频率的。所以，对于一般转速不是太高的转子，发生最多的、危害最大的是弯曲振动；但对于细长且具有多支承的转子，由于转袖的弯曲刚度较大，而扭转刚度较小，转子的扭转振动固有频率较低，提高机器转速，首先遇到的将是扭转振动的固有频率，这时转子必须考虑扭转振动问题。由于受材质、制造和装配等方面的影响，转子上的质量分布相对于旋转中心线(轴线)是不可能做到绝对地轴对称，在转子的质心与旋转中心之间总会存在一个偏心距e，运转时转子中的不平衡质量就会产生与转速相同频率的周期性变化的离心力(即干扰力)，而转子又具有一定的弹性，这就使转子发生周期性的振动。当作用在转子上的不平衡离心力的频率等于转子横向弯曲振动的固有频率时，由子能量的不断积累，转子便产生强烈的弯曲振动，此振动称为共振。由于不平衡离心力的频率即为转子的转速频率，故转子发生共振时的转速称为转子的临界转速。为避免机器发生过大的振动，除转子要符合动平衡要求外，还必须计算转子的临界转速，使机器的工作转速远离临界转速。根据轴的工作转速n小于还是大于该轴的一阶临界转速nc1，人们把轴分成刚性轴和挠性轴两种类别。说“刚性轴”是指轴处在转速低于一阶临界转速的状态，而所谓“挠性轴”是指轴处在转速高于一阶临界转速的状态。转速变化“刚性轴”和“挠性轴”也将互相转化。至于在工作转速下到底采用刚性轴还是挠性轴，需要根据生产要求、安全、经济、强度、物料性质等各方面因素综合考虑来决定。以离心机的转轴而言，有些做成刚性轴，如刮刀卸料离心机、活塞推料离心机等。也有不少做成挠性轴，如上悬式离心机、高速分离机等。离心式压缩机多数采用挠性轴，而透平膨胀机则往往是刚性轴。 为了保证机械能够安全和平稳地运转，轴的工作转速必须处于该轴各阶临界转速的一定范围之外。一般的要求是： 对刚性轴 对挠性轴 式中 nc1、nc2分别为轴系的一阶和二阶临界转速。通常，机械的工作转速往往都是给定了的。因此，在设计时，需要准确计算出轴系的临界转速值，尤其是它的一、二阶临界转速值。这样才能根据上两式进行判断，看其工作转速是否处于安全工作的范围之内，如有不符，就得重新修改设计，以改变轴系的临界转速。临界转速数值的大小与转子的质量及其在轴上的位置、转子的几何形状、轴的直径和长度、轴的材质、支承形式等等多种因素有关。要想同时考虑全部影响因素，十分精确地计算出临界转速值是相当困难的。二程上常是根据不同的设计要求，抓住主要影响因素，建立相应的简化计算模型，求得临界转速不同程度的近似值。4.3 计算临界转速的解析法4.3.1 特征值法如果不考虑回转效应等影响，轴的临界转速在数值上就等于它的横向振动固有频率。因此，计算临界转速就可以化为求解轴系的固有频率问题，这样我们就可以沿用机械振动分析中最广为采用的线性系统的弹性振动解析法来求解轴系的固有频率。如果只需求其固有频率，而不用定量求出阻尼影响和系统对于扰力的响应，则只需建立和求解系统横向自由振动的运动微分方程即可办到。自由振动运动方程的形式和求解步骤都相对简单。运动力程可以是作用力方程或是位移方程，前者的概念更清晰些，而对于多自由度系统，建立后者却比较容易。因此各有所长，本次设计只对单自由度系统作一定分析。图4-1所示为轴上装有一个圆盘的双简支转子轴系统，轴的质量比圆盘小得多，在计算时可以忽略。这样该轴系就可以简化成只有一个集中载荷的单自由度系统，对应有一个固有频率。图4-1 双简支转子图 4-1设圆盘质量为m，轴的刚度系数为k，则根据牛顿第二定律可列出转子在只受轴的弹性恢复力而做自由振动时的运动微分方程(作用力方程)为： (4-1)微分方程式(4-1)的通解为： (4-2)式中 a振幅 初相角 a、均是由初始条件所决定。根据式(5-2)可得系统的固有频率为： 1/s (4-3)由式(4-3)可知，固有频率与轴的刚度和转子的质量有关，改变这两者均可以改变其固有频率即轴的临界转速，使之远离轴的工作转速。如果转子的质量不宜改变，则可改变轴的刚度系数k，后者与轴的截面惯性矩、长度、支承形式以及材料有关。例如改变轴径d，因截面惯性矩j与d4成正比，故n几乎与d2成正比地变化，因此可以大幅度地调整固有频率n之值，即轴的临界转速之值。刚度系数k取值为： (4-4)其中 e材料的弹性模量 j截面惯性矩 l两支点间距离 a离转鼓近点支点与转鼓距离4.3.2 影响系数法离心惯性干扰力频率等于轴的转速频率。当转速等于轴的临界转速时，由于干扰力频率与轴系的固有频率相等，轴系统便会产生共振。因此，根据强迫振动在共振时振幅将无限增大这一概念，我们也可以求解出对应的共振转速即轴系的临界转速。以一个等直径轴中间装有一个圆盘的单自由度转子轴系统为例，如图4-2所示：图4-2 单自由度转子轴系统设圆盘的质量为m，质心为g点，转轴通过圆盘的几何中心a点，偏心距ag=e。当转轴连同圆盘以角速度回转时，由于质量偏心而引起的不平衡旋转惯性力将使转轴产生弯曲变形。设转轴中点a处的弯曲挠度为y，则y可以根据惯性力和轴的弹性恢复力相平衡的条件求出。实践证明，当，即在所谓“刚性轴”状态下运转时，于是力的平衡方程为： (4-5)由此可解出挠度为： (4-6)从式(4-6)可看出，当时，挠度y趋子无穷大，即出现共振现象，轴系的固有频率即为此时的转速频率：可见，其结果与用特征值法求解所得到的结果是完全一致的。当e0时，式(4-5)变成： (4-7)共振时，所以有： (4-8)固有频率也为： 可见，固有频率与偏心距大小