CN106382307B - 轴连接件及包括其的高速平桨干燥机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴连接件及包括其的高速平桨干燥机，包括法兰、联接轴、管轴以及连接在所述管轴上的轴端板，所述联接轴包括插入端以及用于在所述轴端板上定位的轴肩，其中，所述插入端与所述轴端板连接，所述轴肩设置有一弧形端面，所述法兰设置有锥面，所述法兰盖设在所述轴肩上，并通过螺纹件与所述轴端板连接，所述弧形端面与所述锥面对应并相互接触。通过本发明的使用，采用较小的柔性结构，可改变轴的受力状态。轴的运转更安全，使用寿命可较大提高。

Description

轴连接件及包括其的高速平桨干燥机

技术领域

本发明涉及一种轴连接件及包括其的高速平桨干燥机。

背景技术

如图6所示为现有的轴连接件结构，包括管轴1，轴端板2，法兰3，螺栓4，联接轴5。其中，法兰3与联接轴5采用焊接结构，使其成为一个整体。再用螺栓4与轴端板2连接。管轴1与轴端板2采用焊接形成内轴。

轴端板2与联接轴5间采用键连接。法兰3起限位作用；螺栓4起固定和防止轴的轴向窜动作用。

使用时，由于夹套升温过快，此时筒体(管轴)在环截面的上、下局部地区有明显的温度差。上部温度高、下部温度低，温差约40℃左右。发现筒体有明显变形，在中间部位筒体向上拱，导致桨叶刮擦筒体内壁。待温差减小后，在中间部位筒体向上拱量减小。桨叶运转正常。

在正常运转时，由于冷料的加入、在筒体底部物料的堆积层温度较低，使筒体局部地区下部的温度要比上部的温度稍低。夹套内的蒸汽上部换热较小，而底部换热较大，有可能出现冷凝液，降低传热效果。因此，管轴壁在同一环截面上出现温差。上部温度高、下部温度低。在中间部位测得管轴向上拱约8mm。

由于在生产过程中筒体的同一的环截面上不可避免会产生温差，所以引起筒体的端部法兰和端板的偏转。当筒体上拱8mm时，端部法兰和端板的偏转角约0.163°。由于联接轴的轴衬座底板直接与端板焊接，形成整体。当端部法兰和端板的偏转，导致联接轴偏转。当刚性较大，势必造成件3法兰偏转。该法兰偏转距离使螺栓4(M24)伸长。螺栓4的伸长量ΔL等于法兰偏转距离0.412mm。螺栓长度L＝60mm。螺栓在受到预紧力外增加额外的拉伸力F＝4.12×105(N)。该F力足以使螺栓拉断。实际上轴、法兰、螺栓均有变形，导致螺栓4的变形量相对减小。因此螺栓4的受力减小，可满足强度要求。此时轴、螺栓4和法兰均有应力存在。

轴是转动的，在回转过程中螺栓4受到交变力，在交变力的作用下，螺栓4受到交变应力。通过一定周期的作用螺栓会产生疲劳断裂。这也就是首次出现的螺栓4断裂事故。

一般情况下，认为螺栓断裂以及法兰断裂均因其强度不够而引起。采取错误的措施就是加强，若再断裂弥补的措施是再加强。

加强的措施通常采用以下两种：

1)采用高强度的材料；2)加厚或加大受力元件。

这样的方法用在疲劳断裂元件上是适得其反。因为在提高强度和加厚、加大后其作用在元件的交变应力加大。加速元件的疲劳断裂。当螺栓的强度增加，将法兰3牢固地紧固在轴端板2上。螺栓4的应力下降到疲劳许用应力以下，因此螺栓4在一定的周期内不发生疲劳断裂。此时在法兰3与联接轴5的焊接处产生较大的弯曲应力与焊接应力叠加。该应力也是交变应力。通过一定周期的作用后，法兰3与联接轴5的焊接处会产生疲劳断裂，使整个法兰3掉落。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术轴连接件的螺栓容易断裂，且单纯增加强度反而使得法兰与联接轴焊接处断裂的缺陷，提供一种轴连接件及包括其的高速平桨干燥机。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种轴连接件，包括法兰、联接轴、管轴以及连接在所述管轴上的轴端板、其特点在于，所述联接轴包括插入端以及用于在所述轴端板上定位的轴肩，其中，所述插入端与所述轴端板连接，所述轴肩设置有一弧形端面，所述法兰设置有锥面，所述法兰盖设在所述轴肩上，并通过螺纹紧固件与所述轴端板连接，所述弧形端面与所述锥面对应并相互接触。

当管轴产生弯曲时，使得弧形端面在法兰的锥面上偏转。法兰只起到固定联接轴作用，不让联接轴有轴向窜动，受力状态没有改变。该轴向力在管轴运转时是比较小的，并且是固定的，没有周期性变化的。因此，法兰和螺栓不受到交变应力。

轴肩与联接轴是整体，没有焊接等集中应力存在。轴肩比较小，易产生变形，易吸收变形时产生的应力，所以残余应力比较小。进行旋转时产生的交变应力也比较小。由于联接轴径最大处为轴肩，轴肩较小，又薄、柔性较大，在一定范围内变形，释放应力，残余应力比较小。因此，达到减小或消除疲劳应力的目的。

较佳地，所述插入端与所述轴端板采用键连接。

较佳地，所述插入端上设置有键槽。

较佳地，所涉螺纹紧固件为螺栓。

较佳地，所述法兰设置有若干连接孔。

较佳地，所述管轴与所述轴端板为焊接连接。

较佳地，所述轴肩的高度位5mm，厚度为5mm。

一种高速平桨干燥机，其特点在于，其采用如所述的轴连接件。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明的各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：通过本发明的使用，采用较小的柔性结构，可改变轴的受力状态。轴的运转更安全，使用寿命可较大提高。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的主轴结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的主轴受力示意图。

图3为本发明较佳实施例的主轴剪力示意图。

图4为本发明较佳实施例的主轴弯矩示意图。

图5为本发明较佳实施例的管轴变形示意图。

图6为现有技术的轴连接件结构示意图。

图7为本发明较佳实施例的轴连接件结构示意图。

图8为本发明较佳实施例的联接轴结构示意图。

图9为本发明较佳实施例的法兰结构示意图。

图10为本发明较佳实施例的弧形端面接触示意图。

具体实施方式

下面举出较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图7-图10所示，本发明的轴连接件包括管轴1、轴端板2、法兰3、螺栓4以及联接轴5。

如图8所示，联接轴5包括插入端51以及用于在轴端板2上定位的轴肩52，插入端51与轴端板2连接，轴肩52设置有一弧形端面521，法兰设置有锥面32，法兰3盖设在轴肩52上，法兰3设置有若干连接孔31，,通过螺栓4或者其他螺纹紧固件与轴端板2连接，如图10所示，弧形端面521与锥面32对应并相互接触，且弧形端面521相对于锥面32可以相对偏转。

此外，插入端51上设置有键槽，与轴端板2采用键连接。管轴1与轴端板2为焊接连接。轴肩52的高度位5mm，厚度为5mm。

具体的，如图1所示，筒体内主轴材料为Q345R，外包S31603S＝3mm；主轴直径为φ800壁厚S＝12mm。

联接轴的轴承处轴径为φ180。

如图2所示，主轴重力G＝(800-12)×12×π×14000×78.5E(-6)＝32680(N)。

均布载荷q＝G/L＝32665/14000＝2.33(N/mm)

两端轴承支撑力F＝G/2＝16340(N)

如图3所示为剪力图。最大剪力F_max＝16340(N)在两端。

如图4所示为弯矩图。最大弯矩M_max＝57295000(Nmm)在中间。

弯曲应力σ＝M_max/W

W—抗弯截面系数

W＝π(D⁴-d⁴)/32D

D—截面的外径

d—截面的内径

d＝D-2S＝800-12×2＝776(mm)

W＝3.14×(800⁴-776⁴)/(32×800)＝5.763E6

σ＝57295000/5.763E6＝9.95(N/mm²)

在重力作用下的弯曲变形f_max＝5ql⁴/384EI

f_max—最大弯曲变形量(绕度)

q—均布载荷,2.33

E—弹性摸量，取194000(N/mm²)

I—惯性矩

I＝π(D⁴-d⁴)/64＝3.14×(800⁴-776⁴)/64＝2.31E9

f_max＝5×2.33×14000⁴/(384×194000×2.31E9)＝2.60(mm)

在重力作用下的偏角θ_max＝ql³/24EI’

I’＝πd’⁴/64＝3.14×180⁴/64＝5.15E7

θ_max＝2.33×14000³/(24×194000×5.15E7)＝0.00267＝0.153°

如图6所示，原设计的联接轴5与管轴1的连接采用刚性较强的法兰3。

管轴1为φ1000×14，材质为16Mn板材卷制；

轴端板2为δ＝250mm的16Mn板；

法兰3为φ350/φ200，δ＝30的16Mn板，连接螺孔φ25，

螺栓4为M24，材质为35#钢，

联接轴5，φ205；φ195；φ180材质为16Mn锻件。

法兰3与联接轴5采用焊接结构，使其成为一个整体。再用螺栓4与轴端板2连接。管轴1与轴端板2采用焊接形成内轴。轴端板2与联接轴5间采用键连接。法兰3起限位作用；螺栓4起固定和防止轴的轴向窜动作用。

使用时，由于夹套升温过快，此时筒体(管轴)在环截面的上、下局部地区有明显的温度差。上部温度高、下部温度低，温差约40℃左右。发现筒体有明显变形，在中间部位筒体向上拱，导致桨叶刮擦筒体内壁。待温差减小后，在中间部位筒体向上拱量减小。桨叶运转正常。

在正常运转时，由于冷料的加入、在筒体底部物料的堆积层温度较低，使筒体局部地区下部的温度要比上部的温度稍低。夹套内的蒸汽上部换热较小，而底部换热较大，有可能出现冷凝液，降低传热效果。因此，管轴壁在同一环截面上出现温差。上部温度高、下部温度低。在中间部位测得管轴向上拱约8mm。

如图5所示此时轴端板的理论转角α计算。

模拟为：在两支座间筒体上拱8mm；管轴1变形为连续成圆弧。

两支座间距离为11280mm

R＝[(11280/2)²+8²]/(2×8)＝1988000；

Sinα＝5640/1988000＝0.00284；

α＝0.00284×180/3.1416＝0.163°。

此时，转角α与偏角θ_max会叠加。通常偏角θ_max较小，可忽略不计。

变形角度比较小，一般来说轴承与密封对这样的变形完全能承受。

由于在生产过程中筒体的同一的环截面上不可避免会产生温差，所以引起的法兰3和轴端板2的偏转。当管轴1上拱8mm时，法兰3和轴端板2的偏转角约0.163°。由于联接轴5的轴衬座底板直接与法兰焊接，形成整体。当端部法兰和端板的偏转，导致联接轴偏转。当刚性较大，势必造成件3法兰偏转。

法兰的偏转角度为α＝0.163°。假设管轴没有变形，此时法兰偏转距离在法兰螺孔处约(290/2)×Sinα＝145×0.00284＝0.412mm。该法兰偏转距离使螺栓(M24)伸长。螺栓(M24)的伸长量ΔL等于法兰偏转距离0.412mm。螺栓长度L＝60mm。螺栓在受到预紧力外增加额外的拉伸力F,

F＝E(d²π/4)(ΔL/L)

＝191×10³×(20²×3.1416/4)×(0.412/60)＝4.12×10⁵(N)。

式中E为钢材弹性模量，E＝191×10³MPa(碳锰钢，200℃)。

该F力足以使螺栓拉断。实际上轴、法兰、螺栓均有变形，导致螺栓的变形量相对减小。因此螺栓的受力减小，可满足强度要求。此时轴、螺栓和法兰均有应力存在。

轴是转动的，在回转过程中螺栓受到交变力，在交变力的作用下，连接螺栓受到交变应力。通过一定周期的作用螺栓会产生疲劳断裂。这也就是首次出现的螺栓断裂事故。

当螺栓的强度增加，将法兰牢固地紧固在轴端板上。螺栓的应力下降到疲劳许用应力以下，因此螺栓在一定的周期内不发生疲劳断裂。此时在法兰与轴的焊接处产生较大的弯曲应力与焊接应力叠加。该应力也是交变应力。通过一定周期的作用后，法兰与轴的焊接处会产生疲劳断裂，使整个法兰掉落。这就是产生第二次法兰与轴连接焊缝断裂事故。

一般情况下，认为螺栓断裂以及法兰断裂均因其强度不够而引起。采取错误的措施就是加强，若再断裂弥补的措施是再加强。

加强的措施通常采用以下两种：

1)采用高强度的材料；

2)加厚或加大受力元件。

这样的方法用在疲劳断裂元件上是适得其反。因为在提高强度和加厚、加大后其作用在元件的交变应力加大。加速元件的疲劳断裂。

改善疲劳断裂的有效措施应该是改变应力状态，采用具有较大柔性的材料或能产生变形和能释放应力的结构。在构件的柔性作用下，或变形后产生吸收或释放应力。从而降低应力，提高疲劳使用寿命。

如图7-图10所示，轴端板2与联接轴5的插入端51的连接采用用键连接。联接轴5的5×5mm的轴肩52作为轴插入端的定位。

当筒体进入在正常运转时，由于冷料的加入、在筒体底部物料的堆积层温度较低，使筒体局部地区下部的温度要比上部的温度稍低。夹套内的蒸汽上部换热较小，而底部换热较大，有可能出现冷凝液，降低传热效果。因此，筒体壁在同一环截面上出现温差。上部温度高、下部温度低。在中间部位测得筒体向上拱的弯曲变形。使得两端的端板产生偏角，两端的轴承产生偏转，迫使轴产生弯曲。轴的弯曲使得弧形端面521在法兰3的锥面32上偏转。法兰只起到固定轴作用，不让轴有轴向窜动，受力状态没有改变。该轴向力在主轴运转时是比较小的，并且是固定的，没有周期性变化的。因此，法兰和螺栓不受到交变应力。

轴肩52与联接轴5是整体，没有焊接等集中应力存在。轴肩52比较小，易产生变形，易吸收变形时产生的应力，所以残余应力比较小。当联接轴5进行旋转时产生的交变应力也比较小。由于，轴径最大处为轴肩52。轴肩52较小，又薄、柔性较大，在一定范围内变形，释放应力，残余应力比较小。因此，达到减小或消除疲劳应力的目的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴连接件，包括法兰、联接轴、管轴以及连接在所述管轴上的轴端板，其特征在于，

所述联接轴包括插入端以及用于在所述轴端板上定位的轴肩，所述轴肩与所述联接轴为整体结构，所述轴肩为所述联接轴的最大轴径处；

其中，所述插入端与所述轴端板连接，所述轴肩设置有一弧形端面，所述法兰设置有锥面，所述法兰盖设在所述轴肩上，并通过螺纹紧固件与所述轴端板连接，所述弧形端面与所述锥面对应并相互接触；当管轴产生弯曲时，使得所述弧形端面在所述法兰的锥面上偏转；

所述轴肩的高度为5mm，厚度为5mm，以作为轴插入端的定位及使得所述轴肩易变形并吸收应力。

2.如权利要求1所述的轴连接件，其特征在于，所述插入端与所述轴端板采用键连接。

3.如权利要求1所述的轴连接件，其特征在于，所述插入端上设置有键槽。

4.如权利要求1所述的轴连接件，其特征在于，所述螺纹紧固件为螺栓。

5.如权利要求1-4任意一项所述的轴连接件，其特征在于，所述法兰设置有若干连接孔。

6.如权利要求1-4任意一项所述的轴连接件，其特征在于，所述管轴与所述轴端板为焊接连接。

7.一种高速平桨干燥机，其特征在于，其采用如权利要求1-6任意一项所述的轴连接件。