摘要：DTDC是豆粕加工的核心设备，而轴是其核心部件。为满足日益增加的豆粕饲料需求，DTDC设备越来越大型化，需对其主轴进行重新设计选材。现选用更为优质的合金钢40Cr作为主轴材料，与传统45优质碳素钢作比较，通过材料性能、强度、刚度等多方面对比计算与分析研究，得出以下结论：对于大型设备DTDC的轴系来说，采用合金钢40Cr作为主轴，其优点是尺寸更小，成本更低，质量更轻，而主轴质量的降低，也更有利于DTDC设备整体质量的控制，从而对整个项目的综合成本控制更为有利。

关键词：DTDC;轴;40Cr;45钢;强度;刚度

0    引言

在大豆油脂浸出加工工艺中，由浸出器出来的湿粕含溶量为25%～35%。蒸脱机DTDC的作用就是脱除湿粕中的溶剂，调节豆粕中的水分，同时破坏豆粕中的有毒物质（如尿素酶和胰蛋白酶抑制素），从而提高大豆的实用价值。豆粕作为重要的饲料来源，近些年需求量越来越大。而且，随着设备加工制造能力的提升以及工艺的改进，大豆生产线也在不断扩大，产能的提升使得核心设备DTDC越来越大型化，这对其主轴也提出了更高的要求。

轴是机械的重要组成零件，是搅拌设备最为核心的部件之一，其性能的好坏决定着整个搅拌设备的质量。同时，轴作为一个重要的连接件，既通过轴承与机架相连，又与联轴器、桨叶等组成轴系并围绕轴心作回转运动。所以轴的设计不能只考虑轴本身，需考虑多方面的因素和要求。本文从材料、结构、强度和刚度等方面对轴进行整体结构分析，并对其进行优化设计，为保证轴的性能可靠性提供理论分析依据。

1    DTDC主轴设计要求

对5000TPD大豆生产线的DTDC设备主轴进行优化设计，该设备的直径达到了7 m/6 m，轴长为17.9 m，共有10层桨叶，简图如图1所示。该设备电机功率为400 kW，搅拌轴转速为10 r/min。根据以上设备参数进行搅拌轴的设计优化，要求在保证强度、刚度等性能要求的同时，最大化降低综合成本。

为方便进行工程理论计算，对主轴进行结构简化，按照最小直径光轴考虑，以下所有分析计算以此简化架构为基础。

2    DTDC主轴设计分析

2.1    材料的分析

DTDC主轴常规采用的是韧性较好的45优质碳素结构钢，这也是轴最为常用的材料。但随着设备的大型化，45钢轴径会更粗更大，本身质量较大，导致整个设备质量也随之增加，随之而来的材料、运输、地基、吊装等成本也会增加。本文中的DTDC尺寸较大，受载也较大，要求轴的尺寸和质量尽量小。因此，采用可以承受更大载荷的合金钢40Cr轴与45钢轴进行对比分析，从理论上对主轴进行优化設计。二者材料均可通过调质热处理，得到良好的综合机械性能。

二者的主要力学性能如表1所示。

从表1可以看出，直径相同的情况下，40Cr材料的主要力学性能优于45钢，可以获得更好的性能保障。反之，在相同工况、相近力学性能的前提下，使用40Cr材料的主轴，直径会更小，质量也更轻。

2.2    轴的强度计算分析

DTDC设备采用竖直悬挂式吊轴结构，上部为承重轴承和滑动轴承，下部为滑动轴承，主轴受力点作用在顶端。所以，主轴只承受扭矩，弯矩可以忽略不计。

根据文献[1]查得[τ]和A值，根据式（1）（2）计算并取大值，两种材料的计算结果如表2所示。

从表2可以看出，就强度计算而言，使用40Cr材料作为DTDC主轴，其轴径要小于45钢轴，对于本案例的长轴来说，大大节约了成本。

2.3    轴的刚度计算分析

根据上面分析，DTDC搅拌轴主要承受扭矩。此外，由于DTDC的工况为负压，内部有易燃易爆介质，若发生泄漏，不仅会影响到产品的各项指标，而且会威胁到人身安全，严重时可能会发生爆炸风险。另外，如果DTDC主轴刚度不足，在转动时会形成一定范围内的摆动，从而加速轴与轴瓦内孔的磨损，进而进一步加大摆动，造成桨叶在锅底对物料翻动时的不水平，使得部分物料翻动不及时，从而影响粕的质量。因此，为避免DTDC主轴产生过大的扭转变形，应保证其刚度。

对于45钢和40Cr来说，切变模量G值相差很小，工程计算可忽略这种细微差别，统一采用G=8.1×108 MPa。出于安全考虑，[?]选择较小值15（′）/m。根据公式（4）计算得到满足刚度要求的轴径d，d≥57.64 mm。

考虑轴长17.9 m，轴径取表2中的较大值365.93 mm。再根据公式（5）计算得到?值，?=0.000 275（°）/m，计算值远远小于扭转角限定值[?]。

由此可见，由于DTDC的转速很低，刚度起着次要作用，安全余量足够，以强度设计为主。

2.4    轴的临界转速分析

发生共振时轴的转速称为轴的临界转速，如果轴的实际运行转速接近临界转速，外部周期性干扰力的频率就会与轴的弯曲自振频率相接近，从而产生弯曲共振现象，使得轴的变形迅速增大，以致达到使轴甚至整个设备损坏的程度。为了避免这类问题的发生，所设计的轴不得与任何临界转速相接近。

由临界转速引起的共振现象，一般发生在中高速运转的轴上。虽然DTDC仅为10 r/min，但本案例桨叶多，质量大，出于安全考虑，仍需进行临界转速的分析计算。

对于本案例DTDC，可简化为图2所示的力学模型，在外载荷作用下（仅承受扭矩），结构合理，并保证强度的条件下进行优化设计，使其具有最小重量级尺寸。

本文DTDC桨叶参数分布如表3所示。

由于W1～W1010个盘所受的重力远大于轴上其他零件所受的重力，故其他零件都不作为盘来考虑，而只将其重力加在相应的轴端上。40Cr和45钢轴径各取表2中的计算值，根据公式（6）进行计算，一阶临界转速计算结果如表4所示。

为避免轴在运转中产生共振现象，所设计的轴不得与任何临界转速相接近，也不能与一阶临界转速的简单倍数重合，而应该在各阶临界转速一定范围之外。当轴工作转速低于一阶临界转速时，其工作转速应取n<0.75ncr，工程上称这种轴为钢性轴。DTDC转速仅为10 r/min，远小于0.75ncr，为钢性轴。

由此可见，DTDC主轴远离临界转速，不会产生共振现象，采用两种材料均安全可靠。

3    结论

综上所述，45钢和40Cr材质都满足DTDC主轴的要求。但相比传统的45钢轴来说，该例采用40Cr材料有以下几点优势：

（1）主要力学性能优于45钢，材料品质更有保障。

（2）在同等工况条件下，设计中采用的40Cr材料主轴，轴径缩小了8.5%，质量上减少了15%。

（3）尺寸和质量上的缩减，首先降低了材料成本;其次降低了机加工难度，节约了加工成本;同时还降低了运输、吊装、人工等成本。

（4）主轴的缩减，也减小了对DTDC设备的集中载荷，从而可以适当减薄设备的厚度，或减少加强支撑等材料的使用，也进一步节约了整体成本。

（5）DTDC质量减小，施加在地基基础上的承载力也进一步减少，可节约地基基础材料和人工成本。

（6）本次系统性的理论设计优化及成果运用，可为未来大型化的DTDC主轴选材提供实际参考。

[参考文献]

[1] 闻邦椿.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010.

[2] 刘天婴.反应釜搅拌轴的设计计算[J].北京石油化工学院学报，2000（1）：57-60.

[3] 杨晖.大型低转速搅拌器振动原因分析及解决方案[J].医药工程设计，2000，21（6）：241-243.

[4] 张本成.浅论DTDC脱溶机的设计和操作[J].中国油脂，2002，27（3）：18-20.

收稿日期：2020-03-07

作者简介：霍瑞东（1982—），男，内蒙古呼和浩特人，硕士，助理工程师，研究方向：机械。