搅拌设备附件结构及强度计算

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《制盐工业手册》第1124页（6080字）

(一)搅拌装置支承架 制盐中使用的立式搅拌装置，支承架一般采用型钢(槽钢或工字钢)做梁。梁的强度和刚度计算，按《钢结构设计手册》规定进行。

(二)搅拌轴的计算

1．搅拌轴径的计算 搅拌轴工作时，承受扭转及弯曲的组合作用，以扭转作用为主。工程计算中，常用近似方法，同时按扭转变形和扭转强度两个条件进行，取分别求得的较大值作为轴径。

(1)按扭转变形计算

(2)按扭转强度计算

式中 d——轴径，空心轴时为轴外径(cm)

N——轴传递的功率(kW)

n——搅拌轴转速(r／min)

α——空心轴内外径比值，α=d_i／d，对实心轴，α=0

d_i——空心轴内径(cm)

A——系数，G=8．1×10⁵kgf／cm²，〔φ〕°=时，A=10；〔φ〕°=1°时，A=8．5；

〔φ〕°——100cm长度内的许用扭转角，对搅拌轴，〔φ〕°=～1°；

G——材料的剪切弹性模数对碳钢，G=8．1×10⁵kgf／cm²

当材料的G值不等于8．1×10⁵kgf／cm²时，轴径d₁按下式换算：

C——随材料许用扭转应力〔τ〕变化的系数，其值见表3－5－7。

表3－5－7 常用轴材料的〔τ〕及C值

注：(1)〔τ〕值考虑了因弯曲影响而降低了的许用剪应力，如果轴上弯矩影响较大，并有其他不利因素(如轴很长，运转不平稳等)存在时，〔τ〕应取较小值。

(2)采用20、35钢材时，则〔τ〕值可较A₃、A₅钢为大。

按式(3－5－37)算出的轴径若比按式(3－5－38)算出的大很多，可考虑改用强度较低的材料，以达到节约的目的。

以上计算未考虑键槽及开孔的影响，若轴上开有一个键槽或浅孔，轴径应增大4～5%；若同一断面上开有两个键槽或浅孔，轴径应增大7～10%；若轴上沿径向开有对穿销孔，孔径／轴径=0．05～0．25时，轴径应按计算直径至少增大15%。

上述计算的轴径，还应加入轴的腐蚀裕度，最后圆整为标准直径。

以上强度计算中，假定搅拌轴只承受扭转作用，然后以降低材料的许用应力来弥补因忽略弯曲作用而引起的误差。

2．搅拌轴临界转速计算 当轴的转速达到一定数值时，轴的运转将发生显着的反复变形和较为强烈的振动而产生共振现象。这时的转速称为轴的临界转速。对制盐上搅拌设备使用的刚性轴，应使轴转速n≤0．7n临；当桨式搅拌器搅拌液－液相及液－固相介质时，还须使≠(0．45～0．55)。对不允许在搅拌设备内安装轴承的悬臂轴，一般都应验算轴的临界转速。有的资料介绍，搅拌转速大于200r／min时，都应对临界转速进行验算。

等直径集中载荷悬臂轴(图3－5－18)临界转速计算：

图3－5－18 搅拌轴临界转速计算简图

B′－轴的支承距离(cm) L₁－轴外伸端距离(cm) L₂L₃－各搅拌器外伸端距离；(cm)

W₀－外伸端轴的重量，(kg) m₀－外伸端轴的质量(kg·s／cm)，m₀= m₁、m₂、m₃－各个搅拌器的质量(kg·s²／cm) W₁、W₂、W₃－各个搅拌器的重量(kg) g－重力加速度，g=981cm／s²

式中 n_临——轴的临界转速(r／min)；

E——轴的材料弹性模数(kgf／cm²)，对碳钢，E=2．1×10⁶kgf／cm²

I——轴的惯性矩(cm⁴)，对实心圆轴，I=；对空心圆轴，I=d，α表示意义见式(3－5－38)

W等效——轴及搅拌器的等效重量(kg)

R——轴的等效重量系数，见表3－5－8

表3－5－8 轴的等效重量系数

联轴节的等效重量与搅拌器同样处理。

3．有底轴承的单跨度等直径搅拌器的临界转速

(1)两端简支的搅拌轴见图3－5－19。

图3－5－19 搅拌轴临界转速计算简图

L₁、L₂、L₃－各搅拌器距支承点距离(cm) W₀－两支点距离L段轴的重量(kg) W₁、W₂、W₂－各搅拌器的重量(kg)

(2)一端固定另一端简支的搅拌轴(图3－5－20)。

图3－5－20 搅拌轴临界转速计算简图

(各符号意义同图3－5－19)

当滑动轴承长度比轴径大两倍或更多时，可看作是固支的。当滑动轴承的长度与直径之比较小或采用滚动轴承时，可看作是铰接的。

4．轴的支承条件 一般情况下，搅拌轴由减速装置或支座内一对轴承支承。为操作维修简便，搅拌设备内不再设置轴承，搅拌轴往往较长而悬伸在设备内，进行搅拌操作。当悬臂轴又长又细时，往往会将轴扭弯，离心力随之递增，最后达到完全破坏的程度。保持搅拌轴悬臂稳定性的允许长度，目前尚无可靠方法计算，对一般情况，按经验数据，推荐以下两个关系式，以作参考，见图3－5－21。

图3－5－21 搅拌轴的支承

(1)L₁≤(4～5)B′ (3－5－46)

(2)L₁≤(40～50)d (3－5－47)

L1、B′、d所代表的意义见图3－5－18，单位均为cm。

计算轴径d时，d的裕量越大，或经过平衡试验的搅拌器，或在低转速条件下，L₁／B′及L₁／d可取偏大值，反之取偏小值。

如不能同时满足上述两个条件，应在搅拌设备内安装中轴承或底轴承。搅拌设备内加装轴承，以利于提高轴的临界转速，降低轴的挠曲，防止轴的径向摆动，保证良好的轴封，但不便于操作维修。常见的中轴承、底轴承型式见图3－5－22、3－5－23。

图3－5－22 中轴承结构图

图3－5－23 底轴承结构图

5．搅拌轴同搅拌器的连接

(1)搅拌器与轴的连接 将桨叶一端煨成半个轴套，用螺栓将对开的轴套夹紧于搅拌轴上(见图3－5－16)，一般用于桨式搅拌器。当D≤0．6m时，用一对螺栓销紧；D≥0．7m时，用两对螺栓销紧。为传递扭矩可靠起见，常用穿轴螺栓使搅拌器与轴固定。

(2)搅拌器与轴的连接 用键和止动螺钉将搅拌器轴套固定在搅拌器轴上。搅拌器轴套外径宜为轴径的1．6～2倍，轴套长度应略大于轴套处搅拌叶宽度在轴线上的投影长度，且不小于轴径。对于较大的搅拌器和轴的连接，可采用图3－5－24结构型式。其优点在于：①连接牢固；②比穿孔对夹的轴强度高；③能防止螺纹生锈。

图3－5－24 搅拌器与轴的连接结构

1－搅拌器 2－圆形螺母 3－防锈帽 4－销钉 5－防锈螺母

(三)搅拌设备的传动装置

制盐用的搅拌设备，传动装置一般由电动机、减速装置、联轴器和机座组成。电机的选用主要是确定型号、功率、转速以及安装型式、特殊要求等(如防爆要求)。在不少场合(如选用标准型减速机时)，电机与减速装置系配套供应。

传动装置通过机座安装在型钢制支承架上。机座上一般应有容纳联轴器、轴封装置等部件及其安装、操作、维修所需的空间。不少情况下，机座中还设有轴承装置，以改善轴的支承条件。机座可按设计条件采用铸体或用A₃F、A₃钢焊制而成。有些标准型减速机，机座和减速机能配套供应，可按使用条件配套选用。

制盐用搅拌设备的减速装置，以摆线针轮减速机及三角皮带减速装置较普遍。摆线针轮减速机减速比大、寿命长、结构紧凑、传动效率高、对过载及冲击载荷有较强的承受能力，盐业上已逐步获得较广泛的应用。三角皮带减速装置结构简单，过载时会发生打滑现象，能起到安全保护作用，在盐业上应用仍较广泛，但不能用于有防爆要求和需要保持精确传动比的地方。对用于沉降等低速搅拌设备，齿轮传动及蜗轮蜗杆传动也有使用。

联轴器使用型式，主要有弹性圆柱销联轴器、柱销联轴器、夹壳联轴器、刚性联轴器、刚性凸缘联轴器等型式。弹性联轴器(弹性圆柱销联轴器、柱销联轴器)适宜作高速轴的连接，如与电机轴直连，对启动时的高峰负荷起到缓冲和吸震作用，使搅拌轴或搅拌叶不致断裂或被扭坏。搅拌轴间连接，采用的联轴器为刚性结构。夹壳联轴器、刚性联轴器、刚性凸缘联轴器等固定式刚性联轴器，有很好的同心度，结构简单，承受的扭矩也较大。一般轴长超过3m时，为防止轴在加工、运输和放置过程中的挠曲，都应分段采用刚性联轴器连接。刚性联轴器无减震性，不能承受冲击，适宜连接低速、振动小、刚度大的轴。

附录A 本节使用符号说明

D_O——搅拌设备圆筒内直径(m)

D——搅拌器直径(m)

B——搅拌器叶片宽度(m)

S——搅拌器叶片螺距(m)

C——搅拌器与桶底距离(m)

δ、δ₁——搅拌器叶片厚度(cm

H₁——叶片断面高度(cm)

E₀——搅拌器的层数

Z——每个搅拌器的叶片数

J——挡板宽度(m)

R——挡板数量

H——静液面与桶底的距离(m)

N——按表3－5－4所列有关尺寸范围内计算的搅拌需要轴功率(kW)

N′——与表3－5－4所列有关尺寸范围不同经换算后搅拌器实际需要的轴功率(kW)

g_C——重力加速度，gc=9．81m／s²

ρ——液体密度(kg／m³)

n——搅拌器转速(r／s)

μ——液体粘度(Pa·s)

N_Re——雷诺准数

N_P——功率准数

θ——搅拌叶片与旋转平面的夹角(见表3－5－1中图c、f)(度)

N_层——搅拌每层的设计功率(kW)

N_片——每个搅拌器单个叶片设计功率(kW)

M_I——搅拌叶断面Ⅰ－Ⅰ上承受的弯矩(kgf-cm)

W、W′——分别为无加强筋的桨叶及单侧有加强筋的桨叶断面对y-y轴的抗弯断面模数(cm³)

Z_e——断面Ⅰ－Ⅰ上的螺栓数

d_s——螺栓孔根部直径(cm)

本节各公式中，未专门注明处，均按上述字母代表的含义及单位代入。

附录B 传动机构效率

传动机构效率