糧食加工機(jī)械軸類零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吳 夢，劉素山

（河北蘋樂面粉機(jī)械集團(tuán)有限公司，河北 正定 050800）

糧食加工機(jī)械主要指應(yīng)用于糧食清理、粉碎、輸送、碾磨等工序的機(jī)械設(shè)備。這些設(shè)備主要工作部件都離不開軸類零件，所有這些設(shè)備只要軸類零件出現(xiàn)破損、斷裂，就會(huì)造成停工停產(chǎn)狀況，甚至導(dǎo)致安全事故發(fā)生，因此軸類零件的設(shè)計(jì)非常重要。這里結(jié)合軸類零件設(shè)計(jì)方法和步驟以及注意事項(xiàng)，有針對性地做一詳細(xì)介紹。

1 軸類零件的設(shè)計(jì)要求

軸類零件設(shè)計(jì)一般要滿足強(qiáng)度、剛度以及使用壽命等要求，不能在設(shè)備生命周期內(nèi)出現(xiàn)疲勞破壞、彎曲報(bào)廢等。一般軸類零件設(shè)計(jì)要可靠，杜絕磨損、疲勞、斷裂。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工況環(huán)境、合理選擇材質(zhì)、正確設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)余量。在滿足使用功能前提下，軸類零件的設(shè)計(jì)還要同時(shí)考慮設(shè)計(jì)成本、加工成本、維護(hù)成本和安裝方便等因素。

2 軸類零件材質(zhì)的確定

軸類零件材料，主要是普通碳鋼Q235、45#鋼和合金鋼如20Cr,40Cr,35SiMn,42SiMn等。根據(jù)軸類零件的重要程度確定具體材質(zhì)的選用。不重要軸類零件或強(qiáng)度要求不高的軸類零件選用Q235。對于強(qiáng)度和剛度，以及耐磨性能等有要求的軸類零件宜選用優(yōu)質(zhì)碳鋼30#、40#、45#鋼，其中最常用的是45#鋼。為保證良好的機(jī)械性能，應(yīng)對其進(jìn)行熱處理，如調(diào)質(zhì)、淬火、回火及正火等。通過熱處理，45#鋼抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到600～650 MPa。

盡量少用合金鋼材料，糧食加工機(jī)械對材料要求并不苛刻，合金類材料價(jià)格昂貴，并且合金類材料易應(yīng)力集中，對設(shè)計(jì)和機(jī)加工精度要求都高，控制不好會(huì)得不償失，設(shè)計(jì)上杜絕采用合金材料來替代普通碳鋼熱處理設(shè)計(jì)。

3 軸徑的確定方法

軸類機(jī)械零件設(shè)計(jì)直徑的確定，是機(jī)械設(shè)計(jì)入門者糾結(jié)的一個(gè)問題。直徑小了強(qiáng)度不夠，直徑大了浪費(fèi)材料。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備使用壽命、工況環(huán)境條件、重要程度及加工成本等諸多因素。如何確定，通常有三個(gè)方法。

3.1 類比法

這個(gè)方法最直觀簡便，就是類比應(yīng)用成熟的同類產(chǎn)品，別人用多大直徑，就用多大直徑。測繪設(shè)計(jì)就是如此，直接參照前人經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)不同功率，從動(dòng)力方面入手考慮。就是以電動(dòng)機(jī)軸頭直徑來做參考確定。這里確定的直徑是軸類零件最細(xì)處的直徑。一般取d≈（0.8～1.2）D,D為電機(jī)軸頭直徑，d為設(shè)計(jì)軸最細(xì)處直徑。

3.3 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算確定

軸類零件一般承受彎矩和扭矩，彎矩與軸類零件支撐點(diǎn)距離及軸類零件受到的徑向力有關(guān)，這里不再贅述。只考慮扭矩，由力學(xué)知識可知，軸類零件承受扭矩作用時(shí)，其強(qiáng)度條件為：

由（1）推導(dǎo)出

式中：d為軸的直徑，mm;

τ為軸剖面中最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa;

P為軸傳遞的功率，kW;

n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min;

「τ」為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa,見表 1;

C為由許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力確定的系數(shù)，見表1;

表1 軸的常用材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力「τ」和C值

Wr為抗扭剖面模量。

計(jì)算得出軸最小直徑d后，如果該最小軸處的剖面有鍵槽時(shí)要做相應(yīng)地直徑補(bǔ)償，當(dāng)有一個(gè)鍵槽時(shí)，直徑增大5%，當(dāng)有兩個(gè)鍵槽時(shí)，直徑增大10%。

4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械本身結(jié)構(gòu)和使用功能密切相關(guān)。沒有固定形式，但設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

4.1 制造容易、安裝方便

在滿足使用功能條件下，結(jié)構(gòu)盡可能簡單，保證容易制造和方便安裝。

4.2 軸上零部件的固定方法

軸上零部件的固定方法主要有利用軸肩固定法，利用頂絲固定法，利用套筒及圓螺母固定法，利用軸端擋圈固定法，以及定位要求不高時(shí)利用彈性擋圈固定法等。

利用軸肩固定法，設(shè)計(jì)時(shí)軸肩根部合理設(shè)計(jì)成圓弧角，該圓弧角半徑要小于安裝零件的接觸軸肩根部部位圓角半徑。對于要求精度高或特別重要的軸類零件設(shè)計(jì)，需要考慮過度肩環(huán)、凹切圓角、增加卸載槽、退刀槽等具體設(shè)計(jì)方案。對于糧食機(jī)械來說一般不建議采用，這里不詳細(xì)敘述。

4.3 提高軸的強(qiáng)度措施

合理布置軸上傳動(dòng)零部件位置，降低最大轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計(jì)軸上零件結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中，合理設(shè)計(jì)倒角、退刀槽等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。對軸類材料采用45#鋼以及合金類材料時(shí)，應(yīng)進(jìn)行表面熱處理如正火、回火、調(diào)質(zhì)、淬火及滲碳等增強(qiáng)軸耐磨性地處理，提高軸類零件抗疲勞破壞的強(qiáng)度。

5 總結(jié)

實(shí)際設(shè)計(jì)完成后，往往需要對軸的強(qiáng)度和剛度以及安全性系數(shù)進(jìn)行校核驗(yàn)算，確保所設(shè)計(jì)的軸類零件安全可靠。限于篇幅所限，這里只針對糧食加工機(jī)械設(shè)計(jì)中通常遇到的問題闡述一些觀點(diǎn)，一切以實(shí)用為主，免去冗余理論推導(dǎo)。其它相關(guān)數(shù)據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊均可參閱采納，這里不再贅述。