螺旋输送机设计参数的选择和确定螺旋输送机设计参数的选择和确定 螺旋输送机设计参数的选择和确定 摘要:介绍了水泥工业螺旋输送机的工作机理,分析了螺旋输送机的主要参数对其使用性能和输送能力 的影响,阐明了螺旋输送机各设计参数的选择和确定原则及方法. 关键词:螺旋输送机;工作机理;参数选择;设计 中图分类号:TQ172.687文献标识码:A文章编号:1001—6171(20l0)O1—0029—05 DesignParameterSelectionofSpiralConveyer XIANGDong—zhi,XUYu—wei (Guansh...

  参数的选择和确定 螺旋输送机设计参数的选择和确定 摘要:介绍了水泥工业螺旋输送机的工作机理,分析了螺旋输送机的主要参数对其使用性能和输送能力 的影响,阐明了螺旋输送机各设计参数的选择和确定原则及方法. 关键词:螺旋输送机;工作机理;参数选择;设计 中图分类号:TQ172.687文献标识码:A文章编号:1001—6171(20l0)O1—0029—05 DesignParameterSelectionofSpiralConveyer XIANGDong—zhi,XUYu—wei (GuanshanBranchofWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:Theworkingprincipleofspiralconveyerwasintroducedhere.Theinfluenceofmai nparameters onconveyingcapabilitywasanalyzedbytheauthor.Designparameterselectionanddetermin ationfor spiralconveyerwereputforward. Keywords:Spiralconveyer;Workingprinciple;Parameterselection;Design 螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的 连续输送机械.它是利用工作构件即螺旋体的旋转运动 使物料向前运送,是现代化生产和物流运输必不可少的 重要机械设备之一,在国民经济的各个部门中得到了相 当广泛的应用,已经遍及冶金,采矿,动力,建材,轻工, 码头等一些重工业及交通运输等部门.主要是用来运送 大宗散货物料,如煤,矿石,粮食,砂,化肥等.在水泥工 业部门,螺旋输送机主要用来输送水泥生产所需要的原 料,同时还伴随进行一些工艺处理,如搅拌,混合等.螺 旋输送机类型较多,结构差异大,设计参数多,并且各参 数之间相互联系和相互影响,使得设计和选择工作复 杂,难度大,尤其是一些主要参数,若选择和组合不 当,将会极度影响螺旋输送机的生产效率和工作性能. 1螺旋输送机工作原理 螺旋输送机大致上可以分为水平和垂直螺旋输送机,可分 别沿水平,倾斜或垂直方向上输送物料,这两种机型也 是最常用的.螺旋输送机依照结构可分为双螺旋输送机 和单螺旋输送机,后者使用较多.螺旋输送机的安装方 式有固定式和移动式两种,大部分螺旋输送机采用固定 式. 水泥工业中的螺旋输送机大多数都用在原料的输送和 混合,一般都会采用实体螺旋叶片,中间吊挂轴承,等螺距的 单头普通螺旋输送机.其结构如图1所示,它由一根装 有螺旋叶片的转轴和料槽组成.转轴通过轴承安装在料 槽两端轴承座上,转轴一端的轴头与驱动装置相联.料 槽顶面和槽底开有进,出料口.其工作原理是:物料从进 料口加入,当转轴转动时,物料受到螺旋叶片法向推力 的作用,该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力,有 可能带着物料绕轴转动,但由于物料本身的重力和料槽 对物料的摩擦力的缘故,才不与螺旋叶片一起旋转,而 图1螺旋输送机结构示意图 通讯地址:武汉理工大学关山校区,湖北武汉430074;收稿日期:2008—09—12;编辑: 赵莲 作者简介:向冬枝(1932一),女,江苏无锡人,教授.研究方向:机械设计 2010/1水泥技术29 圈2物料受力分析图3物料运动速度分析图4螺旋面上速度的变化曲线 在叶片法向推力的轴向分力作用下,沿着料槽轴向移 动. 螺旋输送机在输送物料过程中,物料的运动由于受 旋转螺旋的影响,其运动并非是单纯的沿轴线作直线运 动,而是在一复合运动中沿螺旋轴运动,作一个空间运 动.设螺旋输送机的螺旋为标准的等螺距等直径,螺旋 面升角为的单头螺旋.当螺旋面的升角在展开的状 态时,螺旋线用一条斜直线来

  示.下面以距离螺旋轴 线r处的物料颗粒M作为研究对象,进行运动分析(图 2). 旋转螺旋面作用在物料颗粒M上的力为P,由于物 料与叶片的摩擦关系,P力的方向与螺旋面的法线方向 偏离了p角.p角的大小由物料对螺旋面的摩擦角P及 螺旋面的表面粗糙程度决定,对于一般热压或用冷轧钢 板拉制的螺旋面,可忽略其表面粗糙程度对B角的影 响,即认为t3=p.P力可分解为法向分力P,和径向分力 P:.物料颗粒M在P力的作用下,在料槽中进行着一个 复合运动,既沿轴向移动,又沿径向旋转,如图3所示, 既有轴向速度V.,又有圆周速度V,其合速度为V. 当螺旋体以角速度?绕轴回转时,距离螺旋叶片任 一 半径r处的O点物料颗粒M的运动速度可由速度三 角形求解.叶片上O点的线速度Vo就是物料颗粒M牵 连运动的速度,可用矢量OA表示,方向为沿O点回转 的切线方向;物料颗粒M相对于螺旋面的相对滑动速 度,平行于O点的螺旋线切线方向,可用矢量AB表示. 若不考虑叶片摩擦,则物料颗粒M绝对运动的速度V. 应是螺旋面上O点的法线方向,可用矢量OB表示.由于 物料与叶片有摩擦,物料颗粒M自O点的运动速度V 的方向应与法线偏转摩擦角P.对V进行分解,则可得到 物料颗粒自O点移动的轴向速度V.和圆周速度V.其 中,Vl就是料槽中物料的轴向输送速度,而V:则是对物 料输送的阻滞和干扰. 30 根据物料颗粒M运动速度图的分析,可得到物料轴 向移动的速度为:Vl=Vcos(a+O) 由于V1=V./cosp,V=Vo/sine~ 所以Vl=Vo—smc~cos(a+9)(1) cosp I1~Vo=tOr==S=n.S 由于cosot=1/V1+(S/2~r),tan~=S/2wr 所以(1)式又可写成: v:.__l(2) ..601+(s/2霄r1 同理可得圆周速度: V2=堕.璺(3) 601十(s/27rr],, 式中:S——螺旋螺距,mm n——螺旋转速,r/min f_物料与叶片问的摩擦系数,f=tan9,p为叶片 与物料的摩擦角,. —— 螺旋面升角,. 由式(2)及式(3),可得出物料在料槽内轴向移动速 度V和圆周速度V随半径r而变化的曲线可见,V:在螺旋轴后随半径的增加而减小,因此,物 料在螺旋内的移动过程中要产生相对滑动,V在半径长 度范围内随半径的增加而增加.可见,靠近螺旋轴的物 料的V.比外层的大,而V.却比外层的要小;反之,靠近 螺旋外侧的物料V大,V小.这将使内层物料较容易随 螺旋轴转动,因而产生一个附加的物料流.螺旋在一定 的转数之前,这种附加的物料流对物料运动的影响并不 显着.但是,当超过一定的转数时,物料就会产生垂直于 输送方向的跳跃的翻滚,起搅拌而不起轴向的推进作 用.这不仅会降低物料的输送效率,加速设备构件的磨 损,而且会增大螺旋功率的消耗.因此,为了尽最大可能避免这种现 CEMENTTECHNOL0GY1/2010 倾斜角度,.0 倾斜输送系数,1 5 表1倾斜输送系数 1015203O405O60708O90 0.970.940.920.880.820.760.700.640.580.520.46 填充系数p0.5O.460.46O.420.40O.38O.36O.350.35O.32O.32O.30 象的产生,螺旋的转数不允许超出它的临界转速. 2螺旋输送机主要设计参数分析 2.1输送量 输送量是衡量螺旋输送机生产能力的一个重要指 标,一般根据相关生产需要给定,但它与其他参数紧密关联. 在输送物料时,螺旋轴径所占据的截面虽然对输送能力 有一定的影响,但对于整机而言所占比例不大,因此,螺 旋输送机的物料输送量可粗略按下式计算: Q--3600F?入?Vl-s 式中:Q——螺旋输送机输送量,t/h F——料槽内物料层横截面积,m,F=q~D叮T/4,其 中,p为填充系数(见表1),D为螺旋叶片直径,mm 入——物料的单位容积质量,t/m,它同原料的种 类,湿度,切料的长度以及净化方式,效果等多种因素有 关,其值查阅相关的手册 ,——倾斜输送系数,考虑到螺旋输送机倾斜布置 时对物料的输送效果的影响,倾斜输送系数见表1. 在实际在做的工作中,通常不考虑物料轴向阻滞的影响, 因此物料在料槽内的轴向移动速度VSn/60. 所以Q--47D2S?n?p??,(4) 由式(4)能够准确的看出,,螺旋输送机的物料输送量与D, S,n,P,,,有关,当物料输送量Q确定后,能调整螺旋 外径D,螺距S,螺旋转速n和填充系数p等四个参数来 满足Q的要求. 2_2螺旋轴转速 螺旋轴的转速对输送量有较大的影响.一般说来, 螺旋轴转速加快,输送机的生产能力提高,转速过小则 输送机的输送量下降.但转速也不宜过高,因为当转速 超过一定的极限值时,物料会因为离心力过大而向外 抛,以致无法输送.所以还需要对转速n进行一定的限 定,不能超过某一极限值. 当位于螺旋外径处的物料颗粒不产生垂直于输送 方向的径向运动时,则它所受惯性离心力的最大值与其 自身重力之间应有如下关系: mfor?mg 即2wnr/60Vgr 考虑到不同的输送物料的影响 则彻…r/30~K,/mr 所以n=,/}=,/(5) 2Olo/1水泥技术3l 表2物料综合特性系数 物料块度磨琢性举例填充系数pK值 粉状无磨琢性面粉,米粉0.40,0.500.0387 粉状半磨琢性水泥,石灰0.30,0.400.0415 粒状半磨琢性小麦,玉米0.25,0.300.0558 粒状磨琢性砂石,化肥0.20,0.350.0632 块状无磨琢性豆粕,菜饼0.30,0.350.5840 块状半磨琢性煤,矿石0.15,0.2000795 液状无磨琢性面浆,纸浆0.55,0.600.0785 液状磨琢性混凝土,建材料0.50,0.550.0654 式中:K——物料的综合系数(见表2) g——重力加速度,nr/s n一——螺旋的最大转速,即临界转速,r/min 令A=30K/叮T,则式(5)可转化为常见的经验

  : n一=A/,/D(6) 式中:A——物料的综合特性系数,见表2. 因此,螺旋输送机的螺旋转速应根据物料输送量, 螺旋直径和物料的特性而定,在满足输送量要求的前提 下,螺旋转速不宜过高,更不允许超过它的临界转速, 即: n?n一(7) 式中:n——螺旋的实际转速,r/min 2-3螺旋叶片直径 螺旋叶片直径是螺旋输送机的重要参数,必然的联系 到输送机的生产量和结构尺寸.一般根据螺旋输送机生 产能力,输送物料类型,结构和布置形式确定螺旋叶片 直径. 将式(6)代入式(4),并设S=KD,K.为螺旋螺距与 直径的比例系数,一般取K=0.8,则式(4)为: Q--47KlA?p??8D 所以D-()丁 4-K_() 则D=K.()丁(8) D.^.S 式中:K——物料综合特性系数 物料综合特性系数为经验数值.一般说来,根据物 值231l2 料的性质,可将物料分成4类.第1类为流动性好,较轻 且无磨琢性的物料;第2类为无磨琢性但流动性较第1 类差的物料;第3类为粒度尺寸及流动性同第2类接 近,但磨琢性较大的物料;第4类为流动性差且磨琢强 烈的物料.各种物料的K值见表2. 螺旋叶片的直径通常制成标准系列,D=100,120, 150,200,250,300,400,500和600ram,目前发展到D= 1000mm,最大可达1250mm.为限制规格过多过乱,国际 标准化组织在系统研究,试验的基础上制订了螺旋输送 机标准草案,

  螺旋直经采用R10基本系列优先数 系.根据式(8)计算出来的D值应尽量圆整成下列标准 直径,rnlll: 2.4螺距 螺距不仅决定着螺旋的升角,还决定着在一定填充 系数F物料运行的滑移面,所以螺距的大小直接影响着 物料输送过程.输送量Q和直D一定时,螺距改变,物 料运动的滑移面随着改变,这将导致物料运动速度分布 的变化通常螺距应满足下列两个条件:即考虑螺旋面 与物料的孽擦关系以及速度各分量间的适当分布关系 两个条件,未确定最合理的螺距尺寸. 从罔2可知,物料颗粒M所受螺旋面在轴向的作用 力P为: P=Pcos(十p)Pcos(d+p) 为使P0,一定要满足o~rr/2一p,因为在r.~n=d/2处的 最大(d为螺旋轴直径),P最小,所以许用螺距可由下 式求得: S…?rrdtan(,rr/2一P)或S…?~rd/f 若令kl=d/D,则S…?Trk1D/f 武中:-_一一物料与叶片问的摩擦系数 k.——螺旋轴直径系数,k.-0.3~0.6 另外,螺距的大小将影响速度各分量的分布.当螺 距增加时,虽然轴向输送速度增大,但是会出现圆周速 度不恰当的分布情况;相反,当螺距较小时,速度各分量 的分布情况较好,但是轴向输送速度却较小在确定最 大的许用螺距时,一定要满足的第二个条件是建立在使物 料颗粒具有最合理的速度各分量问的关系的基础t的, 即应使物料颗粒具有尽叮能大的轴向输送速度,同时又 使螺旋而一点的轴向输送速度大于圆周速度,即V? V,由此可得: Sn{+S/2~rr601+(S/2rrr)?兰一1-f—S/2— rrr, (9)602一_( 整得:S?2rtan(rr/4一p),此在2r=D处(在螺旋外 径处),放町将}式写成: S...?27rDtan(~r/4一P) 所以螺距S应满足以下两个条件: 32 S?1TkD/f lS?2nDtan(qT/4一p) (10) 物料的摩擦系数同物料在料槽里的运动取向,运动 速度,物料的尺寸,湿度以及螺旋叶片材料及表面状态 等有关.输送物料的摩擦系数可参考连续运输机设计手 册. 通常可按下式计算螺距: S=KD(11) 对于标准的输送机,通常螺距为K=0.8,1.0;当倾斜 布置或输送物料流动性较差时K?0.8;当水平布置时, K1=0.8,1.0. 2.5螺旋轴直径 螺旋轴径的大小与螺距有关,因为两者共同决定了 螺旋叶片的升角,也就决定了物料的滑移方向及速度分 布,所以应从考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各 分量的适当分布来确定最合理的轴径与螺距之间的关 系. 根据物料的运动分析可知,要保证物料在料槽中的 轴向移动,螺旋轴径处的轴向速度V.要大于0,即螺旋 内升角OL2rr/2-9,又因为tanp=f,tano~=S/crd,所以螺距 与轴径之间的关系一定要满足的条件之一是: d?S Tr f121 实践证明,对大多数螺旋输送机来说,一般其螺旋 体的结构均能满足第一个条件的要求,但对螺旋体直径 较小(例如D=100mm)的螺旋输送机来说,其O/.不一定可以 满足第一个条件的要求,因而在确定较小直径螺旋体的 S和d时,一定要进行这项验算工作. 轴径与螺距的关系还应满足的第二个条件是:螺旋 轴径处的轴向速度V要大于圆周速度V,即VV,由 式(9)整理可得: d? l—t (13) 根据式(9)计算,当f取0.3,s=(0.8-1)D时,d? (0.47,0.59)D;当f值增加时,d/D值还要增加.也就是说, 根据式(13)计算得出的轴径相当大,这势必降低有效输 送截面.为了能够更好的保证足够的有效输送截面,来保证输送 能力,就得加大结构,使得输送机结构粗大笨重,成本增 加.所以,螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结构 的综合,在能够很好的满足输送要求的前提下,直尽可能使结 构紧凑由于螺旋输送机的填充系数较低,只要保证靠 近叶片外侧的物料具有较大的轴向速度,且轴向速度大 于圆周速度即可. 一 般轴径计算公式为 d=fO-2,0.35)Dfl41 CEMENTTECHN0I0GY1/2010 l薯甍 2.6填充系数 物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的 消耗有特别大的影响.当填充系数较小时,物料堆积高度较 低,大部分物料靠近螺旋外侧,因而具有较高的轴向速 度和较低的圆周速度,物料在输送方向上的运动要比圆 周方向显着得多,运动的滑移面几乎平行于输送方向, 这时垂直于输送方向的附加物料流减弱,能量消耗降 低;相反,当填充系数较高时,物料运动的滑移面很陡, 其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强,这将导致 输送速度的降低和附加能量的消耗.因而,填充系数适 当取小值较有利,一般取50%.此外,倾斜角度的大小 对填充系数也有一定的影响.各种物料的填充系数p值 可参考表1. 2.7倾斜角度 螺旋输送机的倾斜角度对于螺旋输送机输送过程 的生产率和功率消耗都有影响,一般它是以一个影响系 数的形式来体现的,倾斜输送系数见表1.螺旋输送机输 送能力将随着倾斜角度的增加而迅速降低,同时,螺旋 输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送效果.另外 倾斜角度的大小还会影响填充系数,倾斜角度对填充系 数的影响如表1.倾斜角度越大,允许的填充系数越小, ,在满足使用条件的 螺旋输送机的输送能力越低.因此 前提下,螺旋输送机尽可能的避免倾斜布置,而最好采用水 平布置;若工艺需要采用倾斜布置,为了更好的提高输送效率, 倾斜角度也不宜太大,一般倾斜角度~/=10~20..若一级 不能满足规定的要求,可采用多级倾斜布置,以减少损耗. 2.8传动功率 螺旋输送机的驱动功率,是用于克服在物料输送过 程中的各种阻力所消耗的能量,最重要的包含以下几个部 分:(1)使被运物料提升高度H(水平或倾斜)所需的能 量;(2)被运物料对料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能 量?肖耗;(3)物料内部颗粒间的相互摩擦引起的能量消 耗;(4)物料沿料槽运动造成在止推轴承处的摩擦引起 的能量消耗;(5)中间轴承和末端轴承处的摩擦引起的 能量消耗.从另外的角度,也能这样分:物料与料槽问 摩擦消耗的功率;物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率; 轴承处摩擦消耗的功率;提升物料及物料颗粒间相互运 动消耗的功率. 这样,螺旋输送机的电动机驱动功率,就由机构运 动过程中所产生的阻力来决定.阻力主要由以下几个部 分组成:(1)物料与料槽之间的磨擦力阻力;(2)物料对 螺旋的摩擦阻力;(3)物料倾斜向上输送时的阻力;(4) 物料悬挂轴承下的堆积阻力;(5)物料被搅拌所产生的 阻力;(6)轴承的摩擦阻力.在计算功率的时候,为简便 起见,可以总结螺旋输送机功率为以下几个主要部分, 2010/1水泥技术33 即总的轴功率P应包括物料运行需要功率P,空载运转 所需功率P2,以及由于倾斜引起的附加功率等三个部 分,并且 PJ=QLtx/367;P2=DL/20;P3==QH/367=QHsinp/367; 所以P=P1+P2+P3:QL/367+DL/20+QHsinp/367(15) 式中:P——螺旋输送机的驱动功率,kW Q——输送量,t/h L——输送距离,1TI H——倾斜高度,1TI,H=Lsin[3 D——螺旋外径,nl —— 物料运行阻力系数 对于电动机驱动功率为: N:?旦(16) 式中:?——功率储备系数,一般取1.2-1.4 —— 电动机传动效率,?0.9,一般为了方便取 以0.9计算. 对于连续运行系统中的螺旋输送机,由于总系统 连续作业,且自动化程度很高,任何一个部位出现故障 都会影响总系统的正常运转,所以,这种场合使用的 输送机应有较大的功率储备. 3结束语 螺旋输送机对于减轻繁重的体力劳动,提高劳动生 产率,实现物料输送过程的机械化和自动化,都具有重 要的现实意义.螺旋输送机的设计主要是根据输送物料 性质,输送量,输送距离,输送倾角等条件确定螺旋输送 机的结构和几何尺寸.设计参数主要有两类,一类为设 计常量,它是根据客观规律,具体条件所确定的已知数 据或者是预先给定的参数;另一类为设计变量,它是设 计中变化的,需要确定的结构参数.无论是哪类参数,它 们都是不孤立的,而是相互联系,相互制约的.因此,我 们必须掌握它们之问的这种复杂的变化及规律,在满足 使用上的要求的前提下,寻找最佳参数组合.同时,由于具体 情况不同,在确定螺旋输送机的主要参数时,要从其输 送机理,物料的特性等方面人手,尽可能进行多种试验, 取得一些设计参数,从而设计出较符合实际情况的螺旋 输送机. 参考文献: .粮食装卸输送机械[MI.北京:中国财政经济出版,1984. 『11朱斌昕 [21蒋琼珠.连续运输机[M1.北京:人民交通出版社,1986. [3]张荣善.散料输送与贮存【M].北京:化学工业出版社,1994. [4l张东海.螺旋输送机的优化研究[DI.大连:大连理工大学硕士

  , 2006. [5】黄石茂.螺旋输送机输送机理及其主要参数的确『JI.』一东造纸,1998 (3):27—31.

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