CN103711060B - 螺旋轴、螺旋分料器及其摊铺机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋轴、螺旋分料器及其摊铺机。螺旋轴包括主轴和边段连接轴，主轴的一端为驱动端，另一端为末端，边段连接轴朝向主轴的一端为连接端；边段连接轴的连接端设置有轴套，轴套的一端与边段连接轴固定连接，另一端为末端；主轴的末端为圆台状并插入到轴套的内孔内且主轴的末端与轴套之间形成环形间隙，主轴的末端上套设有位于轴套的末端并与内孔的内壁相抵接配合的耐磨支撑环。本发明通过改变主轴和边段连接轴的结构以及两者之间的连接方式，以减小主轴的末端的扭曲剪切应力，从而增大主轴抵抗液压的冲击能力，降低主轴由于疲劳断裂的几率，提高螺旋轴的使用寿命，进而提高螺旋分料器及摊铺机的使用寿命。

Description

螺旋轴、螺旋分料器及其摊铺机

技术领域

本发明涉及一种螺旋轴、螺旋分料器及其摊铺机，属于筑路机械领域。

背景技术

螺旋分料器是摊铺机一个重要的组成部分，它所消耗的功率占发动机总功率的一半左右。螺旋分料器的左右两部分水平分置于摊铺机的主机后面，在摊铺机行进中将物料向两边分流输送，填塞在熨平板的前沿，供熨平板夯实熨平。螺旋分料器的工作原理是：带有螺旋叶片的螺旋轴在熨平板和挡料板围成的料槽内旋转，使进入料槽的物料由于重力、叶片摩擦力及料槽摩擦力的作用，不和螺旋轴一起旋转，而是沿料槽向输送方向运移，并不停地向螺旋分料器下面落料，同时向熨平板前沿填料，整个工作过程是在随摊铺机的行进中进行的。然而在施工过程中，螺旋叶片受到物料的阻力矩比较大，因此通过料位控制器来调整进入料槽内的物料的多少，一般很难达到一个比较理想的状态。因此，在螺旋分料器工作时螺旋轴受液压系统的冲击力很强，这也加剧了螺旋轴横截面的扭曲剪切应力。因此，增加螺旋轴的抗扭强度使其持续工作不被破坏是保证螺旋分料器可靠性的重要保障，这也是摊铺机螺旋分料器设计应考虑的主要要点之一。

由剪切胡克定律可知，（假设螺旋轴为横截面均相同的圆轴）当螺旋轴内最大切应力小于或等于剪切比例极限时，有如下关系：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ρ}}=G{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ρ}}=\mathrm{G\ρ}\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

τ_ρ：螺旋轴扭转时横截面上的切应力，G:剪切弹性模量，由螺旋轴的材料决定，为一个常数。

式（1）表明螺旋轴圆周横截面上的切应力沿半径线性分布，如图1所示。但式中尚属未知，因此不能直接利用式（1）计算螺旋轴横截面上的切应力。

螺旋轴的横截面上作用于微面积dA上的微力为τ_ρdA,该微力对螺旋轴横截面的圆心的微力矩ρτ_ρdA,横截面上全部切应力对圆心的力矩即为横截面内的扭矩M_t，即：

M_t=∫_Aρτ_ρdA(2)

将（1）带入（2）中，并注意到式（1）中的在同一个横截面内为常数，于是：

$M_t={\∫}_{A}G\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dx}}{,\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{dA}=G\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dx}}{\∫}_A{,\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{dA}={\mathrm{GI}}_P\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dx}}---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dx}}=\frac{M_t}{{\mathrm{GI}}_P}---\left(4\right)$

式中，I_P=∫_Aρ²dA是横截面对圆心的极惯矩，是螺旋轴单位长度的扭转角，记作类似于轴向拉伸（压缩）问题中的线应变ε。在式（4）中，当扭矩M_t不变时，GI_P较大者较小，反之则较大，GI_P表达了螺旋轴对弹性扭转变形的抵抗能力，称为抗扭刚度。将式（4）带入（1），有

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ρ}}=\frac{M_t}{I_P}\mathrm{\ρ}---\left(5\right)$

当ρ=R=D/2时，切应力τ_ρ达到最大值，即

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_t}{I_P}R---\left(6\right)$

注意到I_P=πD⁴/32,如令W_T=I_P/R=πD³/16,则

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_T}{W_T}---\left(7\right)$

式（7）中W_T称为螺旋轴抗扭截面模量。需要指出的是，在推导出式（5）的过程中使用了螺旋轴扭转平截面假设及剪切胡克定律，所以该式只适用于等截面螺旋轴（圆轴）受扭和最大切应力不大于比例极限的情况。对于锥度较小的变截面直圆轴的螺旋轴，在切应力不大于比例极限的条件下也可以近似使用式（5）计算切应力。对于外径为D，内径为d的圆环形截面受扭圆轴的螺旋轴，有

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_T}{W_T}=\frac{16M_T}{{\mathrm{\πD}}^3(1-a^4)}---\left(8\right)$

式中a=d/D，当螺旋轴的壁厚较薄（设壁厚为t），即tD时，有D³(1-a⁴)=（D²+d²）（D+d）(D-d)/D≈2D²·2D·2t/D≈32R³t，式（8）将蜕变为

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_T}{2\mathrm{\π}{R}^{2}t}---\left(9\right)$

式（9）中，R为螺旋轴的薄壁圆环截面的中线半径，此时可近似认为切应力沿壁厚均匀分布。由式（8）可以看出，对于实心圆轴状的螺旋轴，a近似为0，此时螺旋轴的截面受扭最大扭曲剪切应力为

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_T}{W_T}=\frac{16M_T}{\mathrm{\π}{D}^3}---\left(10\right)$

通过式（10）不难看出，实心的螺旋轴（圆轴）的截面扭曲剪切应力与直径的三次方成反比例。因此通过增加实心的螺旋轴的外径可明显降低螺旋轴的扭曲剪切应力。

如上所述，式（10）在螺旋分料器的螺旋轴上扭曲剪切应力关系主要体现在图2中。图2示出了现有螺旋分料器主轴与边段轴的连接方式，螺旋分料器的主轴101的一端为驱动端102，该驱动端102上设置有链轮104。主轴101的另一端为末端103，末端103插入边段连接轴105的轴套108内，实现主轴101与边段连接轴105之间的连接。边段连接轴105上装有螺旋叶片106（图中仅示意性的示出了一片螺旋叶片106，实际上应该有多片。而且主轴101上也有多片螺旋叶片106，但图2中并没有示出）。图2中同时示出了第一吊座107和第二吊座109，第一吊座107设置在主轴101与边段连接轴105之间，边段连接轴105穿过第二吊座109。

通过驱动端102给主轴101一个转矩Mt，主轴101传递给边段连接轴105扭矩。由式（10）可知，增大主轴101的末端103的轴径可明显降低该主轴101的横截面扭曲剪切应力。由图2的主轴101与边段连接轴105的连接方式可知，增加主轴101的末端103的轴径，边段连接轴105的轴套108的内径也相应增大，而与之连接的螺旋叶片106不变，因此边段连接轴105的外径不能变，如此便会导致边段连接轴105的轴套108的壁厚变薄，由式（9）可知，壁厚t越小，螺旋轴所受的横截面扭曲剪切应力越大。所以，按图2所述的结构，为了减小横截面的扭曲剪切应力，通过增大主轴101的末端103的轴经的方式是不可行的。

另外，如图3所示，螺旋分料器在工作时，在驱动端102会输入一个转矩Mt，并通过主轴101带动边段连接轴105转动，边段连接轴105穿过第二吊座109的下端，随着工作时间的延长，或由于加工、装配误差等不可预知的因素，都有可能导致边段连接轴105与主轴101的轴线不同轴，并出现一个摆角α，假设边段连接轴105的轴套108的末端（轴套108朝向主轴101的一端定义为末端）与边段连接轴105在第二吊座109竖直方向中心线之间的距离为L，由三角函数关系可知，此时轴套108的末端偏离水平轴线位置的高度h=L×tanα。虽然主轴101的末端103与边段连接轴105的轴套108之间为间隙配合，然而间隙很小，很难避免边段连接轴105的轴套108对主轴101的末端103的反复多次的交变应力作用，反复多次的交变应力的应变是主轴101自身塑性变形无法抵消的，最终导致主轴101的末端103断裂，从而降低螺旋分料器的使用寿命。图3阴影部分所示为该主轴101的末端103处多次承受交变应力的应变区域。

为了提高螺旋分料器的使用寿命，因此设计一种主轴和边段连接轴的新的连接方式，以减小主轴末端横截面扭曲剪切应力同时又能降低由于主轴与边段连接轴同轴度差异所受的交变扭曲应力是十分重要的。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种螺旋轴，该螺旋轴可以减小螺旋轴的主轴末端截面扭曲剪切应力以及降低主轴所受到的反复多次交变应力，从而提高螺旋轴的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：螺旋轴，其用于摊铺机的螺旋分料器上，所述螺旋轴包括主轴和边段连接轴，所述主轴的一端为驱动端，另一端为末端，所述边段连接轴朝向所述主轴的一端为连接端；

所述边段连接轴的连接端设置有轴套，所述轴套的一端与所述边段连接轴固定连接，另一端为末端；

所述主轴的末端为圆台状并插入到所述轴套的内孔内且所述主轴的末端与所述轴套之间形成环形间隙，所述主轴的末端上套设有位于所述轴套的末端并与所述内孔的内壁相抵接配合的耐磨支撑环。

作为优选，所述耐磨支撑环的外表面为圆弧面。

作为优选，所述边段连接轴的连接端的外径小于所述边段连接轴的主体的外径，所述轴套的一端套设在所述连接端外，且所述轴套的外径大于所述边段连接轴的主体的外径。

作为优选，所述轴套的内孔为包括第一孔段和第二孔段的二级台阶孔，用于与所述耐磨支撑环配合处的部分为所述第一孔段，其余部分为所述第二孔段，所述第一孔段的孔径大于所述第二孔段的孔径。

作为优选，所述轴套的外壁上开设有至少一对关于所述轴套的轴线对称的第一连接孔，所述主轴的末端上开设与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述第一连接孔及与其对应的第二连接孔内穿设有用于将所述轴套和所述主轴的末端固定连接在一起的连接螺栓。

作为优选，所述第一连接孔为腰型孔，腰型孔的长度方向平行于所述轴套的轴向方向。

本发明同时公开了一种螺旋分料器，包括螺旋机箱、螺旋轴、螺旋叶片及挡料板，其特征在于，所述螺旋轴为上述的螺旋轴，所述螺旋叶片通过连接螺栓装于所述螺旋轴上。

本发明还公开了一种摊铺机，其包括上述的螺旋分料器。

与现有技术相比，本发明的螺旋轴、螺旋分料器及其摊铺机有益效果在于：

1、本发明通过改变主轴和边段连接轴的结构以及两者之间的连接方式，以减小主轴的末端的扭曲剪切应力，从而增大主轴抵抗液压的冲击能力，降低主轴由于疲劳断裂的几率，提高螺旋轴的使用寿命，进而提高螺旋分料器及摊铺机的使用寿命。

2、本发明同时可降低由于制造、装配和其它原因造成的由于边段连接轴和主轴同轴度不好而引起的主轴的末端所受的反复多次交变应力作用，从而提高主轴的使用寿命，进而提高螺旋轴、螺旋分料器及摊铺机的使用寿命。

附图说明

图1为螺旋轴圆周横截面上的切应力沿半径线性分布的示意图。

图2为现有技术中螺旋轴的结构示意图（其中，同时示出了吊座和螺旋叶片）。

图3为现有技术中螺旋轴的结构示意图（其中，同时示出了吊座，并且构成螺旋轴的边段连接轴与主轴不同轴）。

图4为本发明的螺旋轴的结构示意图（其中，同时示出了吊座和螺旋叶片）。

图5为图4中A部分的放大图。

图6为本发明的螺旋轴的结构示意图（其中，同时示出了吊座，并且构成螺旋轴的边段连接轴与主轴不同轴）。

图7为图6中B部分的放大图。

图8为本发明的螺旋轴的轴套及边段连接轴的结构示意图。

附图标记说明

1-主轴2-边段连接轴

3-末端4-驱动链轮

5-连接端6-轴套

7-环形间隙8-耐磨支撑环

9-第一孔段10-第二孔段

11-连接螺栓12-第一连接孔

13-第一种螺旋叶片14-第二种螺旋叶片

15-吊座

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图4和图5所示，本发明的螺旋轴，其用于摊铺机的螺旋分料器上，所述螺旋轴包括主轴1和边段连接轴2，主轴1的一端为驱动端，另一端为末端3，驱动端上设置有驱动链轮4，驱动链轮4用于驱动主轴1旋转。边段连接轴2朝向主轴1的一端为连接端5；连接端5上设置有轴套6，轴套6的一端与边段连接轴2固定连接，另一端为末端。本实施例中的边段连接轴2为芯轴。主轴1的末端3为圆台状。主轴1的末端3插入到轴套6的内孔内且主轴1的末端3与轴套6之间形成环形间隙7，主轴1的末端3上套设有位于轴套6的末端并与所述内孔的内壁相抵接配合的耐磨支撑环8。

本发明通过改变主轴1的末端3形状，即将主轴1的末端3其设计为圆台状，以便使主轴1的末端3在插入到轴套6的内孔时，主轴1的末端3与轴套6不接触而形成环形间隙7，然后通过在主轴1的末端3上套设耐磨支撑环8，使边段连接轴2对主轴1的末端的作用力作用到耐磨支撑环8，从而减小主轴1的末端3受到的扭曲剪切应力，增大主轴1的抗冲击能量。

在本实施例中，主轴1的圆台状的末端3的锥度在0.5°～5°之间。

继续结合图5，在本实施例中，耐磨支撑环8的外表面为球面。也就是相当于耐磨支撑环8是在一个球体上开设用于使主轴1的末端3的穿过的通孔而形成。球面的耐磨支撑环8与轴套6的内孔壁之间永远为面接触，接触面积大，减小边段连接轴2对主轴1的末端3的交变应力。

如图4和图5所示，本实施例中，边段连接轴2的连接端5的外径小于边段连接轴2的主体的外径，也就是边段连接轴2为一个变径轴。轴套6的一端固定套设在连接端5外，且轴套6的外径大于边段连接轴2的主体的外径（轴套6的外径各处相等，连接轴2的主体的外径也各处相等）。如此设置的目的，是为了保证边段连接轴2的强度，使轴套6的壁厚不至于太薄。轴套6的外径大于边段连接轴2的主体的外径在保证轴套6壁厚的同时，也不至于使边段连接轴2的主体的外径太大，从而克服边段连接轴2由于外径大而导致重量大及浪费材料的缺点。

继续结合图4和图5，主轴1的末端3虽为圆台状，但主轴1的末端3与轴套6之间的环形间隙7不能太大。如果轴套6的内孔为等径孔，由于耐磨支撑环8的设置，将增大轴套6与主轴1的末端3之间的环形间隙7。因此，在本实施例中，作为一种优选方案，轴套6的内孔为二级台阶孔，即包括第一孔段9和第二孔段10，用于与耐磨支撑环8配合处的部分为第一孔段9，其余部分为第二孔段10，第一孔段9的孔径大于第二孔段10的孔径。

作为本实施例的一种优选方案，轴套6的一端与边段连接轴2的连接端5通过焊接连接。而轴套6与主轴1的末端3通过连接螺栓11实现连接。具体的，如图8所示，轴套6的外壁上开设有至少一对关于轴套6的轴线对称的第一连接孔12，本实施例中共开设了四对。换句话说，轴套6上的多个第一连接孔12设置成两排，两排第一连接孔12关于轴套6的轴线对称，并且两排第一连接孔12一一对应。主轴1的末端2上开设与第一连接孔12对应的第二连接孔（图中未示出），第一连接孔12及与其对应的第二连接孔内穿设有用于将轴套6和主轴1的末端3固定连接在一起的连接螺栓11。如图4和图5所示，连接螺栓11在将轴套6和主轴1的末端3连接在一起的同时也将螺旋叶片连接到本发明的螺旋轴上。每个螺旋叶片通过两个连接螺栓11连接到本发明的螺旋轴上。继续结合图4和图5，由于轴套6的外径大于边段连接轴2的主体部分的外径，因此连接在本发明的螺旋轴上的螺旋叶片有两种。连接在轴套6上螺旋叶片为第一种螺旋叶片13，而连接在边段连接轴2的主体部分的螺旋叶片为第二种螺旋叶片14，两种螺旋叶片的外轮廓的尺寸相同，但内径不同。

继续结合图8，第一连接孔12为腰型孔（或称为U型孔），腰形孔的长度方向平行于轴套6的轴向方向。可使穿设在第一连接孔12内连接螺栓11有少量的自由调整距离，以便能够调整边段连接轴2与主轴1的相对位置，从而调整吊座15的位置，使吊座15能够与挡料板（图中未示出）连接。

当由于制造、装配或其它原因引起边段连接轴2和主轴1不同轴时，如图6和图7所示，假设边段连接轴2的轴线与主轴1的轴线之间的夹角为α角（此时将主轴1的末端的锥度也设计成α），为了清楚起见，在图6和图7中，将夹角α标注在了主轴1轴线与边段连接轴2的外壁之间。轴套6的末端到边段连接轴2的轴线和吊座15竖直中心线的交点C的距离为L，由三角函数关系可知，轴套6末端偏离中心线的距离h=L×tanα，此时，耐磨支撑环8的壁厚应约等于（或略小于）轴套6末端偏离中心线的距离h。主轴1的末端3和轴套6内壁之间的环形间隙7可以容纳由于主轴1和边段连接轴2不同轴造成的主轴1的末端3所受的反复多次交变应力所造成的变形。即当边段连接轴2绕C点在α角度内旋转时，轴套6对主轴1的末端的反复多次交变应力所产生的应变将不会发生，且紧密配合在主轴1的末端上的耐磨支撑环8的球面形的表面始终与轴套6的内壁接触，主轴1的圆台形的末端3始终不会受到反复多次的交变应力作用，从而，可明显提高主轴1的使用寿命。

如图4至图7所示，本实施例中边段连接轴2较长，其需要穿过吊座15，并通过吊座15与挡料板连接。因此本实施例中的第二孔段10为等径孔。

当边段连接轴2不是太长，其不需要连接吊座15时，也就是边段连接轴2远离主轴1的一端为自由端时，可以将第二孔段10设置为圆台形孔，其锥度与主轴1的末端3的锥度相同。

本发明同时公开了一种螺旋分料器，包括螺旋机箱、螺旋轴、螺旋叶片及挡料板，所述螺旋轴采用上述具有圆台状末端3的主轴和设置有轴套的边段连接轴的螺旋轴，螺旋叶片通过连接螺栓11装于所述螺旋轴上。

本发明同时还公开了一种摊铺机，该摊铺机包括上述的螺旋分料器。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.螺旋轴，其用于摊铺机的螺旋分料器上，所述螺旋轴包括主轴和边段连接轴，所述主轴的一端为驱动端，另一端为末端，所述边段连接轴朝向所述主轴的一端为连接端；其特征在于：

所述边段连接轴的连接端设置有轴套，所述轴套的一端与所述边段连接轴固定连接，另一端为末端；

所述主轴的末端为圆台状并插入到所述轴套的内孔内且所述主轴的末端与所述轴套之间形成环形间隙，所述主轴的末端上套设有位于所述轴套的末端并与所述内孔的内壁相抵接配合的耐磨支撑环。

2.根据权利要求1所述的螺旋轴，其特征在于，所述耐磨支撑环的外表面为圆弧面。

3.根据权利要求1所述的螺旋轴，其特征在于，所述边段连接轴的连接端的外径小于所述边段连接轴的主体的外径，所述轴套的一端套设在所述连接端外，且所述轴套的外径大于所述边段连接轴的主体的外径。

4.根据权利要求3所述的螺旋轴，其特征在于，所述轴套的内孔为包括第一孔段和第二孔段的二级台阶孔，用于与所述耐磨支撑环配合处的部分为所述第一孔段，其余部分为所述第二孔段，所述第一孔段的孔径大于所述第二孔段的孔径。

5.根据权利要求3所述的螺旋轴，其特征在于，所述轴套的外壁上开设有至少一对关于所述轴套的轴线对称的第一连接孔，所述主轴的末端上开设与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述第一连接孔及与其对应的第二连接孔内穿设有用于将所述轴套和所述主轴的末端固定连接在一起的连接螺栓。

6.根据权利要求5所述的螺旋轴，其特征在于，所述第一连接孔为腰型孔，腰型孔的长度方向平行于所述轴套的轴向方向。

7.螺旋分料器，包括螺旋机箱、螺旋轴、螺旋叶片及挡料板，其特征在于，所述螺旋轴为权利要求1至6中任一项所述的螺旋轴，所述螺旋叶片通过连接螺栓装于所述螺旋轴上。

8.摊铺机，其特征在于，包括权利要求7所述的螺旋分料器。