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摘 要：阐述了对大型12吨铝水抬包的耳轴的设计。对耳轴的结构特点进行介绍，通过强度计算进行分析，选用合适的耳轴。
关键词：铝水抬包；耳轴；结构；强度计算；强度验算
前言
抬包是冶金行业使用非常广泛的设备，目前在我国随着电解铝行业的发展，特别节能降耗的要求，铝水抬包也正向大容积的方向发展。随着产能的提升，现在12吨铝水抬包成为市场上主要需求方向，其结构如图（1）所示。它的作用是装运铝厂生产出的铝水，并通过铝水抬包安全运输到指定位置。
铝水抬包在运输过程中要频繁吊装，铝水包内铝水温度≧800℃，耳轴是起吊铝水包部件，因此耳轴是这些设备关键部件，它直接影响整套设备的安全。
设计铝水抬包要重点考虑耳轴的设计，耳轴设计首先确保设备使用的安全。其次还要考虑到成本的经济性。笔者就针对12吨铝水抬包耳轴设计进行了如下总结：
2、耳轴的技术要求：
铝水抬包耳轴是设备的关键部件，要求具有较高的机械性能及安全性，在选材上需要满足其使用的具体环境。综合各种因素考虑这就需要耳轴采用锻制而成。本次设计的容积12吨的铝水包内衬采用硅酸铝耐火纤维和高温浇注料组成，铝水包单体设备及内衬重量总重约12.5T，设计装铝水容量12T，根据具体使用环境等综合因素耳轴选用35#钢，整体性价比好，可以满足使用要求。按照制作工艺尺寸、技术等要求耳轴锻后毛坯经过外型尺寸检验合格后按图纸技术要求粗加工，粗加工后耳轴要求进行第一次超声波探伤，无裂纹等质量缺陷后方可进行下一道工序热处理，进行调质处理HB156～207，然后精加工成成品。加工成成品后在进行超声波检验进行第二次探伤符合国际，并且尺寸公差符合图纸设计要求，从而保证成品耳轴质量和综合性能。
3、耳轴的结构：
将铝水抬包耳轴整体锻造成耳轴块，通过8个M27螺栓连接到耳轴箱。耳轴箱采用焊接形式按照焊接国标要求焊接在铝水包包体上。耳轴箱是一种箱体梁结构。耳轴上承载的力传递到耳轴箱，耳轴箱将力传递到包体上，从而使耳轴承载起整个铝水包的重量。该结构优点是耳轴块为整体锻件，整体力学性能好，安全性高。缺点是采用整体锻件，增加了制造成本，且锻造容易出现凸台，容易造成应力集中，在设计上要充分考虑，控制好圆角加以解决。综上所述考虑到铝水包的重要性在满足机械性能及使用环境的条件下，为了最大的保证了使用的安全，采用以上的结构比较合理。
4、耳轴的强度设计：
4.1受力分析：
铝水抬包耳轴受力主要考虑受静载荷、起吊瞬间冲击载荷在耳轴圆角处的应力集中。（耳轴同吊杆间采用平键连接，抬包倾翻时产生的扭矩，不对耳轴静载荷、起吊瞬间冲击载荷有影响，另作分析不作考虑）静载荷为铝水抬包的总重的一半。铝水抬包的总重包括铝水抬包设备本体重量、内衬及浇筑料重量、铝水抬包内铝水自重引起的力，这里为Q总。24.5
4.2安全系数：
安全系数是在机械设计中，零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。影响安全系数的因素很多。归纳起来有：失效的形式是否弄清，是静载破坏还是疲劳破坏，是屈服准则还是断裂准则；建立的强度判据是否合理，是应力判据还是寿命判据；采用的计算方法是否精确；制造时的质量控制是否严格；零件本身的重要性和要求达到的可靠程度等。安全系数的选取决定于失效形式。安全系数在很大程度上根据设计经验来确定。
考虑铝水抬包耳轴受铝水包内高温影响，及断后会产生严重的事故。根据以往我厂生产的9t、11t等铝水抬包的设计及使用过程中出现问题的总结。安全系数n选用n=6～8为宜。初步设计铝水抬包选安全系数n取8
4.3耳轴初步设计
耳轴的材质确认选取35#钢
35#钢材质屈服极限查机械设计手册得Бs=275MPa
初步先主要考虑耳轴弯矩
公式中，W——抗弯截面系数，
——耳轴转动惯量，
d——耳轴直径，mm。
最大弯矩（1）
公式中——总重
B——耳轴长度
耳轴长度设计选取140mm
代入公式（1）得
进一步推导出d
代入以上数值得出结果mm
根据计算结果初步选取耳轴直径d=140mm
5、耳轴的强度验算
从图（2）中可以看出耳轴根部受复合力影响最严重。
根据以上12吨铝水抬包初步设计得到铝水抬包总重，耳轴长度B=140mm，耳轴直径d=140mm，耳轴材质选取35#钢。则验算如下：
耳轴根部受到弯矩M
耳轴根部受重力垂直剪应力P240100=120050N
耳轴抗扭模量
耳轴截面积F==0.015386
弯曲应力==15.6MPa
耳轴垂直剪应力==MPa
根据第三强度理论进行校核=
查机械设计手册得 =1.7代入第三强度理论公式得
==37.5MPa
保险系数n===7.3 在6～8之间，通过验算可以看设计的耳轴合适。
6、结论
铝水抬包耳轴是铝水抬包吊装安全的部件之一，设计合理的结构及尺寸，不仅影响到设备成本，更是有重大的安全意义。本文通过以上对耳轴选择、受力分析计算、验算也可以为其它吊装类设备耳轴设计提供借鉴经验。
参考文献：
[1]成大先，王德夫等，机械设计手册，北京，化学工业出版社，2001.
关键词：铝水抬包；耳轴；结构；强度计算；强度验算
前言
抬包是冶金行业使用非常广泛的设备，目前在我国随着电解铝行业的发展，特别节能降耗的要求，铝水抬包也正向大容积的方向发展。随着产能的提升，现在12吨铝水抬包成为市场上主要需求方向，其结构如图（1）所示。它的作用是装运铝厂生产出的铝水，并通过铝水抬包安全运输到指定位置。
铝水抬包在运输过程中要频繁吊装，铝水包内铝水温度≧800℃，耳轴是起吊铝水包部件，因此耳轴是这些设备关键部件，它直接影响整套设备的安全。
设计铝水抬包要重点考虑耳轴的设计，耳轴设计首先确保设备使用的安全。其次还要考虑到成本的经济性。笔者就针对12吨铝水抬包耳轴设计进行了如下总结：
2、耳轴的技术要求：
铝水抬包耳轴是设备的关键部件，要求具有较高的机械性能及安全性，在选材上需要满足其使用的具体环境。综合各种因素考虑这就需要耳轴采用锻制而成。本次设计的容积12吨的铝水包内衬采用硅酸铝耐火纤维和高温浇注料组成，铝水包单体设备及内衬重量总重约12.5T，设计装铝水容量12T，根据具体使用环境等综合因素耳轴选用35#钢，整体性价比好，可以满足使用要求。按照制作工艺尺寸、技术等要求耳轴锻后毛坯经过外型尺寸检验合格后按图纸技术要求粗加工，粗加工后耳轴要求进行第一次超声波探伤，无裂纹等质量缺陷后方可进行下一道工序热处理，进行调质处理HB156～207，然后精加工成成品。加工成成品后在进行超声波检验进行第二次探伤符合国际，并且尺寸公差符合图纸设计要求，从而保证成品耳轴质量和综合性能。
3、耳轴的结构：
将铝水抬包耳轴整体锻造成耳轴块，通过8个M27螺栓连接到耳轴箱。耳轴箱采用焊接形式按照焊接国标要求焊接在铝水包包体上。耳轴箱是一种箱体梁结构。耳轴上承载的力传递到耳轴箱，耳轴箱将力传递到包体上，从而使耳轴承载起整个铝水包的重量。该结构优点是耳轴块为整体锻件，整体力学性能好，安全性高。缺点是采用整体锻件，增加了制造成本，且锻造容易出现凸台，容易造成应力集中，在设计上要充分考虑，控制好圆角加以解决。综上所述考虑到铝水包的重要性在满足机械性能及使用环境的条件下，为了最大的保证了使用的安全，采用以上的结构比较合理。
4、耳轴的强度设计：
4.1受力分析：
铝水抬包耳轴受力主要考虑受静载荷、起吊瞬间冲击载荷在耳轴圆角处的应力集中。（耳轴同吊杆间采用平键连接，抬包倾翻时产生的扭矩，不对耳轴静载荷、起吊瞬间冲击载荷有影响，另作分析不作考虑）静载荷为铝水抬包的总重的一半。铝水抬包的总重包括铝水抬包设备本体重量、内衬及浇筑料重量、铝水抬包内铝水自重引起的力，这里为Q总。24.5
4.2安全系数：
安全系数是在机械设计中，零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。影响安全系数的因素很多。归纳起来有：失效的形式是否弄清，是静载破坏还是疲劳破坏，是屈服准则还是断裂准则；建立的强度判据是否合理，是应力判据还是寿命判据；采用的计算方法是否精确；制造时的质量控制是否严格；零件本身的重要性和要求达到的可靠程度等。安全系数的选取决定于失效形式。安全系数在很大程度上根据设计经验来确定。
考虑铝水抬包耳轴受铝水包内高温影响，及断后会产生严重的事故。根据以往我厂生产的9t、11t等铝水抬包的设计及使用过程中出现问题的总结。安全系数n选用n=6～8为宜。初步设计铝水抬包选安全系数n取8
4.3耳轴初步设计
耳轴的材质确认选取35#钢
35#钢材质屈服极限查机械设计手册得Бs=275MPa
初步先主要考虑耳轴弯矩
公式中，W——抗弯截面系数，
——耳轴转动惯量，
d——耳轴直径，mm。
最大弯矩（1）
公式中——总重
B——耳轴长度
耳轴长度设计选取140mm
代入公式（1）得
进一步推导出d
代入以上数值得出结果mm
根据计算结果初步选取耳轴直径d=140mm
5、耳轴的强度验算
从图（2）中可以看出耳轴根部受复合力影响最严重。
根据以上12吨铝水抬包初步设计得到铝水抬包总重，耳轴长度B=140mm，耳轴直径d=140mm，耳轴材质选取35#钢。则验算如下：
耳轴根部受到弯矩M
耳轴根部受重力垂直剪应力P240100=120050N
耳轴抗扭模量
耳轴截面积F==0.015386
弯曲应力==15.6MPa
耳轴垂直剪应力==MPa
根据第三强度理论进行校核=
查机械设计手册得 =1.7代入第三强度理论公式得
==37.5MPa
保险系数n===7.3 在6～8之间，通过验算可以看设计的耳轴合适。
6、结论
铝水抬包耳轴是铝水抬包吊装安全的部件之一，设计合理的结构及尺寸，不仅影响到设备成本，更是有重大的安全意义。本文通过以上对耳轴选择、受力分析计算、验算也可以为其它吊装类设备耳轴设计提供借鉴经验。
参考文献：
[1]成大先，王德夫等，机械设计手册，北京，化学工业出版社，2001.