铝及铝合金用立式淬火空气加热炉链轮轴的改进

立式淬火空气循环加热炉供铝合金制品在530℃以下淬火使用，最大装炉量为1500kg。吊料装置中在炉顶通风口处有一链轮装置，链轮与其内的光轴为间隙配合，工作时链轮运转而其中的轴固定不动，因吊料的重量比较大，链轮运转时振动较大，工作时炉顶温度较高，且轴与链轮之间没有润滑剂，这样对轴的磨损较大，致使轴的寿命非常短。为了解决这一问题，设计者在轴与链轮之间加一铜套，虽然对轴的磨损有一些改善，但问题仍然存在，两个月左右就要更换一次新轴，这不但浪费了材料，而且增加了工人的劳动强度，甚至于耽误生产进度。

一、解决方案

初步设定将光轴设计成阶梯轴。轴与链轮之间用一平键连接，使轴与链轮一起转动，而链轮相对于轴不动。在阶梯轴的两边安装轴承，这样可使用润滑剂，减少对轴的摩擦。由于炉顶温度很高，为了使轴承及润滑油在正常状态下工作，必须加大轴的长度，使两边的轴承及润滑油远离散热口。考虑到温度因素，这里选用的润滑剂为二流化钼润滑剂，它可以耐潮湿及高温。

二、轴的设计

1、确定轴的各段直径及长度 轴的材料采用1Cr18Ni9Ti，该合金可以耐高温。鉴于有关专业人士已将原光轴的直径定为Φ60mm，且各方面的强度及刚度经校核均符合要求，为了节省人力物力，设定不改变安装链轮处轴的直径，即安装链轮处的直径为dⅣ－ⅤΦ60mm，安装轴承为了使轴承远离通风口，将轴的总长度定为540mm，安装轴承处的直径尺寸为dⅠ－Ⅱ=dⅥ－Ⅶ=Φ55mm。考虑轴承主要承受径向力作用，参照工作要求并根据轴的直径为Φ55mm，由轴承产品目录中初步选取2系列、标准精度级的双列向心球面球轴承1211，其尺寸为d×D×T=55×100×21，因此lⅠ－Ⅱ=lⅥ－Ⅶ=21mm。左边轴承利用轴肩和端盖进行轴向定位，取轴肩定位高度为5mm，则dⅡ－Ⅲ=65mm。因安装链轮处轴直径为Φ60mm，链轮左端采用轴肩定位，轴肩高度h＞0.07d，取h=5mm，则轴肩处的直径dⅢ－Ⅳ=70mm，轴肩宽度b≥1.4h，取b=10mm，即lⅢ－Ⅳ=10mm，为了便于安装链轮，安装定位套筒处的直径定为Φ59mm，因链轮宽度为180mm，取lⅣ－Ⅴ=179mm，则根据轴的总长度可确定lⅤ－Ⅵ=159.5mm。各段轴的长度为lⅠ－Ⅱ=21mm，lⅡ－Ⅲ=149.5mm，lⅢ－Ⅳ=10mm，lⅣ－Ⅴ=179mm，lⅤ－Ⅵ=159.5mm，lⅥ－Ⅶ=21mm。

2、轴上零件的周向定位 链轮与轴的周向定位采用平键联接，按dⅣ－Ⅴ=60mm，查手册可得平键截面b×h=18mm×11mm（GB/T1096－1979），键槽用键槽铣刀加工，长为160mm，同时为了保证齿轮与轴配合的良好性，选择链轮轮毂与轴的配合为Φ60H7/n6。由手册查得键槽深度轴t=7.0+0.20，毂t1=4.4+00.2。

3、轴上载荷 轴上主要承受的力为链轮所吊重物的重力，立式淬火空气循环电阻加热炉最大可承受1500kg的力，考虑安全系数，取k=1.2，则链轮受力F=kg=17640N，经现场测量F与水平面的夹角约为18.5°，则轴所受径向力Fr=F×sinα=5578N，切向力Ft=F×cosα=16734N，双列向心球面球轴承的支点位置a=21/2=10.5mm，作出轴的受力简图。

径向支反力FNr=2789N；所受弯距Mr=723745.5N。

切向支反力FNt=8367N，所受弯距Mt=217123.6N.mm。

则轴受合弯矩M=√Mr2+Mt2=228868.4N.mm

轴所受扭矩 T=Ft×d/2=502020N.mm。

（1）按弯扭合成应力校核轴的强度 在校核轴的强度时，只须校核轴上最危险截面B的强度。

则B处轴的抗弯截面系数W=π×d3/32－bt（d-t）2/2d

即W=π×（60）3/32－18×7×（60-7）2/2×60=18256.3mm3

根据公式σca=√M2+（aT）2/W因扭转切应力为脉动循环变应力，取a=0.6

即σca =√（228868.4）2+（0.6×502020）2/18256.3

=20.72Mpa＜【σp】符合强度要求。

（2）键的强度校核 键、轴和轮毂的材料都是合金钢，由《机械设计》第七版

表6-2查得许用挤压应力【σp】=100～120 Mpa，取其平均值，【σp】=110Mpa。键的工作长度l=L-b=160mm-18mm=142mm，键与轮毂键槽的接触高度k=4mm，普通平键联接的强度条件，由式（6-3）可得【σp】= 2T×103/kld=29.5Mpa＜【σp】。符合强度要求。

三、装配方案

在炉顶两边角钢上分别连接轴承座，以便安装轴承及支撑轴，轴承外圈用轴承端盖固定，外侧内圈用压板限位，在轴的两侧分别钻两个M6的螺纹孔，以安装压板；轴承内侧内圈一端用套筒定位，一端用轴肩。链轮与轴用键联接并周向定位，其配合尺寸为过度配合，链轮一端用套筒轴向定位，另一端用轴肩，套筒与轴的配合为间隙配合。

四、总结

立式淬火空气循环电阻加热炉链轮轴的改进光轴的一些缺点，减少了轴的磨损，缓解了吊料装置工作时的振动，延长了轴的寿命，减少了工人的劳动强度，也节省了材料。为公司节约了成本，同时也为同行业人员提供了丰富的实践经验。