化工设备设计基础11轴和联轴器.ppt

1、化工设备设计基础,主讲教师：刘剑,第十一章 轴和联轴器,前面讲了传递动力的两种方式：带传动和齿轮传动，下面介绍第三种动力的传递方式：轴传递。 11.1概述 轴在机器设备中是用来支持旋转的零件，如带轮、齿轮、搅拌器等，并传递动力。,心轴只承受弯矩-火车车辆轴,转轴可同时承受弯矩和扭矩-减速机中的轴,传动轴主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯矩-汽车的传动轴和搅拌轴,11.1 概述,根据所受载荷不同，轴可分为：心轴、转轴、传动轴。心轴只承受弯矩，如火车车辆轴；转轴可同时承受弯矩和扭矩，如减速机中的轴；传动轴主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯矩，如汽车的传动轴和搅拌轴。 根据结构形状，轴又分为：光

2、轴和阶梯轴；实心轴和空心轴；直轴和曲轴；圆形截面轴和非圆截面轴等。,11.1 概述,轴和轴之间常用联轴器进行连接，使之一起回转并传递扭矩。如电机轴与带轮轴、减速机轴与搅拌轴之间都采用了联轴器。 联轴器可分为固定式和可移动式两种。前者两轴之间工作时不发生相对移动，后者允许两轴之间有一定的安装误差，有少量的相对位移。,11.2 轴径的计算,轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。对于只传递扭矩的圆截面轴其强度条件为： 式中：轴的扭剪应力，Mpa； T扭矩，Nmm； W抗扭截面模量，mm3， 对圆截面轴：W= d3/16=0.2 d3； 对于空心圆截面：W=0.2 D31（d/D）4 P

3、轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min； D轴的直径；mm； 轴的材料的许用剪应力，Mpa。,(1) 传动轴外力矩的计算,P=Fv 若轴的转速是n r/min，则轴的角速度： 线速度等于角速度乘以圆轴半径R，即v=R，代入上式得 P=Fv=FR 式中FR是F对于圆心点的力矩T,(1) 传动轴外力矩的计算,T作用在圆轴上的外力矩，kNm； P轴所传递的功率，KW; n轴每分钟的转速，r/min。,（2）抗扭截面模量的计算,对于直径为D的圆截面： 对于外径为D，内径为d的空心圆截面： 式中，a=d/D。,（3）圆轴扭转时的强度条件,进行圆轴扭转时的强度计算，要先找出圆轴上扭矩最大的截面，这

4、一截面就是危险截面。所以，为了保证圆轴扭转时安全可靠，其强度条件是危险截面上的最大剪应力max不超过材料的许用剪应力。设圆轴上最大扭矩为Tmax，抗扭截面模量为Wp，则强度条件为：,（3）圆轴扭转时的强度条件,上式可直接用于校核轴的强度或计算轴的承载能力，如把 代入上式，就得出圆轴直径的设计公式：,例：图中有一桨式搅拌器，搅拌轴上共有上下两层桨叶。已知电动机功率Pk=17KW，搅拌轴转速n=60r/min，机械效率是90%，上下两层搅拌叶因所受的阻力不同，故所消耗的功率各占总功率Pk的35%和65%。此轴采用117mm 6 mm不锈钢管制成，其许用剪应力=30MPa。试校核此轴的强度。如将此轴

5、改为实心轴，并比较这两种圆轴的用钢量。,解：（1）校核空心轴的强度 作用在轴上的实际功率： P=Pk 90%=15.3KW 故电动机给予轴的主动力矩： TA=9.55 P/n= 9.55 15.3/60=2.43kNm 上下层桨叶形成的反力偶矩 TB= 9.55 0.35 15.3/60=0.85kNm TC= 9.55 0.65 15.3/60=1.58kNm,在圆轴上作等速转动时，主动力矩TA和阻力矩TB，TC相平衡，轴受扭转，由截面法，可求得1-1,2-2截面上的扭矩分别为： T1=TC=1.58kNm T2= TB +TC=2.43kNm 作扭矩图，最大扭矩在AB段，其数值为 Tmax

6、= T2=2.43kNm 因为轴在腐蚀介质中工作，在校核轴的强度时，应该将轴的尺寸减去腐蚀裕度1mm，所以轴的外径是,D=117-12=115mm 而轴的内径是 d=117-26=105mm 抗扭截面模量是 Wp=0.2D3（1-a4）=92.8 10-6 m3 轴内的最大剪应力是 max=Tmax/Wp=26.2 103kN/m2=26.2MPa 这说明轴是安全的。,（2）如将此轴改为实心，计算所需直径D 考虑腐蚀裕量1mm，则搅拌轴的是 D0=D+21=76mm,（3）实心轴和空心轴用钢量的分析 实心圆轴横截面积: A1=D02/4=4536mm2 空心圆轴的横截面积: A2=（D2-d2

7、）/4=2092mm2 采用空心圆轴可节省钢材百分数 （A1-A2）/A1100%=53.9%,11.2 轴径的计算,对于即传递扭矩又承受弯曲的轴，也可采用上式初步估算轴的直径；应将轴的许用剪应力适当降低（见表11-1），以弥补弯矩对轴的影响。将降低后的许用应力代入上式可得下式：,表11-1几种常用轴材料的及A值,在下列情况下，取较大值，A取较小值：弯矩较小或只承受扭矩作用，载荷较平稳，无轴向载荷或只有较小的轴向载荷，减速机的低速轴，轴单向旋转。反之，取较小值，A取较大值。,11.2 轴径的计算,一般化工设备中不是很重要的轴，按上式确定轴径就行。这里指的轴径是轴最细处的直径。如果计算截面上开有

8、一个键槽或浅孔，应将计算出的轴径增大3%7%；开有两个键槽或浅孔则增加7%15%；若轴上沿径向开有对穿销孔，孔径/轴径为0.050.25时，轴径至少应增加15%。 此外，也可以采用经验公式来估算轴的直径。,11.2 轴径的计算,实例： 已知：搅拌轴的电机功率1.6 kW，电机的转速为1450转/分，减速机的速比为32，试设计搅拌轴的直径。,11.2 轴径的计算,解：搅拌轴的转速n=1450/32=45转/分 轴的材料一般选用45号钢，因搅拌轴主要承受扭矩，有P235表11-1查的A=110， =36.2（） 考虑搅拌时介质的腐蚀，取搅拌轴的最小直径40mm。,甲酸蒸发器的主轴 的校核,实例：甲

9、酸蒸发器的主轴如图，转速为10转/分，电机功率为18.5千瓦，机械效率为80%，选用15620的45号钢管，腐蚀裕度3mm，（轴头没有腐蚀）对照图纸校核轴径和轴头的大小。,甲酸蒸发器的主轴 的校核,甲酸蒸发器的主轴 的校核,解：从图已知主轴的外径为156mm，考虑腐蚀裕度3mm，轴的计算外径为D=15623=150mm，内部不要考虑腐蚀，轴的内径为d=156220=116mm,甲酸蒸发器的主轴 的校核,对于空心圆截面的抗扭截面模量是： W=0.2 D 31（d/D）4 =0.20.150 3 1（0.116/0.150） 4 =0.00048862m 3 =488.610-6 m 3 机械效率

10、为80%，实际功率为： P=Pk=18.580%=14.8KW 轴的最大扭矩为： Tmax=9.55（P/n）=9.55（14.8/10）=14.134kNm 空心轴的最大剪应力为： max= TmaxW=14.134kNm(488.610-6)m 3 =28.927103 kN/m2=28.927Mpa（见235表11-1）。,甲酸蒸发器的主轴 的校核,从图中可以看出最小直径是95。 对圆截面轴的抗扭截面模量是： W= d3/16=0.2 d3=0.20.0953 =0.000171475 m3=171.47510-6 m3 轴的最大扭矩为： Tmax=9.55（P/n）=9.55（14.8

11、/10）=14.134kNm 轴的最大剪应力为： max= TmaxW=14.134kNm(171.47510-6) m3 =82.426103 kN/m2=82.426 Mpa（不能用）,1.3 轴的材料与结构,11.3.1轴的材料 轴的常用材料是优质中碳钢，如具有较高综合机械性能的35、45、50号钢等，尤其以45号钢为主。为了进一步改善其机械性能，还应进行正火或调质处理。对于受载较小或不甚重要的轴可用Q235-A、Q255-A等普通碳素钢。,对于某些具有特殊要求的轴，如齿轮轴、装有润滑轴承的高速轴及其他重要的轴的重载轴等，需要采用机械性能较高的合金钢，如20Cr、40Cr、2Cr13、3

12、5SiMn、42SiMn、1Cr8Ni9Ti（教科书有错）等，使用合金钢时，一般须进行热处理及化学处理，以发挥合金钢的优点。但须注意的是：钢材的种类和热处理对其弹性模量的影响极小，因此如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度，并无实效，此外，合金钢对应力集中的敏感性较高，因此设计合金钢轴时，更应从结构上避免或减小应力集中，并降低其表面粗糙度。,11.3.1 轴的材料,在化工厂中，有时对某些轴要有耐腐蚀的性能，因此应根据腐蚀介质的性质及温度来选择合适的材料，如不锈钢、耐酸钢等。也可以用碳素钢而采用各种腐蚀措施。某些反应器中的轴还要考虑其铁离子污染产品。,11.3.2 轴的结构设计,轴的结构设计就

13、是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。轴的结构设计主要要求： 便于加工；轴上零件易装折；轴上零件在轴上可以得到准确的位置和可靠的固定；尽量减少应力集中等。 A 制造安装上的考虑 为了轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯状，即其直径从轴端逐渐向中心增大。为了轴上零件易于安装，各轴段的端部都应有倒角。,A 制造安装上的考虑,轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。,B 轴上零件的固定方法,零件在轴上的轴向固定，可以通过轴肩以及附加套筒、轴端挡圈、螺母等结构来实现。 轴和轴上的零件的周向固定，可采用键或销、紧定螺钉、过盈配合等方法。,轴端挡圈,螺母固定轴承,减少应力,弹簧卡环,固定螺钉,

14、C 减少应力集中的措施,零件截面发生突然变化的地方，受载后都会造成应力集中现象。因此阶梯轴的截面尺寸变化处应采用适当的圆弧过渡，并尽量避免在轴上，特别是应力大的部位开横孔、切口或凹槽。必须开横孔时，孔边要倒圆。,11.4联轴器的类型与性能,联轴器可分为固定式和可移动式联轴器两种。 11.4.1固定式联轴器 A、凸缘联轴器 B、夹壳联轴器 C、三分式联轴器 D、带短节联轴器 11.4.2可移动式联轴器 A、弹性块式联轴器 B、弹性套柱销联轴器 C、弹性柱销齿式联轴器,A、凸缘联轴器,A、凸缘联轴器,B、夹壳联轴器,C、三分式联轴器（图11-12a）,D、带短节联轴器（图11-12b）,11.4.

15、2可移动式联轴器,A、弹性块式联轴器 B、弹性套柱销联轴器 C、弹性柱销齿式联轴器,A、弹性块式联轴器,B、弹性套柱销联轴器,C、弹性柱销齿式联轴器,11.5 联轴器的选择,化工设备上常用的几种联轴器，都已有标准系列规格，如无特殊需要，不必专门设计，可选用标准件。 A 联轴器类型的选择 化工设备上常用联轴器见P243表11-3。 其基本原则是：电机轴与减速机以选择弹性套柱销联轴器；立式蜗轮减速机输出轴与搅拌轴的联接，选用凸缘联轴器等。,B 联轴器型号及尺寸的确定 联轴器的类型选定后，可根据轴的直径、转速及计算扭矩，从P243表11-3查得。 联轴器的扭矩计算： Tc=kT 式中：T名义扭矩； k载荷系数，根据载荷情况从表11-4查得。 对于固定式联轴器取表中较大者，对于移动式联轴器则取较小者。,扭转是杆件变形的基本形式之一。如搅拌器的轴、传动轴和电机轴都是扭转的杆件。 T=9.55（P/n）（k Nm） 式中：T作用在圆轴上的外力矩，k Nm； P轴所传递的功率，kW； n轴每分钟的转速，r/min。,C 零件强度的计算 例：试选择一个化工设备上搅拌轴与减速机轴之间的联轴器，电动机容量为4.0 kW，搅拌轴直径为55，搅拌转速为85r/min，工作时扭矩有变化。 解：(1) 搅拌轴的扭矩有变化，可以选择弹性块式联