豆粕加工設(shè)備DTDC主軸設(shè)計(jì)優(yōu)化

摘要：DTDC是豆粕加工的核心設(shè)備，而軸是其核心部件。為滿足日益增加的豆粕飼料需求，DTDC設(shè)備越來越大型化，需對其主軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選材。現(xiàn)選用更為優(yōu)質(zhì)的合金鋼40Cr作為主軸材料，與傳統(tǒng)45優(yōu)質(zhì)碳素鋼作比較，通過材料性能、強(qiáng)度、剛度等多方面對比計(jì)算與分析研究，得出以下結(jié)論：對于大型設(shè)備DTDC的軸系來說，采用合金鋼40Cr作為主軸，其優(yōu)點(diǎn)是尺寸更小，成本更低，質(zhì)量更輕，而主軸質(zhì)量的降低，也更有利于DTDC設(shè)備整體質(zhì)量的控制，從而對整個項(xiàng)目的綜合成本控制更為有利。

關(guān)鍵詞：DTDC;軸;40Cr;45鋼;強(qiáng)度;剛度

0? ? 引言

在大豆油脂浸出加工工藝中，由浸出器出來的濕粕含溶量為25%～35%。蒸脫機(jī)DTDC的作用就是脫除濕粕中的溶劑，調(diào)節(jié)豆粕中的水分，同時破壞豆粕中的有毒物質(zhì)（如尿素酶和胰蛋白酶抑制素），從而提高大豆的實(shí)用價值。豆粕作為重要的飼料來源，近些年需求量越來越大。而且，隨著設(shè)備加工制造能力的提升以及工藝的改進(jìn)，大豆生產(chǎn)線也在不斷擴(kuò)大，產(chǎn)能的提升使得核心設(shè)備DTDC越來越大型化，這對其主軸也提出了更高的要求。

軸是機(jī)械的重要組成零件，是攪拌設(shè)備最為核心的部件之一，其性能的好壞決定著整個攪拌設(shè)備的質(zhì)量。同時，軸作為一個重要的連接件，既通過軸承與機(jī)架相連，又與聯(lián)軸器、槳葉等組成軸系并圍繞軸心作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。所以軸的設(shè)計(jì)不能只考慮軸本身，需考慮多方面的因素和要求。本文從材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度等方面對軸進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為保證軸的性能可靠性提供理論分析依據(jù)。

1? ? DTDC主軸設(shè)計(jì)要求

對5000TPD大豆生產(chǎn)線的DTDC設(shè)備主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該設(shè)備的直徑達(dá)到了7 m/6 m，軸長為17.9 m，共有10層槳葉，簡圖如圖1所示。該設(shè)備電機(jī)功率為400 kW，攪拌軸轉(zhuǎn)速為10 r/min。根據(jù)以上設(shè)備參數(shù)進(jìn)行攪拌軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化，要求在保證強(qiáng)度、剛度等性能要求的同時，最大化降低綜合成本。

為方便進(jìn)行工程理論計(jì)算，對主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，按照最小直徑光軸考慮，以下所有分析計(jì)算以此簡化架構(gòu)為基礎(chǔ)。

2? ? DTDC主軸設(shè)計(jì)分析

2.1? ? 材料的分析

DTDC主軸常規(guī)采用的是韌性較好的45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，這也是軸最為常用的材料。但隨著設(shè)備的大型化，45鋼軸徑會更粗更大，本身質(zhì)量較大，導(dǎo)致整個設(shè)備質(zhì)量也隨之增加，隨之而來的材料、運(yùn)輸、地基、吊裝等成本也會增加。本文中的DTDC尺寸較大，受載也較大，要求軸的尺寸和質(zhì)量盡量小。因此，采用可以承受更大載荷的合金鋼40Cr軸與45鋼軸進(jìn)行對比分析，從理論上對主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。二者材料均可通過調(diào)質(zhì)熱處理，得到良好的綜合機(jī)械性能。

二者的主要力學(xué)性能如表1所示。

從表1可以看出，直徑相同的情況下，40Cr材料的主要力學(xué)性能優(yōu)于45鋼，可以獲得更好的性能保障。反之，在相同工況、相近力學(xué)性能的前提下，使用40Cr材料的主軸，直徑會更小，質(zhì)量也更輕。

2.2? ? 軸的強(qiáng)度計(jì)算分析

DTDC設(shè)備采用豎直懸掛式吊軸結(jié)構(gòu)，上部為承重軸承和滑動軸承，下部為滑動軸承，主軸受力點(diǎn)作用在頂端。所以，主軸只承受扭矩，彎矩可以忽略不計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]查得[τ]和A值，根據(jù)式（1）（2）計(jì)算并取大值，兩種材料的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，就強(qiáng)度計(jì)算而言，使用40Cr材料作為DTDC主軸，其軸徑要小于45鋼軸，對于本案例的長軸來說，大大節(jié)約了成本。

2.3? ? 軸的剛度計(jì)算分析

根據(jù)上面分析，DTDC攪拌軸主要承受扭矩。此外，由于DTDC的工況為負(fù)壓，內(nèi)部有易燃易爆介質(zhì)，若發(fā)生泄漏，不僅會影響到產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)，而且會威脅到人身安全，嚴(yán)重時可能會發(fā)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)。另外，如果DTDC主軸剛度不足，在轉(zhuǎn)動時會形成一定范圍內(nèi)的擺動，從而加速軸與軸瓦內(nèi)孔的磨損，進(jìn)而進(jìn)一步加大擺動，造成槳葉在鍋底對物料翻動時的不水平，使得部分物料翻動不及時，從而影響粕的質(zhì)量。因此，為避免DTDC主軸產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)保證其剛度。

對于45鋼和40Cr來說，切變模量G值相差很小，工程計(jì)算可忽略這種細(xì)微差別，統(tǒng)一采用G=8.1×108 MPa。出于安全考慮，[?]選擇較小值15（′）/m。根據(jù)公式（4）計(jì)算得到滿足剛度要求的軸徑d，d≥57.64 mm。

考慮軸長17.9 m，軸徑取表2中的較大值365.93 mm。再根據(jù)公式（5）計(jì)算得到?值，?=0.000 275（°）/m，計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于扭轉(zhuǎn)角限定值[?]。

由此可見，由于DTDC的轉(zhuǎn)速很低，剛度起著次要作用，安全余量足夠，以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主。

2.4? ? 軸的臨界轉(zhuǎn)速分析

發(fā)生共振時軸的轉(zhuǎn)速稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速，如果軸的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速，外部周期性干擾力的頻率就會與軸的彎曲自振頻率相接近，從而產(chǎn)生彎曲共振現(xiàn)象，使得軸的變形迅速增大，以致達(dá)到使軸甚至整個設(shè)備損壞的程度。為了避免這類問題的發(fā)生，所設(shè)計(jì)的軸不得與任何臨界轉(zhuǎn)速相接近。

由臨界轉(zhuǎn)速引起的共振現(xiàn)象，一般發(fā)生在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸上。雖然DTDC僅為10 r/min，但本案例槳葉多，質(zhì)量大，出于安全考慮，仍需進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的分析計(jì)算。

對于本案例DTDC，可簡化為圖2所示的力學(xué)模型，在外載荷作用下（僅承受扭矩），結(jié)構(gòu)合理，并保證強(qiáng)度的條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有最小重量級尺寸。

本文DTDC槳葉參數(shù)分布如表3所示。

由于W1～W1010個盤所受的重力遠(yuǎn)大于軸上其他零件所受的重力，故其他零件都不作為盤來考慮，而只將其重力加在相應(yīng)的軸端上。40Cr和45鋼軸徑各取表2中的計(jì)算值，根據(jù)公式（6）進(jìn)行計(jì)算，一階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果如表4所示。

為避免軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，所設(shè)計(jì)的軸不得與任何臨界轉(zhuǎn)速相接近，也不能與一階臨界轉(zhuǎn)速的簡單倍數(shù)重合，而應(yīng)該在各階臨界轉(zhuǎn)速一定范圍之外。當(dāng)軸工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速時，其工作轉(zhuǎn)速應(yīng)取n<0.75ncr，工程上稱這種軸為鋼性軸。DTDC轉(zhuǎn)速僅為10 r/min，遠(yuǎn)小于0.75ncr，為鋼性軸。

由此可見，DTDC主軸遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，采用兩種材料均安全可靠。

3? ? 結(jié)論

綜上所述，45鋼和40Cr材質(zhì)都滿足DTDC主軸的要求。但相比傳統(tǒng)的45鋼軸來說，該例采用40Cr材料有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）主要力學(xué)性能優(yōu)于45鋼，材料品質(zhì)更有保障。

（2）在同等工況條件下，設(shè)計(jì)中采用的40Cr材料主軸，軸徑縮小了8.5%，質(zhì)量上減少了15%。

（3）尺寸和質(zhì)量上的縮減，首先降低了材料成本;其次降低了機(jī)加工難度，節(jié)約了加工成本;同時還降低了運(yùn)輸、吊裝、人工等成本。

（4）主軸的縮減，也減小了對DTDC設(shè)備的集中載荷，從而可以適當(dāng)減薄設(shè)備的厚度，或減少加強(qiáng)支撐等材料的使用，也進(jìn)一步節(jié)約了整體成本。

（5）DTDC質(zhì)量減小，施加在地基基礎(chǔ)上的承載力也進(jìn)一步減少，可節(jié)約地基基礎(chǔ)材料和人工成本。

（6）本次系統(tǒng)性的理論設(shè)計(jì)優(yōu)化及成果運(yùn)用，可為未來大型化的DTDC主軸選材提供實(shí)際參考。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-03-07

作者簡介：霍瑞東（1982—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)械。