本实用新型涉及锥形混合设备技术领域，特别涉及一种锥形混合设备的螺旋轴及锥形混合设备。
背景技术：
锥形单螺旋混合机是单螺旋混合设备，沿其锥形筒体内壁的母线分布有一根螺旋轴，该混合机的搅拌原理是：螺旋轴围绕自己的轴中心线转动(称之为“自转”)；同时螺旋轴还借助于公转臂环绕锥形筒体的中心轴回转，使螺旋轴在锥体壁附近做行星运动(称之为“公转”)。锥形单螺旋混合机是借助螺旋的公、自转使物料在锥体内产生复合运动，从而达到均匀混合的目的。螺旋轴自转方向以使物料从锥体底部向锥体顶部运动为正方向(严禁反方向旋转)。锥形单螺旋混合机按螺旋轴安装形式又可分为下支撑、上浮动的“锥形单螺旋混合机”和悬臂的“锥形悬臂单螺旋混合机”两种。
目前，锥形悬臂单螺旋混合机中螺旋轴的结构为四部分进行焊接组成，如图1所示。其中该螺旋轴1＇包括：带法兰的实心锻件，称为轴头11＇；空心的厚壁管，称为管轴12＇；螺旋叶片13＇；管轴的堵头，称为堵头14＇。
在螺旋轴中，轴头与管轴的组焊是十分关键，该部位直接影响了螺旋轴的使用寿命。在这里进行重点阐述。原先轴头与管轴的组焊结构为：轴头一端在法兰外加工出与管轴内径相配的轴外径，长约300mm。管轴在离轴端50mm处加工宽50mm，长200mm的三个长圆槽。将轴头插入管轴300mm深之后，在法兰与轴管的交接处进行角焊连接，该角焊焊缝15＇是腰高10mm的强度焊；在管轴的长圆槽内与轴头进行塞焊焊接。从理论上来说，法兰与轴管的交接处的角接焊缝15＇主要承担螺旋轴的主体重量及物料提升翻抛的能量；管轴的长圆槽内与轴头的塞焊焊缝16＇主要承担螺旋轴转动扭矩。然而，在实际使用中不到3个月就出现了断裂、塞焊处滑脱分离等事故。
为此，对螺旋轴的断裂情况进行了分析：
原设计螺旋轴的转动扭矩主要由管轴的三处长圆形塞焊焊缝来承担。当管轴的三处长圆形塞焊焊缝与法兰轴端没有完全熔合，造成假焊时，无法完全承担螺旋轴的转动扭矩，此时必须由法兰与轴管的交接处进行角焊缝来承担。但是，由于角焊缝的腰高及角焊缝的内部质量较难保证，以及角焊缝处的产生的焊接应力也比较大，又螺旋轴的转动时此处产生的应力是交变应力。因此，由它来承担轴的转动扭矩是困难的。运转一段时间后，会在轴管与法兰处的焊缝产生疲劳裂纹，最终导致轴管与法兰断裂而脱离。
在锥形混合设备中螺旋轴是一个十分关键的部件。锥形悬臂单螺旋混合机中螺旋轴可看作为倒挂在公转臂上、与垂直面偏转17°的悬臂梁，其受力情况非常复杂。悬臂梁的法兰固定端处受到的作用力最大，远端变形位移最大。特别是锥形悬臂单螺旋混合机的螺旋轴在密度与粘度较大的物料的混合过程中，受到的作用力更大。更容易使螺旋轴发生弯曲和断裂。当综合应力大于或等于疲劳强度限时，螺旋轴就会疲劳而产生疲劳裂纹，最后导致疲劳断裂。因此，严重影响了螺旋轴的使用寿命。通常只能使用2个月。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中锥形混合设备中螺旋轴易发生断裂从而影响设备的使用寿命的缺陷，提供一种锥形混合设备的螺旋轴及锥形混合设备。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种锥形混合设备的螺旋轴，其包括有：轴头和管轴，所述轴头具有连接法兰和延伸柱，所述连接法兰固定在所述延伸柱的固定端，所述管轴具有管壁，所述管壁的连接端焊接在所述延伸柱远离所述固定端的连接端。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述管壁的连接端与所述延伸柱的连接端通过对接焊接的方式焊接对接。通过本优选实施方案，在轴头与管轴的焊接处采用焊透的对接焊接接头，利用对接焊接接头的焊接应力较小的特点，降低轴头与管轴的焊接处所承受的应力大小，同时也减少了焊接工作量。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述延伸柱的连接端设有对接台，所述对接台沿所述延伸柱的轴向方向凸出，所述对接台的顶面的直径小于所述延伸柱的外径，所述对接台的顶面与所述延伸柱的柱面之间的连接面与所述管壁的连接端之间形成对接口，所述对接口中填充焊锡。通过本优选实施方案，在延伸柱和管壁之间的焊接处，利用对接台的连接面、对接台的顶面边缘以及管壁的连接端形成的坡口形状的对接口，在该对接口处进行对接焊接，减少母材厚度，有助于将对接口焊透。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述对接台的顶面具有凹陷部，所述凹陷部的外径与所述管壁的内径相同。通过本优选实施方案，避免在轴头的连接端出现集中的应力。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述对接台的顶面的外径与所述管壁的内径相同。通过本优选实施方案，避免在对接台的顶面的边缘出现集中的应力。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述对接台的顶面具有衬环。通过本优选实施方案，采用衬环增加对接口的轴向长度，使轴头与管轴的焊缝进一步远离连接法兰与延伸柱之间的最大受力处。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述管壁的连接端具有环形斜面，所述连接面为环形坡面，所述环形斜面与所述连接面面对面设置。通过本优选实施方案，增加轴头与管轴之间的焊接面积，有助于焊透和避免应力集中在一个位置。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述延伸柱的柱面、所述焊锡圆周面以及所述管轴的柱面齐平。通过本优选实施方案，采用适当加工锻件的轴头，使轴头与管轴的焊接形成位于轴头的连接端的焊锡层与管壁的厚度相等，避免集中应力的出现，有效提高了抗疲劳能力。
较佳地，在本实用新型的锥形混合设备的螺旋轴中，所述延伸柱在其轴向方向上的长度为500毫米。通过本优选实施方案，使轴头与管轴的焊缝能避开连接法兰与延伸柱之间相连接位置的最大受力处，使螺旋轴的应力下降约10％左右，进一步保证该应力值相比于螺旋轴的材料疲劳强度限处于安全范围内。
一种锥形混合设备，其包括有：倒锥形筒体；公转机构，设置在所述倒锥形筒体的底部并绕所述倒锥形筒体的轴线作圆周运动；如前文描述的锥形混合设备的螺旋轴，所述螺旋轴设置于所述倒锥形筒体中，所述连接法兰固定在所述公转机构上，所述管轴沿所述倒锥形筒体的母线延伸至所述倒锥形筒体的顶部。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型提供的锥形混合设备的螺旋轴及锥形混合设备，将轴头与管轴的焊接位置外移离连接法兰和延伸柱之间具有轴径突变的连接处，使轴头与管轴之间的焊缝避开了螺旋轴的最大受力处，使螺旋轴在该焊缝处所受的应力相比于螺旋轴的材料疲劳强度限是处于相对安全的范围内，使螺旋轴的使用寿命相比于现有技术延长了几倍。
附图说明
图1为现有技术中螺旋轴的结构示意图。
图2为本实用新型一实施例中螺旋轴的结构示意图。
图3为本实用新型一实施例中螺旋轴的轴头的一种结构示意图。
图4为本实用新型一实施例中螺旋轴的轴头的另一种结构示意图。
图5为本实用新型一实施例中螺旋轴的管轴的结构示意图。
图6为本实用新型一实施例中锥形混合设备的结构示意图。
附图标记说明：
螺旋轴1＇
轴头11＇
管轴12＇
螺旋叶片13＇
堵头14＇
角接焊缝15＇
塞焊焊缝16＇
螺旋轴1
轴头11
连接法兰111
延伸柱112
对接台1121
延伸柱的柱面1122
连接面1123
凹陷部1124
衬环1125
管轴12
管壁121
斜面1211
管轴的柱面122螺旋叶片13
堵头14
对接口15
焊锡圆周面16
倒锥形筒体2
驱动轴3
公转臂4
中间轴5
短轴6
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
如图2至图5所示，本实用新型的实施例提供了一种锥形混合设备的螺旋轴1，其包括有：轴头11和管轴12，轴头11具有连接法兰111和延伸柱112，连接法兰111固定在延伸柱112的固定端，管轴12具有管壁121，管壁121的连接端焊接在延伸柱112远离固定端的连接端。
具体来说，图1所示的现有技术中的螺旋轴1断裂的主要原因是由于疲劳应力达到或超过了螺旋轴1的材料的疲劳强度限而造成的疲劳断裂，这反应为实际使用过程中已断裂的螺旋轴1的断裂面呈现出典型的疲劳脆性断裂的特征。在现有的螺旋轴1中，轴头11与管轴12的组焊采用了以管轴12的壁厚为基础的与轴头11的连接法兰111进行角接连接，导致了仅由管轴12的壁厚决定管轴12的强度，而轴头11的内部实心轴根本不起作用的现象，又由于连接法兰111的厚度与管轴12的壁厚相差较大，在角接处会产生集中应力，同时角接焊缝会产生较大的焊接应力，当综合应力与集中应力和较大的焊接应力的叠加，使叠加后的应力大于或等于疲劳强度时，就会造成螺旋轴1的疲劳断裂。在螺旋轴1转动过程中，转动扭矩主要由三处长圆形的塞焊焊缝来承担，由于塞焊工艺较容易造成假焊现象，使塞焊焊缝无法完全承担螺旋轴1的转动扭矩，此时该转动扭矩必须由连接法兰111和延伸柱112的交接处的角焊缝来承担。因此，本实施例通过改变螺旋轴1的应力受力点、充分发挥材料的作用，来避免螺旋轴1的疲劳断裂，延长螺旋轴1的使用寿命，使螺旋轴1的最终使用寿命可达6个月以上。
在本实施例中，螺旋轴1仍然为包括轴头11、管轴12、螺旋叶片13和堵头14这四个部分进行焊接组成的主体结构，轴头11和堵头14分别设置在管轴12的两端，螺旋叶片13以螺旋状环设在管轴12和轴头11上，从堵头14延伸至连接法兰111处，在轴头11的连接法兰111与延伸柱112的交接处的外侧的轴径的外径加工成与管轴12的外径相同。连接法兰111和延伸柱112之间没有焊接而是做成一个整体锻件，该锻件可进行热处理获得理想的力学性能，该锻件仅仅增加了轴部分的长度，其加工及重量增加不多，在连接法兰111与延伸柱112相连接的轴径突变处采用R10的圆弧过渡，在最危险截面获得材料的最大化，在最危险截面处有效增加了截面面积、抗弯截面模数、抗扭截面模数和惯性矩，有效降低了最危险截面的应力状态，使应力远小于材料的疲劳强度限，锻件材料得到充分应用。轴头11和管轴12的焊接位置均发生了改变，其中，焊接位置由轴头11的连接法兰111与延伸柱112的连接处改为轴头11的延伸柱112与管轴12的连接端，使得轴头11与管轴12之间焊缝的焊接位置与连接法兰111和延伸柱112相连接位置的最大受力处相隔一段距离，避免了现有的螺旋轴1中在角焊缝处产生较大的焊接应力和交变应力以及无法承担转动扭矩致使焊缝产生疲劳裂纹而导致连接法兰111和延伸柱112发生断裂脱离的问题。
如图2所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，管壁121的连接端与延伸柱112的连接端通过对接焊接的方式焊接对接。具体来说，本实施例的螺旋轴1中，轴头11和管轴12之间的焊接节点的结构由角焊连接改变为对接焊连接，取消了用于塞焊的长圆槽以及管轴12与轴头11的塞焊焊接，减少了焊接工作量，本优选实施方案所采用的对接焊接，采用氩弧焊打底，保证底部焊透、全熔合，除底部外的其余部分可采用其他方法焊接直至将焊缝处盖面。通过本优选实施方案，在轴头11与管轴12的焊接处采用焊透的对接焊接接头，利用对接焊接接头的焊接应力较小的特点，降低轴头11与管轴12的焊接处所承受的应力大小，同时也减少了焊接工作量。
如图3所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，延伸柱112的连接端设有对接台1121，对接台1121沿延伸柱112的轴向方向凸出，对接台1121的顶面的直径小于延伸柱112的外径，对接台1121的顶面与延伸柱的柱面1122之间的连接面1123与管壁121的连接端之间形成对接口15，对接口15中填充焊锡16。具体来说，对接台1121是从延伸柱112上延伸出的轴径渐小的结构，在轴头11与管轴12对接时，对接台1121的连接面1123和管壁121的连接端就形成了一个环状对接口15，在该对接口15中填充焊锡进行对接焊作业。通过本优选实施方案，在延伸柱112和管壁121之间的焊接处，利用对接台1121的连接面1123、对接台1121的顶面边缘以及管壁121的连接端形成的坡口形状的对接口15，在该对接口15处进行对接焊接，减少母材厚度，有助于将对接口15焊透。
如图3所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，对接台1121的顶面具有凹陷部1124，凹陷部1124的外径与管壁121的内径相同。具体来说，如果在轴头11和管轴12之间的焊缝处和管壁121的厚度不一，会造成应力集中于一个位置造成应力集中的现象，很容易在该处产生疲劳裂纹影响使用寿命，因此为解决这一问题，在对接台1121的顶面开设一个外径与管壁121的内径相同的凹陷部1124，使得焊缝处与管壁121的厚度接近甚至相同，避免应力集中。通过本优选实施方案，避免在轴头11的连接端出现集中的应力。
如图2和图3所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，对接台1121的顶面的外径与管壁121的内径相同。具体来说，如果在轴头11和管轴12之间的焊缝处和管壁121的厚度不一，会造成应力集中于一个位置造成应力集中的现象，很容易在该处产生疲劳裂纹影响使用寿命，因此为解决这一问题，将对接台1121的顶面设计成外径与管壁121的内径相等，即对接台1121的顶面外圆周与管壁121的内圆周正好对接，使得焊缝处与管壁121的厚度接近甚至相同，避免应力集中。通过本优选实施方案，避免在对接台1121的顶面的边缘出现集中的应力。
如图4所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，对接台1121的顶面具有衬环1125。具体来说，衬环1125可以使在对接台1121的顶面加工形成的成带的衬环1125，也可以是附加在对接台1121的顶面上的衬环1125。通过本优选实施方案，采用衬环1125增加对接口15的轴向长度，使轴头11与管轴12的焊缝进一步远离连接法兰111与延伸柱112之间的最大受力处。
如图3和图5所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，管壁121的连接端具有环形斜面1211，连接面1123为环形坡面，环形斜面1211与连接面1123面对面设置。具体来说，在轴头11和管轴12之间，延伸柱112的连接端具有轴径沿径向方向渐小的对接台1121，该对接台1121的顶面的内径加工成与管壁121的内径相同，使两者对接时形成深约50毫米的孔，连接面1123加工成具有30°倾角的环形坡面，形成焊接坡口角，具有1～2毫米的钝边，在管壁121的连接端上同样加工成具有30°倾角的环形斜面1211，形成焊接坡口角，具有1～2毫米的钝边，将轴头11的焊接坡口与管轴12的焊接坡口进行对接，形成间隙为2～3毫米，钝边为1～2毫米，坡口角为60°的对接焊接接头形式，在该处填充焊锡形成焊锡16，将坡口角盖面，形成焊缝。通过本优选实施方案，增加轴头11与管轴12之间的焊接面积，有助于焊透和避免应力集中在一个位置。
如图2所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，延伸柱的柱面1122、焊锡圆周面16以及管轴的柱面122齐平。通过本优选实施方案，采用适当加工锻件的轴头11，使轴头11与管轴12的焊接形成位于轴头11的连接端的焊锡层与管壁121的厚度相等，避免集中应力的出现，有效提高了抗疲劳能力。
如图2所示，优选地，在本实施例的锥形混合设备的螺旋轴1中，延伸柱112在其轴向方向上的长度为500毫米。具体来说，将承受应力的最危险截面设置于离连接法兰111和延伸柱112相连接位置的最大受力处500毫米的轴头11与管轴12的焊缝处，减少了最危险截面所承受的应力。在现有技术中，连接法兰111和延伸柱112相连接的轴径突变处的综合应力σ1＝140.3(MPa)、搅拌轴远端综合扰度f1＝6.15(mm)，由于集中应力和焊接应力的叠加，其实际受到的应力则远远大于140.3(MPa)，可能已达到螺旋轴1的材料疲劳强度限，导致连接法兰111和延伸柱112相连接的轴径突变处疲劳断裂。在本实施例中，连接法兰111和延伸柱112相连接的轴径突变处的综合应力σ2＝127.3(MPa)、搅拌轴远端综合扰度f2＝3.97(mm)，首先综合应力比现有技术减少了一成，其次在焊接处因截面变化不大，集中应力就比较小，再加上在焊接完毕后会进行降低焊接应力的工序，焊接应力也下降到最小，此时焊接处所受应力小于材料疲劳强度限，因此可正常使用。通过本优选实施方案，使轴头11与管轴12的焊缝能避开连接法兰111与延伸柱112之间相连接位置的最大受力处，使螺旋轴1的应力下降约10％左右，进一步保证该应力值相比于螺旋轴1的材料疲劳强度限处于安全范围内。
如图6所示的是一种锥形混合设备，其包括有：倒锥形筒体2；公转机构，设置在倒锥形筒体2的底部并绕倒锥形筒体2的轴线作圆周运动；如前文描述的锥形混合设备的螺旋轴1，螺旋轴1设置于倒锥形筒体2中，连接法兰111固定在公转机构上，管轴12沿倒锥形筒体2的母线延伸至倒锥形筒体2的顶部。具体来说，在锥形混合设备中螺旋轴1是一个十分关键的部件，在本实施例中，公转机构包括驱动轴3、公转臂4、中间轴5和短轴6，驱动轴3设置在倒锥形筒体2的轴线上自转，中间轴5与驱动轴3通过传动齿轮副连接并被驱动轴3驱动自转，中间轴5外套设有公转臂4，公转臂4随着驱动轴3的自转绕倒锥形筒体2的轴线带动中间轴5公转，中间轴5和短轴6通过传动齿轮副连接并带动短轴6自转，短轴6通过与公转臂4的连接绕倒锥形筒体2的轴线公转，短轴6与螺旋轴1同轴连接带动螺旋轴1自转，同时螺旋轴1又由于公转臂4在倒锥体的内壁附近做行星运动。在本实用新型中，螺旋轴1可看作为倒挂在公转臂4上、与垂直面偏转17°的悬臂梁，其受力情况非常复杂，螺旋轴1的连接法兰111的固定端处受到的作用力最大，螺旋轴1的远端变形位移最大，因此，采用上文所描述的螺旋轴1的结构，能够有效减少连接法兰111的固定处所受到的应力。
本实用新型提供的锥形混合设备的螺旋轴1及锥形混合设备，将轴头11与管轴12的焊接位置外移离连接法兰111和延伸柱112之间具有轴径突变的连接处，使轴头11与管轴12之间的焊缝避开了螺旋轴1的最大受力处，使螺旋轴1在该焊缝处所受的应力相比于螺旋轴1的材料疲劳强度限是处于相对安全的范围内，使螺旋轴1的使用寿命相比于现有技术延长了几倍。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型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实用新型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实用新型的保护范围。