CN104847686A - 一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，包括：主轴、叶轮，其特征在于：所述主轴一端为圆柱结构，另一端为齿状结构；所述叶轮轴孔一端为圆孔结构，另一端为齿状结构；所述主轴的圆柱端与所述叶轮轴孔的圆孔端通过过盈配合连接，所述主轴的齿轮端与所述叶轮的齿轮孔端通过齿状结构状紧密啮合连接。采用本发明的技术方案，安装方便且安全可靠，同时也解决了由于过盈配合面的长时间工作产生疲劳磨损而造成的过盈松动问题，提高了扭矩传递的效率和稳定性，延长了过盈连接部件的使用寿命。

Description

一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构

技术领域

本发明涉及一种风机叶轮与主轴的连接结构，尤其涉及一种双支撑高转风机叶轮与主轴的扭矩传递结构。

背景技术

通常低转速风机叶轮与主轴间的扭矩传递普遍采用过平键连接或盈配合连接。平键连接是通过键的侧面与轴键槽和轮毂键槽的侧面相互接触来传递扭距，其优点是结构简单，对中性好，装拆、维护方便；缺点是不能承受轴向力且对轴的强度削弱较大。过盈连接又称紧配合连接，是利用被联件间的过盈配合直接把被连接件连接在一起实现连接的，常用于轴与轮毂连接。这种连接的优点是结构简单，定心精度好，对轴的强度削弱小，可承受转矩，轴向力或两者复合的载荷，而且承载能力高，在冲击振动载荷下也能较可靠的工作，缺点是装配困难，结合面加工精度要求较高。

一般情况下，风机叶轮与主轴都采用过盈连接的方式，风机与主轴的传动扭矩是过盈配合来实现的。对于过盈配合连接，在配合面上会产生很大的径向压力，工作时靠此压力所产生的摩擦力来传递扭矩，因此，过盈量的大小，决定了过盈联接所能传递的扭矩大小，过盈量太小时，虽然装配简单，拆装也简单，但传递扭矩时孔与轴就会松动；过盈量大时，装配困难，多为一次性装配，不可拆卸，且孔的附近会产生过大的配合应力，增加了配合的塑性变形，进而会导致装配处的应力集中和疲劳开裂，既不利于扭矩的传递，且会影响过盈配合器件的寿命。更重要的是，过盈连接的部件在使用一段时间后，也会因为疲劳磨损产生过盈松动，造成配合面滑动，从而不能很好实现扭矩的传递。因此，如何解决过盈配合连接与扭矩传递之间的矛盾关系，已成为待解决的技术问题之一。中国专利201120483997.2公开了一种双级离心风机的双级叶轮与主轴的联结固定结构，包括一级叶轮、二级叶轮、主轴，其中叶轮通过轴肩和固定板在主轴上定位，两级叶轮轴盘间通过过盈配合加键传动固定，该结构简单，装配时不需其它专用工具，拆装方便，该技术方案风机叶轮与主轴都采用过盈连接的方式，扭矩传递主要靠平键，而平键传递扭矩只能适用于作用力较小的装置，无法满足大型高转速风机的扭矩传递；中国专利201320567030.1提供了一种用于将离心风机叶轮定位于主轴的定位装置，包括轴肩、第一键槽、第二键槽、第三键槽、勾头型楔键、导向平键，所述勾头型楔键与所述第一键槽以及第二键槽所围合的空间过盈配合，该专利该技术方案风机叶轮与主轴都采用过盈连接的方式，但仍然没有解决过盈连接的装配困难度与扭矩传递平稳的矛盾问题。

发明内容

为克服现有技术中存在的过盈连接的装配困难度与扭矩传递的平稳性的矛盾问题、以及过盈配合连接的使用寿命问题，本发明提供了一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构。

本发明的技术方案是：一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，包括：主轴、叶轮，其特征在于：所述主轴一端为圆柱结构，另一端为齿状结构；所述叶轮轴孔一端为圆孔结构，另一端为齿状结构；所述叶轮通过叶轮轴孔套置在主轴上。

所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，还包括位于所述主轴直径一端的轴肩，所述轴肩位于所述主轴齿轮端的外侧。

所述主轴两端的直径不同，较小直径端为圆柱端，较大直径端为齿轮端；所述叶轮轴孔两端直径也不相同，较小直径端为圆孔端，较大直径端为齿轮孔端。

所述主轴的圆柱端与所述叶轮轴孔的圆孔端通过过盈配合连接，所述主轴的齿轮端与所述叶轮的齿轮孔端通过齿状结构状紧密啮合连接。

所述叶轮轴孔中部与主轴不接触。

所述过盈配合连接的配合长度为叶轮轴孔长度的1/5—1/3，所述齿轮连接的齿轮啮合长度也为叶轮轴孔长度的1/5—1/3。

所述过盈配合的过盈量为0.02-0.09mm，所述过盈配合面的主轴外表面的粗糙度为Ra＝0.4—0.8μm，所述过盈配合面的叶轮轴孔内表面的粗糙度为Ra＝0.8—1.6μm。

所述叶轮为双面叶轮，所述叶片为后弯式、径向式和前弯式中的一种。

所述主轴为还可以为空心主轴。

本发明还公开了前述的高转速风机叶轮与主轴的安装方法，包括以下步骤：

(1)将叶轮加热，使内孔膨胀；

(2)将主轴冷却，使轴径缩小；

(3)测量各尺寸满足要求后将叶轮套上主轴；

(4)主轴上的轴肩对叶轮进行定位。

上述安装方法，采用的是热装和冷装相结合的装配方法，其中，所述步骤(1)中，对叶轮进行加热方法可以为木炭、焦炭、蒸汽、氧乙炔焰、电感应或热油等方法中的一种或多种，且加热方式为均匀加热，加热温度应低于叶轮材料的回火温度；

所述步骤(2)中，对主轴进行冷却的冷却剂为干冰、液氨、液氧、液氮中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用过盈配合和齿轮啮合两种连接方式结合起来，安装方便且安全可靠，而且也解决了由于过盈配合面的疲劳磨损而造成的过盈松动问题，提高了扭矩传递的效率和稳定性，延长了过盈连接部件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施方式一的风机叶轮与主轴连接结构示意图；

图2是本发明实施方式一的风机叶轮与主轴连接结构的B-B剖视图；

图3是本发明实施方式一的风机叶轮与主轴连接结构的C-C剖视图。

具体实施方式

以下结合附图1、2、3和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施方式一

一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，如图1所示，包括：叶轮1、主轴2、轴肩3，其中，叶轮1通过叶轮孔套置在主轴2上，主轴1两端的直径不同，直径较小的左端为圆柱结构(如图2所示的B-B截面图)，直径较大的右端为齿状结构(如图3所示的C-C截面图)；为了在安装时能够快速精定位叶轮的位置，在主轴1右端的外侧还设置有轴肩3；为使叶轮1能够快速安装在主轴2上，叶轮轴孔中间部分设计得比轴孔两端部分的直径大，安装后中间部分与主轴1不接触；叶轮轴孔一端为圆孔结构，另一端为齿状结构，其中叶轮圆孔端与所述主轴的圆柱端通过过盈配合连接(如图2所示)，而叶轮齿状孔端与主轴的齿状结构紧密啮合(如图2所示)。

在本发明的技术方案中，叶轮设计成双面叶轮，叶片可以设计成后弯式、径向式和前弯式的一种。主轴为一般设计成实心主轴，而对于高速运转的风机而言，必须采用较粗的主轴来保证主轴的刚度和扭矩的平稳传递，但主轴直径增加，其重量也势必增加，轴承的负重也会增加，进而会缩短轴承的寿命，所以，本发明的技术方案中，主轴也可以设计成空心结构，如主轴采用部分空心结构或者全部空心结构。

现有的许多设备普遍采用过盈配合来传递扭矩和轴向力，这种配合结构简单，连接强度高，但过盈量的大小与扭矩传递大小有关，过盈量太小，传递扭矩时孔与轴就会松动，过盈量大时又会产生过大的应力，增加塑性变形。更重要的是，在振动环境或交变载荷的作用下，配合面间往往会产生微小的滑动，这个微小滑动在接触表面产生极小的振幅(微米量级)，这个微动不仅可以造成接触表面磨损，引起构件松动，进而在在交变应力的作用下引起整体疲劳断裂，缩短过盈连接器件寿命。所以，本发明就的技术方案，采用了过盈配合和齿轮连接的方式，同时传递扭矩力，来保证扭矩传递的平稳性和可靠性。本发明的技术人员经过实践，得出当叶轮与主轴过盈配合连接的配合长度为叶轮轴孔长度的1/5—1/3，齿轮连接的齿轮啮合长度也为叶轮轴孔长度的1/5—1/3中时为比较理想的工艺状态，进一步优选为叶轮与主轴过盈配合连接的配合长度为叶轮轴孔长度的1/4，齿轮连接的齿轮啮合长度也为叶轮轴孔长度的1/4时效果最好。如果数值太小，配合长度就越短，所需的径向压力就越大，进而所需的过盈量也随之会增大。同时，主轴和叶轮过盈配合的过盈量为0.02-0.09mm，过盈配合面的主轴外表面的粗糙度为Ra＝0.4—0.8μm，过盈配合面的叶轮轴孔内表面的粗糙度为Ra＝0.8—1.6μm时，工艺效果较好，进一步优选为主轴和叶轮过盈配合的过盈量为0.06mm，过盈配合面的主轴外表面的粗糙度为Ra＝0.6μm，过盈配合面的叶轮轴孔内表面的粗糙度为Ra＝1.2μm时，工艺效果最佳。上述中，其中Ra指的是轮廓算术平均偏差，用轮廓仪测量很方便。Ra反映了表面微观几何形状在高度上的特性，Ra的数值越大，表面越粗糙。而表面粗糙度对过盈配合的使用性能和寿命都有很大影响，它影响刚度、耐磨性，一般而言，两过盈接触面的表面越粗糙，接触面积越小，相同条件下单位面积上的压力越大，因此引起的变形越大，刚度和耐磨性下降，导致过盈配合寿命减小。而且，过盈配合在装配时，会将凸峰挤平，产生塑性变形，使实际有效过盈量减小，也会影响过盈配合性质的稳定性。所以，上述的工艺参数是发明人在实际操作中的经验的总结。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用过盈配合和齿轮啮合两种连接方式结合起来，安装方便且安全可靠，而且也解决了由于过盈配合面的疲劳磨损而造成的过盈松动问题，提高了扭矩传递的效率和稳定性，延长了过盈连接部件的使用寿命。

实施方式二

一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，参考图1，包括：叶轮1、主轴2、轴肩3，其中，叶轮1通过叶轮孔套置在主轴2上，主轴1两端的直径不同，直径较小的左端为圆柱结构(如图2所示的B-B截面图)，直径较大的右端为齿状结构(如图3所示的C-C截面图)；为了在安装时能够快速精定位叶轮的位置，在主轴1右端的外侧还设置有轴肩3；为使叶轮1能够快速安装在主轴2上，叶轮轴孔中间部分设计得比轴孔两端部分的直径大，安装后中间部分与主轴1不接触；叶轮轴孔一端为圆孔结构，另一端为齿状结构，其中叶轮圆孔端与所述主轴的圆柱端通过过盈配合连接，而叶轮齿状端与主轴的齿状结构紧密啮合。

上述的高转速风机叶轮与主轴的安装方法，包括以下步骤：

(1)将叶轮加热，使内孔膨胀；

(2)将主轴冷却，使轴径缩小；

(3)测量各尺寸满足要求后将叶轮从主轴圆柱端套上主轴；

(4)主轴上的轴肩对叶轮进行定位。

上述安装方法，采用的是热装法和冷装法相结合的装配方法，其中热装法的基本原理是：通过加热包容件(孔件)，使其直径膨胀增大到一定数值，再将与之配合的被包容件(轴件)自由地送入包容件中，孔件冷却后，轴件就被紧紧地抱住，其间产生很大的连接强度，达到压装配合的要求。所述步骤(1)中选择加热的方法有多种，如可以为木炭、焦炭、蒸汽、氧乙炔焰、电感应或热油等方法中的一种或多种，且加热方式为均匀加热，加热温度应低于叶轮材料的回火温度。上述方法中的热油法是将油放在铁盒内加热，再将需加热的零件放入油内即可；蒸汽法是对于一些忌油的连接部件而言的，则可采用蒸汽加热的方法；而木炭、焦炭的方法是根据零件尺寸大小临时用砖砌一加热炉或将零件用砖垫上用木柴或焦炭加热，为了防止热量散失，通常可在零件表面盖一与零件外形相似的焊接罩；电感应加热法是利用交变电流通过被加热的套件，使套件产生交变磁场，在套件内与磁力线垂直方向产生感应电动势，此感应电动势以套件为导体产生电流。这种电流在套件内形成涡电流，在套件内电能转化为热能，使套件发热。当套件磁场不断变动时，套件被磁化的方向也随着磁场的变化而变化，这种变化将消耗能量而变为热能使套件热上加热。此法操作简单，加热均匀，无炉灰，不会引起火灾，最适合于装有精密设备或易爆易燃的场所，还适合于特大零件的加热。

冷装法即采用即用低温冷却的方法使被压入的零件尺寸缩小，然后迅速将其装入到带孔的零件中去。所述步骤(2)中，对主轴进行冷却的冷却剂为干冰、液氨、液氧、液氮中的一种或多种。其中，采用干冰时通常会加入酒精或者丙酮，它们的冷却温度为：固体二氧化碳加酒精或丙酮：-75℃；液氨：-120℃；液氧：-180℃；液氮：-190℃。选择何种冷却剂是根据实际工艺的需要而定的。冷却前应将被冷却件的尺寸进行精确测量，并按冷却的工序及要求在常温下进行试装演习，其目的是为了准备好操作和检查的必要工具、量具及冷藏运输容器，检查操作工艺是否合适。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，包括：主轴、叶轮，其特征在于：所述主轴一端为圆柱结构，另一端为齿状结构；所述叶轮轴孔一端为圆孔结构，另一端为齿状结构；所述叶轮通过叶轮轴孔套置在主轴上。

2.如权利要求1所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：还包括位于所述主轴直径一端的轴肩，所述轴肩位于所述主轴齿轮端的外侧。

3.如权利要求1所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述主轴两端的直径不同，较小直径端为圆柱端，较大直径端为齿轮端；所述叶轮轴孔两端直径也不相同，较小直径端为圆孔端，较大直径端为齿轮孔端。

4.如权利要求1-3所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述主轴的圆柱端与所述叶轮轴孔的圆孔端通过过盈配合连接，所述主轴的齿轮端与所述叶轮的齿轮孔端通过齿状结构状紧密啮合连接。

5.如权利要求4所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述叶轮轴孔中部与主轴不接触。

6.如权利要求5所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述过盈配合连接的配合长度为叶轮轴孔长度的1/5—1/3，所述齿轮连接的齿轮啮合长度为叶轮轴孔长度的1/5—1/3。

7.如权利要求6所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述过盈配合的过盈量为0.02-0.09mm，所述过盈配合面的主轴外表面的粗糙度为Ra＝0.4—0.8μm，所述过盈配合面的叶轮轴孔内表面的粗糙度为Ra＝0.8—1.6μm。

8.如权利要求1所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述叶轮为双面叶轮，所述叶片为后弯式、径向式和前弯式中的一种。

9.如权利要求5所述的高转速风机叶轮与主轴的扭矩传递结构，其特征在于：所述主轴为空心主轴。

10.如权利要求9所述的高转速风机叶轮与主轴的安装方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将叶轮加热，使内孔膨胀；

(2)将主轴冷却，使轴径缩小；

(3)测量各尺寸满足要求后将叶轮套上主轴；

(4)主轴上的轴肩对叶轮进行定位。