1711_LS型螺旋输送机设计

1711_LS型螺旋输送机设计,_ls,螺旋,输送,设计 南昌航空大学学士学位论文11 引言螺旋输送机俗称“绞龙” ，是一种无挠性牵引构件的连续输送设备，它借助旋转螺旋输送叶片的推力将物料沿着机槽进行输送。螺旋输送机被广泛地使用在各种工业部门，如建材、电力、化工、冶金、煤炭、机械、轻工、粮食及食品行业。螺旋输送机对输 滚动，滑轮轴承互换结构，并设防尘密封装置，密封件用尼龙用塑料，因而其密封性好，耐磨性强，阻力小，寿命长。滑动轴瓦有需加润滑剂的铸铜瓦，合金而磨铸铁瓦和铜基石墨少油润滑瓦，出料端设有清扫装置，整机噪声低，适应性强，操作维修方便，进出料口位置布置灵活。LS 型螺旋输送机的特点及应用范围:LS 型螺旋输送机是采用国际标准产品,等效采用 ISO1050-75 标准,设计制造符合 ZBJ1005.1-2-88 专业标准。其技术指标先进，结构新颖，是我国九十年代替代GX型螺旋输送机的换代产品。LS 型螺旋输送机与 GX型相比，其头部、尾部轴承移至壳体外，吊轴承采用滚动，滑轮轴承互换结构，并设防尘密封装置，密封件用尼龙用塑料，因而其密封性好，耐磨性强，阻力小，寿命长。滑动轴瓦有需加润滑剂的铸铜瓦，合金而磨铸铁瓦和铜基石墨少油润滑瓦，出料端设有清扫装置，整机噪声低，适应性强，操作维修方便，进出料口位置布置灵活。LS 型螺旋输送机的应用范围：螺旋机被广泛地使用在各种工业部门，如建材、电力、化工、冶金、煤炭、机械、轻工、粮食及食品行业。LS 螺旋输送机对输送物料的要求，粉状、粒状和小块状物料，如：水泥、煤粉、粮食、化肥、灰渣、砂子等，物料温度不得超过 200，螺旋机不宜输送易变质的、粘性大的、易结块的物料。因为这些物料在输送时会粘结在一螺旋上，并随之旋转而不向前移动，或者在吊轴承处形成物料的积塞而使螺旋机不能正常工作。LS 螺旋机的工作环境应在-2050之间，允许稍微倾斜使用，最大倾角不得超过 20。2 螺旋输送机主要构件的设计和选用2.1 螺旋输送机的一般结构螺旋输送机的一般结构如图 1-1 所示。它由料槽、螺旋叶片和转动轴组成的螺旋体、两端轴承、中间悬挂轴承及驱动装置所组成。螺旋体由两端轴承和中间悬挂轴承支承，由驱动装置驱动。螺旋输送机工作时，物料由进料口进入料槽，在旋转南昌航空大学学士学位论文2螺旋叶片的推动下，沿着料槽作轴向移动，直至卸料排出。螺旋输送机的基本机型有水平螺旋输送机、垂直螺旋输送机以及处于两者之间的倾斜螺旋输送机。此外，还有许多其他型式的兼有工艺过程和特殊作用的螺旋输送机。2.1.1 螺旋输送机的类型1. 水平螺旋输送机水平螺旋输送机多采用“U”形槽体（也可采用圆筒槽体） 、较低的螺旋转速及固定安装的结构，见图 1-1。输送机工作时，物料从输送机的一端加入槽体，被输送到槽体的另一端或在任一希望的中间位置经槽体底部的开口卸出。2. 倾斜螺旋输送机输送倾角20 o 的螺旋输送机，一般与水平螺旋输送机的结构相同。输送倾角为20o90o 的螺旋输送机，一般采用短螺距螺旋及圆筒壮槽体，螺旋体的转速也需增加，其结构如同垂直螺旋输送机，如图 1-2。南昌航空大学学士学位论文33. 垂直螺旋输送机垂直螺旋输送机可垂直提升一般的散状物料，物料颗粒大小一般12mm。垂直螺旋输送机的槽体为封闭的圆筒，螺旋体的转动可采用底部驱动或顶部驱动。垂直螺旋输送机的优点是结构简单，所占空间位置小，制造成本底；缺点是输送量小，输送高度一般不超过 8m。2.1.2 螺旋输送机的特点螺旋输送机的主要优点：结构简单，制造成本较低，易于维修，机槽密闭性较好，可以多点进料和多点卸料，一台输送机可同时向两个方向输送物料，在输送过程中还可以进行物料的混合、搅拌、松散、加热和冷却等工艺过程。螺旋输送机的主要缺点：在输送过程中，由于物料与机槽及螺旋体的摩擦以及螺旋体对物料的搅拌翻动，致使机槽和螺旋叶片易于磨损，同时对物料具有一定的破碎作用，且输送功率消耗较大。螺旋输送机对超载敏感，需要均匀进料，否则容易产生堵塞现象。当螺旋输送机倾斜或垂直布置时，其功率将大大下降；输送长度受到限制。螺旋输送机适宜输送粉状、颗粒状和小块状物料，不适宜输送长纤维状、坚硬大块状、易黏结成块及易破碎的物料（特殊型式的螺旋输送机也可以输送成件物品，如袋、包、箱等） 。螺旋输送机主要用于距离不太长的水平输送，或小倾角输送，少数情况亦用于大倾角和垂直输送。水平输送长度一般小于 40m，最长不超过 70m。倾南昌航空大学学士学位论文4斜输送高度一般不超过 15m。垂直输送高度一般不大于 8m。它的某些变形常被用作喂料、计量、搅拌、烘干、仁壳分离、卸料以及连续加压等设备。2.2 螺旋输送机的主要构件2.2.1 螺旋体螺旋体是由螺旋轴和焊接在轴上的螺旋叶片组成。根据输送工艺的要求，螺旋叶片有多种形式，常用的有满面式、带式、齿式、和桨式四种。如图 2-1 所示图 2-1a 所示为满面式螺旋叶片。螺旋叶片的一边紧贴在轴上，形成完整的螺旋面。这种叶片的构造简单，输送能力强，适宜输送散落性较好的、干燥的颗粒状或粉状物料，是使用最广泛的叶片形式。南昌航空大学学士学位论文5最常用的螺旋叶片为正螺旋面（又称直母线螺旋面） 。正螺旋面的母线是一条垂直于螺旋轴的直线。当该直线绕轴线作均匀转动且沿轴向作匀速直线运动时，所形成的曲面为等距正螺旋面。若该直线沿轴向变速移动，所形成的曲面为变距螺旋面。当母线与轴线不垂直时所形成的螺旋面称为非正螺旋面（又称弯曲母线螺旋面） 。采用母线为曲线的螺旋叶片可以提高螺旋输送机的输送效率，但是由于此种叶片难以制作，因而很少采用。图 2-1b 所示为带式螺旋叶片。螺旋叶片的一边通过杆件与轴相连，形成带式的螺旋面。这种叶片适宜输送小块状的或粘滞性的物料。由于粘性物料易于粘附在实面螺旋叶片及轴上，而带状叶片和轴之间留有空间，因此可避免物料粘附和堆积。这种叶片对物料有较强的搅拌作用，但生产率较低。满面式螺旋叶片构造简单，输送能力强，适宜输送散落性较好的、干燥的颗粒状或粉状物料，是使用最广泛的叶片形式。初步选用满面式螺旋叶片。根据原始数据 D=500mm，则初步计算螺旋轴直径 (0.2.35)dD取系数为 0.2，计算得 d=100mm螺旋叶片的螺距 s 可根据输送机的布置形式、输送物料的特性以及螺旋直径来选取，通常采用推荐的标准值。当采用标准螺旋直径时， (0.81.2)D因此，螺距 s 可写成通式 s=kD。取 k=0.8，计算得 s=400mm螺旋叶片上任一点的法线与螺旋轴线的夹角称该点的螺旋升角。螺旋升角 由下式确定。式中：s螺距（m）D1该点所在螺旋线的直径（m）所以，螺旋叶片的外侧升角 外 和内侧升角 内 分别为南昌航空大学学士学位论文6式中：D螺旋体的外径（m）d螺旋轴的外径（m）因为 Dd，故 内 外 ，即螺旋叶片的外侧升角 外 最小，内侧升角 内 最大。图 2-2 是满面式螺旋叶片的展开图。根据螺旋叶片在转动轴上盘绕方向的不同，可将螺旋叶片分为左旋和右旋两种。一种简单判断螺旋旋向的方法如 2-3 图所示。面对螺旋叶片，如果螺旋叶片的边缘顺右臂倾斜则为右螺旋，顺左臂倾斜则为左螺旋。物料的输送方向是由螺旋叶片的旋向及转动轴的旋转方向来决定的。物料的输送方向可采用左、右手定则来判别。右螺旋用左手判别，左螺旋用右手判别。弯曲的四指表示轴的旋转方向，而拇指所南昌航空大学学士学位论文7指方向即为物料的输送方向。如图 2-3 所示。在同一轴上盘绕两种旋向的螺旋叶片，可同时进行两个方向的物料输送。在工业上螺旋输送机的螺旋叶片通常采用厚度为 2mm12mm 的 35 号及 45号钢制成。在使用过程中，螺旋叶片尤其是叶片的外缘磨损较快，为了增加叶片的耐磨性，可对其进行热处理，使叶片表面硬化。螺旋输送体的形成通常是先用钢板制成分段螺旋叶片，再将分段的螺旋叶片彼此对焊在一起，并将其焊接固定在螺旋轴上，即组成螺旋体。螺旋体的制作方法主要有以下几种。缠绕成形法：将带钢缠绕在螺旋形模具的空隙内强制成形。缠绕时叶片外缘容易产生裂纹，叶片横截面容易发生弯曲，而且每种规格的叶片都要有专用的模具。冷轧成形法：将带钢通过冷轧机上一对锥形轧辊的辗压，形成连续多圈的环状件，再令其通过螺旋分导装置，则成为具有左（右）旋向并有一定螺距的螺旋叶片。这种方法制作的叶片其根部较厚，外边缘较薄。拉制成形法：先将钢板冲裁成带缺口发平面圆环，再经过冲压或锤锻加工成一定螺距的螺旋叶片，然后将若干个这样的螺旋叶片焊接或铆接的、成一串连续的螺旋面。用此方法生产的螺旋叶片整体厚度相同，但制造效率低而劳动强度较大。南昌航空大学学士学位论文8根据实际需求，螺旋叶片我们采用左旋方式，叶片采用厚度为 8mm 的 45 号钢制成。在使用过程中，因叶片的外缘磨损较快，为了增加叶片的耐磨性，对螺旋叶片进行热处理。螺旋输送机的轴一般采用空心轴（钢管）制成。这是因为轴体承受相同扭矩的情况下，空心轴所需的材料和重量都要比实心轴节省，且相互之间的连接也较方便。为了便于制造和装配，螺旋体一般制成 24m 长的节段，使用时将各节段连接起来。在轴与轴的连接处和安装轴承处需使用一小段实心轴，其联接方法如 2-4 图所示。即在联接处将实心轴伸入空心轴内，再在空心轴外面套一段长约 150mm 的套筒，然后再用螺栓按相互垂直方向对穿套筒与两轴紧固。当采用此种联结时，螺旋叶片应与套筒连接在一起。另一种联结方法是将实心轴伸入空心轴内，再用几只相适应的螺钉或销钉固定。此种方法主要用于快速螺旋输送机螺旋轴的连接。螺旋轴的直径 d 与所传递的扭矩有关。单纯输送砾石一般采用满面式螺旋叶片的输送机，其螺旋轴的直径常根据下述关系式确定。 （摘自机械设计 ）式中，D螺旋直径（mm） 。当螺旋直径 D 较大时应取该范围的下限，反之取该范围的上限，但选用后仍应南昌航空大学学士学位论文9对轴的强度进行校核。几种常用螺旋轴的系列尺寸见下表 2-1表 2-1 水平螺旋输送机螺旋体与螺旋轴的系列尺寸螺旋体直径D(mm)100 160 200 250 315 400 500螺旋轴直径 d(mm) 30 36 42 48 60 70 100在正常情况下冷轧钢的轴是可以满足的；当输送有腐蚀性或污染的物料也可采用不锈钢轴。输送机采用无润滑的铁制悬挂轴承时要用淬火的联结轴。而表面淬火的悬挂轴承要求配用表面淬火的轴。根据介绍，我们设计的螺旋输送机的轴材料选用 45 号钢，采用空心轴（钢管）制成，这样轴体承受相同扭矩的情况下，空心轴所需的材料和重量都要比实心轴节省，且相互之间的连接也较方便。为了便于制造和装配，螺旋体选用 2m、4m 、4m长的三节段，使用时将各节段连接起来。在轴与轴的连接处和安装轴承处需使用一小段实心轴，其联接方法如 2-4 图所示。螺旋轴的直径 d 与所传递的扭矩有关。单纯输送砾石一般采用满面式螺旋叶片的输送机，其螺旋轴的直径常根据下述关系式确定。式中，D螺旋直径（mm） 。由于螺旋直径 D 较大时应取该范围的下限，我们选取 0.2，得 d=80mm。空心轴壁厚 =20mm，=d 1/d=(d-2)/d=40mm/80mm=0.5。则)(1042.9)5.01(6/)08.143()(6/)( 35343 mdwt 由前面的总体计算我们可知，P=4.67KW ，则轴的扭矩为 )()/7.(95)/(950 MNnpT 则轴的最大切应力为 aatMax PPw452)(2.10)42./(1/5 所以螺旋轴满足强度要求。2.2.2 轴承螺旋输送机的轴承根据其安装位置和作用，可分为头部轴承、尾部轴承和中间悬挂轴承三种。南昌航空大学学士学位论文10头部轴承又称首端轴承，位于输送机的驱动端（卸料端） 。头部轴承除了承受径向载荷外，还要承受轴向载荷，因此该端采用止推轴承。这样的布置可使螺旋轴承受拉力，其工作条件比承受压力好。因为轴向压力会使螺旋轴受压而发生挠曲。头部轴承的结构如 2-5 图所示。螺旋加料机和某些短的螺旋输送机也可采用加料端驱动，此时螺旋处于受压状态。尾部轴承又称末端轴承，通常采用双列向心球面轴承，主要承受径向载荷和少量的轴向载荷。头部和尾部轴承常用凸缘安装式，轴承装于壳体两端的端盖外侧，以便检修和更换。对于长度在 3m 以上的螺旋输送机，为了避免螺旋轴受力弯曲，每隔 2m 左右应设置一中间悬挂轴承。由于螺旋叶片在悬挂轴承处必须断开，为了防止物料在此处堵塞，悬挂轴承的断面尺寸和长度尺寸都应尽量小。悬挂轴承一般采用滑动轴承，其轴衬由青铜、减磨铸铁、青铜及巴氏合金、硬质合金及硬铁、油浸木材或其他耐磨 材料制成。在某些情况下，也可采用滚动轴承进行可靠的密封。在各种情形中，轴承都要装设润滑油杯以进行润滑。常用悬挂轴承的结构如 2-6 图所示南昌航空大学学士学位论文11图 2-6在设计时中间悬挂轴承我们选用滚动轴承。悬挂轴承安装在机槽两侧壁上缘的角钢上，通过螺栓及两个螺母并紧。悬挂轴承座在支承角钢上应可以纵向移动，保持浮动状态，不得使悬挂轴承座固定在支承角钢上。当输送磨磋性较大的物料时，接近中间悬挂轴承处的螺旋面承受的推力较南昌航空大学学士学位论文12大，所以应将该部分的螺旋面加厚。很多情况下都要求对霎时间头部和尾部设置轴的防尘密封。采用密封压盖及槽体端部密封来防止槽体里的粉尘进入轴承或防止水分沿轴进入槽内。采用密封的滚动悬挂轴承，轴盖上有防尘密封结构，常用在不易加油，不加油或油对物料有污染的地方，密封效果好，寿命长，输送物料温度80。为滑动轴承，设有防尘密封装置，有铸铜瓦、合金耐磨铸铁瓦等，常用在输送物料温度较高（80）或输送液态物料。2.2.3 机槽螺旋输送机的机槽主要有 U 字型和圆筒型两种。图 2-7 所示是水平螺旋输送机机槽的形式。带有角钢法兰的截面为 U 字型的钢制螺旋槽体是最常用的，U 字型机槽一般用 210mm 的薄钢板制成，其两侧壁垂直，底部呈半圆形，两侧壁的上端边沿焊有纵向角钢，用以固定盖板及增强机槽的刚性，同时也用以固定悬挂轴承。机槽半圆的内径应大于螺旋叶片的半径，使其形成 48mm 的间隙。为了便于制造和安装，每节机槽长约 24m，节边用角钢加固并做成法兰边，以便用螺栓连接。机槽总长度超过 3.5m 时，为了避免其弯曲下垂，应每隔 23m 设置一支架承托。折边法兰的 U 型槽体，顶部法兰是由同一块钢板折边加工而成的槽体，这样制成的槽体重量轻而坚固。活动底的 U 型槽体快速、方便地清理输送机内部的场合，该槽体由上部刚性的槽钢与下部半圆形截面槽体所构成，半圆形槽体的一边为铰接，另一边则采用弹簧卡子夹紧或其他形式的快开联结装置。带有夹套的槽体在其夹套上焊有换热介质的进出口管，这种槽体广泛用于加热、冷却或干燥被输送的物料。矩形槽体适合于磨琢性强的物料。允许物料滞留在槽底，这样可以防止物料和槽底的直接摩擦。南昌航空大学学士学位论文13为了对机槽进行封闭，机槽上部安装有薄钢板制成的盖板。盖板用螺栓固定在槽体上端的角钢法兰上，或用弹簧卡子紧夹在槽体上。盖板可以开启，以便对机槽进行必要的检查。对要求防尘的顶盖还要在盖板下加垫密封。在盖板上开有进料口，在机槽底部开有卸料口，进料口和卸料口常做成方形（有时也采用圆形进料口） ，以便安装料管和平板闸门，如图 2-8 所示。闸门控制常用手推式、齿条式及电动推杆式几种。根据设计需要我们采用 U 字型。因为带有角钢法兰的截面为 U 字型的钢制螺旋槽体是最常用的。由于运输砾石的螺旋输送机对机槽的损伤较大，所以机槽由 10mm的薄钢板制成，其两侧壁垂直，底部呈半圆形，两侧壁的上端边沿焊有纵向角钢，用以固定盖板及增强机槽的刚性，同时也用以固定悬挂轴承。为了便于制造和安装，所设计的机槽为 4m、4m、2m 三节，为了避免其弯曲下垂，从输送端每隔 4m 设置一支架承托。其具体尺寸数据见总体设计。因为机槽较长，采用折边法兰的 U 型槽体。活动顶盖的与槽体的联结为簧卡子夹紧，盖板可以开启，这样便于需要时较快地打开顶盖。南昌航空大学学士学位论文14图 2-8进、出料口一般在全机安装固定后，根据工艺需要现场开口焊接。注意不要进、出料口位置安排在两端的轴承处和中间悬挂轴承处，也不要安装在机槽的支脚处和接头法兰处。圆筒型机槽又称机筒，一般采用薄壁无缝钢管制成，也可用 24mm 厚的钢板卷制并在接缝处连续焊接而成，或使用硬质塑料管。折边法兰对开管状槽体是由两个半圆形的带有折边法兰的槽体用螺栓连在一起而构成的管状槽体。圆筒型机槽的内径要比螺旋直径大些，它们之间的缝隙为 510mm。圆筒型机槽的密封性好、刚度大，用于垂直螺旋输送机和要求严格密封的场所。螺旋输送机的机槽在进行安装时，一定要注意对中和找直，否则，工作时由于剧烈而周期的挠曲应力，会发生轴的断裂，轴承的使用寿命也将大大减弱。常用的螺旋输送机进料布置如图 2-9 所示。南昌航空大学学士学位论文15固定进料时，可采用装料设施以便可靠地调节螺旋输送机的进料量。装料设施可采用管状槽体的螺旋给料机，使物料在预定速度下从料仓中将物料输出，或采用旋转叶轮给料机，以一定的转速排出物料，其给料量由转速确定。具有多点进料的螺旋输送机，必须有灵活可靠的进料调节装置。在给定时间里仅需打开一个进料口时，应限制闸门或开关装置在最大开度时不至于使输送机超载。当需要开启多个进料口同时进料时，必须小心地调节限制每一个进料口的流量，以使其总量不要超过输送机的设计能力。直接由固定储仓进料的螺旋输送机，若没有流量调节装置，则将大大地增加超载的危险。进料时由于物料块度或颗粒的惯性作用会产生冲击，有碰坏或磨损设备的可能，为此可在进口溜槽中安装折流挡板或缓冲腔来加以克服。由于我们的螺旋输送机用于砾石输送，且输送量大，所以采用较大的进料口，以保证最大的输送能力。常用的螺旋输送机卸料布置见图 2-10 所示。南昌航空大学学士学位论文16标准卸料是最广泛采用的卸料布置，采用标准卸料口来约束物料的卸出并直接将物料送入后续的设备或储存装置。终端卸料的卸料口位于螺旋输送机槽体的最末端。闸板卸料采用手轮或链轮操纵的齿条及小齿轮平闸板，进行有选择地定量卸料、闸板的操作方向可与输送机的轴呈平行或垂直。无接管的卸料口是在输送机槽体底部直接开口。开底卸料是在输送机槽体的底部按任意要求的长度开口卸出物料，用于向料斗、料仓的卸料及布料。槽体端部卸料是指物料直接通过输送机槽体端部的开口卸出，螺旋由局部端板支承，轴承安装在端部的法兰上，当输送机填充系数超过 0.45 时将不能采用这种卸料方法。端部敞开卸料时，输送机尾节螺旋采用标准的悬挂轴承支承。根据实际情况，选用标准的卸料布置，为防止物料满溢，在卸料口和槽体端部间装设一节与主螺旋呈相反方向的螺旋，以防止物料在最后卸料口前的堆积。2.2.4 驱动装置螺旋输送机的驱动装置由电动机、减速器及联轴器组成。图 2-11 所示是水平螺旋输送机常见的几种传动布置形式。图 2-11a 所示的是电动机及减速器组合驱动方南昌航空大学学士学位论文17式，由 Y 型电机与 ZQ 型减速器组成，有左装和右装两种装配形式。图 2-11b 所示是电动机及轴装减速器组合驱动装置，电动机安装在托架上。螺旋输送机的速度可通过调节不同直径的三角皮带轮而改变。当螺旋输送机输送物料量比较稳定时，传动装置可直接连接到螺旋输送机的轴上，从而使结构紧凑，运行可靠，如图 2-11c 所示的齿轮减速电动机通过联轴器直接驱动的形式。如果螺旋输送机进料量不稳定，经常出现超载运行时，传动装置可采用链条或三角皮带与输送机的轴连接，如图 2-11d 所示螺旋输送机的传动轴通过链传动连到减速器，减速器可以装在各种不同的位置上，因此布置比较灵活。这种布置可以通过调换不同直径的链轮来改变输送机的速度使其满足操作要求。功率较大的螺旋输送机，可通过液力偶合器传动，这样既可均匀地吸收物料量波动的影响，又可以保护电动机及设备瞬时超载及停机的影响。由于所设计的输送机运载量大，在使用过程中会出现如进料量不稳定，超载运行 等情况，因此我们选用齿轮减速电动机通过联轴器直接驱动的形式。南昌航空大学学士学位论文183 水平螺旋输送机的工作过程分析3.1 物料的运动分析和叶片的设计3.1.1 物料的运动分析当螺旋体传动时，进入机槽的物料受到螺旋叶片的法向推力，该推力的径向分量和叶片对物料的摩擦力将物料绕轴转动；而物料的重力和机槽对物料的摩擦力又阻止物料绕轴转动。当螺旋叶片对物料法向推力的轴向分量克服了机槽对物料的摩擦力及法向推力的径向分量，物料不和螺旋一起旋转，只沿料槽向前运移。其情况犹如被持住不能转动的螺母在旋转的螺杆上作直线运动一样。但是物料颗粒在输送过程中，其运动由于受旋转螺旋的影响并非作单纯的直线运动，而是一个空间运动。当螺旋升角为 并在展开状态时，螺旋线用一条斜直线表示。则旋转螺旋面作用于半径为 r（距螺旋轴线之距离）处的物料颗粒 A 上的力为 P 合 。由于摩擦的原因，P 合 之方向与螺旋线的法向方向偏离了 角。此力可分解为切向分力 P 切 和法向分力P 法 ，如图所示。图中 角是由物料对螺旋面的摩擦角 及螺旋表面粗糙程度决定的。对于一般冲压而成或经过很好加工的螺旋面，可以不考虑螺旋表面粗糙程度对 角的影响，此时则认为 。物料颗粒 A 在 P 合 作用下，在料槽中进行着一个复合运动，即具有圆周速度 v 侧南昌航空大学学士学位论文19和轴向速度 v 轴 ，其合成速度为 v 合 ，图表示了其速度的分解。若螺旋的转速为 n，处于螺旋面上的被研究物料颗粒 A 的运动速度，由图中三角形 ABC 可得 cossinvB合因为 260rA=所以圆周速度为 2sinsinsin60corv圆 合 （ ）（ ） =以摩擦系数 =tan 代入上式，得到圆周速度 2sin(icos)60rv圆由于因此，将上述各式代入并经过换算后，便可求得物料颗粒的圆周速度计算公式， 260()1snrv圆式中：s螺旋的螺距(m)n螺旋的转速(r/min)南昌航空大学学士学位论文20r所研究的物料颗粒离轴线的半径(m) 面 物料与螺旋面的摩擦系数 面 =tan若使公式对 r 求一次导数，并令其值 ，便可求得存在 v 圆最大值的半径为 2(max) 1vr s面 面面同样，根据图 3-2 的速度分解关系，可得物料颗粒的轴向输送速度的计算公式： 2160()1ssnrv面轴图 3-3 表示了对于几种不同螺距的速度 v 圆 和 v 轴 随半径而变化的曲线图。由图中可知，对于处于直线 OB1B2B3m 以右的 r 值的母线螺旋而上的被输送物料，其圆周速度 v 圆 在半径长度范围内并不是常数，因此，在其运移过程中要产生物料之间的相对滑动。在靠近螺旋轴的物料之圆周速度要比外层的大，但该处的轴向输送速度却显著降低。所以使内层的物料较快地绕轴进行转动，较早地到达表面，这就产生了一个附加料流。它不仅对物料的输送起着不良的影响，同时也增加了功率的消耗。但在靠近螺旋外侧的物料，其轴向输送速度要大于圆周速度。南昌航空大学学士学位论文21为了避免直母线螺旋面的上述问题，而又能获得物料的最大轴向速度，因而采用如图 3-4 所示的弯曲母线螺旋面。这种螺旋面在靠近螺旋轴处的升角为正 ，而在靠近槽壁处的升角为负 。这样在靠近螺旋轴的区域处将具有指向槽壁的径向速度，增加了内层物料对外层物料的压力和摩擦力，致使螺旋轴附近的附加料流适当地减小。但在靠近槽壁处，由于具有升角负 的螺旋面，亦具有指向螺旋轴线的圆周速度，则使该处物料对料槽槽壁的压力降低，乃至消除，从而减落或避免了由此引起的能量消耗和物料轴向输送速度的降低。水平螺旋输送机工作时，物料在机槽底部并偏向转动方向的一侧，该物料面与水平形成的夹角 为物料的倒塌角，如图 3-5 所示。在此面上物料处于力的平衡，当物料面转角 d时，物料沿倒塌角下滑，形成倒塌现象。倒塌下来的物料一部分不断翻起在落下，一部分越过轴并落到轴的另一侧，即下一个螺距中，形成附加料流。因此，当输送机工作时，应使物料面的转角不大于物料的倒塌角，即 0.7d南昌航空大学学士学位论文22式中： 0物料在静止状态时的内摩擦角（） d螺旋输送机稳定工作时物料面形成的倒塌角（）物料面的转角（）3.1.2 叶片的设计在螺旋输送机工作过程中，物料面的转角与填充系数即进料量、螺距大小及螺旋面的型式等因素有关。螺旋输送机工作时，机槽中物料的填充系数 （即进料量）影响输送过程和能量消耗。图 3-6 是输送砾石时，对于不同填充系数的物料层堆积的情况及其滑移面。当装满系数较小时（即 =5） ，物料堆集的高度低矮且大部分靠近槽壁而具有较低的圆周速度，物料运动的滑移面几乎平行于输送方向，见图 3-6a。物料颗粒在轴向的运动要比圆周方向显著得多。所以，这时垂直于输送方向的附加料流很少，单位能量消耗也较低。但是，当填充系数提高（=13或 =40）时，则物料的滑移面将变陡，见图 3-6b、c。此时，物料在圆周方向的运动加强，在输送方向的运动减弱，附加料流增大，导致输送速度的降低和附加能量的消耗。因而，对于水平南昌航空大学学士学位论文23螺旋输送机来说，物料的填充系数并不能无限增加，一般取填充系数 45。各种散粒物料的填充系数可参考化学工业出版社出版的 1999 版运输机械设计选用手册下册P335 表 15-1。图 3-6填充系数主要与被输送物料的性质有关。输送细粉、易流动且没有磨琢性或有轻微磨琢性的散状固体物料时（如面粉、谷物等） ，填充系数可达到 0.45；如果被输送的物料易于粘结或具有中等程度磨琢性的细粒或小块，则填充系数限制在 0.3左右。如果与此同时物料还有一定程度的磨琢性，螺旋的转速就要减少。对于磨琢性的及大物料（如矿石等） ，填充系数将进一步地限制，大约只能取 0.15。螺距的大小也直接影响物料的输送过程，如果填充系数不变，当螺距不同时，则物料的滑移面亦随之改变。如果改变了填充系数，则必导致物料运动速度分布的变化。所以，应从考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系等两个条件，来确定最合理的螺距尺寸。从图 3-2 可得出物料颗粒 A 所受螺旋面在轴向方向上的作用力为 cosP合轴 （ ）为了使 P 轴0，则必须满足根据前面的讨论得知，最小的半径 r=d/2（其中 d 为螺旋轴的直径）初所得的螺旋升角 是最大的，则轴向输送方向的作用力 P 轴最小。根据这个条件，最大的许用螺距值应由下面两式求得 maxtn()2sd南昌航空大学学士学位论文24maxds面若以 k1=d/D（D 为螺旋的外径）代入上式，则得 1maxkDs面确定最大的许用螺距时，必须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间的关系的基础上。亦即应使物料颗粒具有尽可能大的轴向输送速度，同时又使螺旋面上各点的轴向输送速度大于圆周速度，如图 3-2 所示。螺距的大小将影响速度各分量的分布。当螺距增加时，虽说轴向输送速度增大，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。于是，根据在螺旋圆周处的 v 圆 v 轴 的条件，并利用公式可得 1226060(ssnsnrr面 面)+)+1tan()24s r面面2r又因为此时 2r=D（螺旋圆周处） ，故得求螺距的第二个条件为 tan()4sD分析了填充系数及螺距对物料输送过程的影响后，可以指出，对于较大的装满系数，应取最小的螺距值；反之，对于较小的装满系数，螺距可偏于取最大值。由前述知，在螺旋面同一母线上各点的升角 不同。叶片外缘点处升角 外最小，向内升角逐渐增大，至叶片内缘点处即靠近螺旋轴处的升角 内 最大。由此得知，螺旋叶片同一差别越大，各点处物料转角 的差别越大，在较大的半径范围内物料转角大于其倒塌角，形成更多的附加料流。从螺距对物料运输速度各分量分布的影响也可知，螺距增大，在靠近螺旋轴处物料的 v 圆 显著增加，且在较大的半径范围内 v 圆 v 轴 ，使较多物料的转角大于其倒塌角，形成更多的附加料流。南昌航空大学学士学位论文25图 3-7a 绘出了水平螺旋输送机的容积生产率 V 与螺旋轴直径 d、物料与螺旋叶片摩擦系数 tan 1间的关系。该图是在螺旋直径 D 保持不变时，s/D=1 的情况绘制的。由图可知，水平螺旋输送机的容积生产率是随螺旋轴直径 d 及物料与叶片间的摩擦系数 f1=tan 1的增大而下降的。而图 3-7b 则绘出了水平螺旋输送机的容积生产率与 s/D 的比值及物料与螺旋叶片间的摩擦系数的关系。由图可知，s/D 比值的适宜范围是 0.81.25，在此范围之外，生产率则明显下降；此外，物料与螺旋叶片间摩擦系数的大小对产量也有较大的影响，特别是当 s/D 比值较大时，随着f1=tan 1的增大，产量下降得很厉害。例如，当 s/D=2 时，若 f1=0.3，则 V=950；若 f1=0.9，则 V=0，即此时物料只随螺旋叶片转动而其轴向运动停止。因此，除适宜选择 s/D 比值外，还应恰当地选择螺旋叶片的材料及其光滑程度，以尽量减小物料与螺旋叶片间的摩擦系数。南昌航空大学学士学位论文26通过以往试验得知，螺旋在一定的转速内，对物料颗粒运动的影响并不显著。但是当超过一定的转速时，物料受到过大的切向力而被抛起，开始产生垂直于输送方向的径向跳跃，从而对输送过程产生不利影响。因此，螺旋的最大许用转速应根据被输送物料的最低跳跃高度来确定。但是，由于至今尚缺乏有关各种物料的许用最低跳跃高度的资料，因此在实用计算中，用下列经验公式来确定螺旋的最大许用转速： maxAnD式中，D 螺旋直径（m）A 物料特性系数，由化学工业出版社出版的 1999 版运输机械设计选用手册下册P335 表 15-1 查出从式可知，螺旋的最大许用转速是螺旋输送机直径的函数，同时也和输送物料性质及填充系数有关。在满足输送量要求的情况下，应选用较低的转速，以减小物料对螺旋叶片及机壳磨损，延长使用寿命。南昌航空大学学士学位论文274 总体设计计算4.1 原始资料4.1.1 被输送物料的名称及特性（1）物料：面粉（2）面粉为干的、无磨琢性、无腐蚀物料4.1.2 选型要求（1）输送能力 Q=40 t/h（2）水平输送，输送长度 L 为 19 米4.2 螺旋输送机的设计计算由于该机用于纯运输，因而选用实体螺旋面型叶片；根据选型要求，确定该机为 LS 型螺旋输送机4.2.1 确定螺旋直径 D式中 Q 输送能力K 物料特性系数，常用物料 K 值见表 5-1 填充系数，见表 5-2C 倾角系数，见表 5-3表 5-1 常用物料物料的粒度 物料的磨琢性 物料的典型例子特性系数K综合系数A粉状 无磨琢性半磨琢性面粉、石墨、石灰、纯碱0.0415 75粉状 磨琢性 干炉粉、水泥、石膏粉、白粉0.565 35粉状 无磨琢性半磨琢性谷物、锯木屑、泥煤0.0490 50南昌航空大学学士学位论文28粒状 磨琢性 造型土、型砂、沙成粒的炉渣0.0600 30固体 粘性、易结块 含水的糖、淀粉质的团0.010 20表 5-2 填充系数物料特性 易流动，磨损很少 少量磨损且为颗粒至小块状磨损性、侵蚀性大 0.45 0.33 0.15表 5-3 倾角系数倾斜度 0O 5 o 10 o 15 o 20 oC 1.0 0.90 0.80 0.70 0.654.2.2 确定螺旋转速 n螺旋转速在满足输送能力的条件下不宜过高，以免物料受过大的切向力而被抛起，以致无法向前输送。因此。螺旋轴转速 n 不能超过某一极限转速 nj式中 A物料综合系数根据要求计算出来的转速 n 圆整为下列转速：20、30、35、45、60、75、90、120、150、190r/min，并且要用螺旋直径 D 和转速n 圆整后的数值，对填充系数 进行验算。圆整 n=45 r/min，验算 。4.2.3 功率的计算螺旋输送机所需轴功率P0=367/)(0HLQ+(DL/20) (kw) 式中 Q 输送量，t/h0阻力系数，见表 5-4南昌航空大学学士学位论文29L螺旋输送机长度，mD螺旋输送机直径，mH倾斜布置时的垂直高度，m 表 5-4 物料阻力系数物料特征 物料的典型例子 物料阻力系数 o干的，无磨琢性 粮食、谷物、锯木屑、煤粉、面粉 1.2湿的，无磨琢性 棉子、麦芽、糖块、石英粉 1.5半磨琢性 纯碱、块煤、食盐 2.5磨琢性 卵石、砂、水泥、焦炭 3.2强磨琢性或粘性 炉灰、造型土、石灰、硫、砂糖 4.0P0= 20/194.367/198.4=(1368/367)+(7.6/20)3.73+0.38=4.11 kw电动机功率 P 可按下式计算：P=P 0/ (kw) 式中 驱动装置总效率，一般取 =0.850.9，这里取 =0.88 P=4.11/0.884.67 (kw)4.2.4 电机的选择电动机转速 电机南昌航空大学学士学位论文30方案 平动机型号额定功率(kw)同步 满载质量 总传动比1 Y132M-4 7.5 1500 1440 81 41.142 Y160L-8 7.5 750 720 145 20.575 总体尺寸设计5.1LS 螺旋输送机的外形及尺寸图 5-1表 5-5 摘自运输机械设计手册规格 h h1 l C3 B F L0 P Q T1 T2 X Y d eLS100 140 63 2500 100 180 501000 300060 190 120 110 232 170 25 42LS125 160 75 2500 130 210 501000300060 220 130 130 252 170 30 58LS160 180 90 2500 160 244 501000300060 250 150 150 254 176 35 58LS200 200 112 2500 200 304 50 1000 60 285 180 180 285 182 40 82南昌航空大学学士学位论文313000LS250 250 140 3000 250 356 501000350060 330 210 220 292 188 50 82LS315 280 180 3000 320 420 1001000350060 380 250 250 322 190 60 105LS400 355 224 3000 400 530 1001000350060 430 300 280 406 212 70 140LS500 400 280 4000 500 632 10015005000100 500 360 340 441 218 80 170LS630 500 355 4000 630 768 15015005000100 570 430 420 528 240 100 210LS800 630 450 4000 800 998 15015005000100 710 530 520 542 260 120 210LS1000 710 560 4500 1000 1212 20015005500100 810 640 630 616 272 140 250LS1250 800 710 4500 1250 1462 20015005500100 1000 880 760 671 284 170 3005.1.1 长度与组合其组合为：头节 L01=3m 选 1 个，中间节的标准节 L02=3m 选 3 个，中间节的选配节L02=2m 选 2 个，尾节 L03=3m 选 1 个。5.2 附件尺寸5.2.1 进料口见下图 5-2，表 5-6南昌航空大学学士学位论文32图 5-2表 5-6 摘自运输机械设计手册型号规格 A A B B C C T1 n d质量kgLS100 100100 160160 136136 120 2 4 10 0.7LS125 125125 185185 161161 130 2 4 10 0.8LS160 160160 220220 196196 150 3 8 10 1.1LS200 200200 280280 248248 180 3 8 10 1.6LS250 250250 330330 298298 210 3 8 12 2.8LS315 315315 395395 363363 250 3 8 12 3.4LS400 400400 500500 456456 300 4 8 12 5.0LS500 500500 600600 558558 360 4 8 12 8.3LS630 630630 730730 688688 430 5 16 14 10.2LS800 800800 960960 888888 530 5 16 14 16.6LS1000 10001000 11601160 10901090 640 6 20 18 29.9LS1250 12501250 14101410 13381338 880 6 22 18 53.8南昌航空大学学士学位论文335.2.2 出料口图 5-3表 5-7 摘自运输机械设计手册型号规格 A A B B C C T2 R n d质量kgLS100 100100 160160 136136 110 2 59.5 4 10 0.8LS125 125125 185185 161161 130 2 74.5 4 10 1.0LS160 160160 220220 196196 150 3 93 8 10 1.3LS200 200200 280280 248248 180 3 113 8 10 2.2LS250 250250 330330 298298 220 3 138 8 12 4.5LS315 315315 395395 363363 250 3 171.5 8 12 6.7LS400 400400 500500 456456 280 4 216.5 8 12 8.7LS500 500500 600600 558558 340 4 267.5 8 12 16.6LS630 630630 730730 688688 420 5 335 16 14 24.4LS800 800800 960960 888888 520 5 421 16 14 42.4LS1000 10001000 11601160 10901090 630 6 526 20 18 88.6LS1250 12501250 14101410 13381338 760 6 651 22 18 120.2南昌航空大学学士学位论文346 用 solidworks 对一个主要零件进行有限元分析有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，有限元分析是将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图。Solidworks 该软件采用了有限元素方法 (FEM)。FEM 是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM 由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。FEM 将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题来替代一个复杂问题。零件的 CAD 模型 划分为小块(单元)的模型单元共享被称为节的共同点，将模型划分为小块的过程称为网格化。对于所有可能的支持情形和载荷情形，每个单元的行为都是非常清楚的，有限元素方法使用具有不同形状的单元。单元中任意一点的响应都是从单元节处的响应插入的，每个节均由许多参数完整描述，具体取决于所用的分析类型和单元。例如，节的温度完整描述了节在热分析中的响应。对于结构分析，节的响应通常由三个平移和三个旋转操作完整描述，这些就称作自由度 (DOF)，使用 FEM 进行分析就称作有限元素分析 (FEA)。四面单元。红点代表节。单元的边线可以是曲线，也可以是直线南昌航空大学学士学位论文35该软件会生成控制每个单元的行为的方程式，其中考虑了每个单元与其它单元之间的联系，这些方程式将响应与已知的材料属性、约束和载荷相关联，接下来，该程序将这些方程式组织成一大组需同时求解的代数方程式，然后求解未知量。例如，在应力分析中，解算器找到每个节上的位移，然后该程序计算应变，并最终计算出应力。COSMOSWorks 是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统，它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。COSMOSWorks 凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。COSMOSWorks 提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要，它节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。进行分析所需的步骤取决于算例类型。可以执行以下步骤来完成算例：1、生成算例并定义其分析类型和选项。网格定义了可供使用的单元类型。2、如果需要，请为算例定义参数。参数可以是模型尺寸、材料属性、力值或任何其它输入。3、定义材料属性。如果在 CAD 系统中定义了材料属性，则不需要执行这一步,疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得材料定义。4、指定约束和载荷。您可以使用参数而非数值。疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得约束和载荷。掉落测试算例不允许定义在设定过程之外指定的约束和载荷。 5、对于使用曲面的外壳网格，请使用外壳。6、对于横梁网格（结构构件）算例，请定义横梁。7、对于混合的网格算例，请定义外壳和实体。8、定义全局、零部件和局部接触设定。您也可以使用查找相触面组功能查找接触面。9、网格化模型，以便将模型划分为许多称作单元的小块。疲劳算例和优化算例使用参考算例中的网格。10、如果需要，可以定义多达 100 个设计情形。11、运行算例或设计情形。12、查看结果。下面以头轴为例来描述在螺旋输送机的设计过程中的有限元分析（静态）过程：1、定义算例类型为静态南昌航空大学学士学位论文362、定义材料属性为普通碳钢3、定义约束类型为固定，部位如轴承对它的约束4、划分网格5、定义输入扭矩和反作用扭矩为 872.233Nm6、单击运行按钮让其进行分析分析结果如下：图 6-1 有限元静态分析结果应力图南昌航空大学学士学位论文37图 6-2 有限元静态分析结果应变图为了更加清楚地看到各点应力变化情况，我们使用软件中的探测功能对头轴取点如下图：图 6-3 对头轴取点探测南昌航空大学学士学位论文38其结果如下：图 6-4 对头轴取点探测结果从上图可以看出，在轴上各点处的应力基本一样，而在螺栓孔处和靠近轴肩处应力变得较大，这是应力集中的结果。通过应力图 6-1 可知，从轴的有键槽端到有螺栓孔端的应力基本是呈直线增大趋势，有键槽端最小，有螺栓孔端最大；通过应变图 6-2 可知，从轴的有螺栓孔端到轴中间，应变逐渐变小，在轴肩处达到最大，从轴肩再到有键槽端应变又逐渐变小。南昌航空大学学士学位论文397 结论通过前期对毕业课题的研究与分析，使我对 LS 螺旋输送机的结构、工作原理、制造等有了新的认识。也通过理论与实践的结合，亲手设计了一款螺旋输送机。在遵守前人的经验理论和保证其基本功能，现有的技术手段的同时，本设计在局部地方稍做了一定的修改。毕业设计基本达到了预期的目标，实现了任务书的要求。为期三个月的毕业设计也接近尾声，回顾整个毕设过程，我觉得受益匪浅。在对 LS400 水平螺旋输送机的设计过程中，理论与实际相结合，加深了理论知识的理解，实现了理论在实际上的应用。这次毕业设计是对以前学到的专业知识做进一步的系统的复习和总结，比如加深了我对轴类零件的设计和轴承、电机等零部件选用方法的了解，这次毕业设计也是对自己的工作和学习能力的检验。在设计的过程中自己充分感受到了实际工作中的艰辛，但与此同时，也获益良多，这次毕业设计不仅使自己巩固了以前所学的知识，也使自己开阔了视野，接触到了更为丰富的理论知识，也使自己敢于、乐于与钻研更高深的知识，为以后的工作打下了坚实的基础。在这次设计中，使我对自己的能力有了更好的了解。重要是在这次设计中，锻炼了本人的毅力、恒心，进一步地端正了自己的学习和工作态度，使我意识到，只有具有了严谨的治学态度和虚心的精神才能在学术上更上一层楼。在设计中本人认真复习了有关的专业知识，螺旋输送机是自己原先在课堂上从未接触的，因此向封立耀指导老师询问和自己查找了许多相关资料。设计过程中本人曾经多次遇到疑难问题，但在封老师的认真指导和启发下，都一一得到了解决，使我能顺利地、准时完成毕业设计。设计的产品需要通过使用来对其设计思路、产品质量来进行检测。当然，作为设计者我认为在以下几个方面有待改进：1、LS 型螺旋机现行产品标准与结构尺寸版本较多，应进一步统一与完善。例如同一机型除主要性能参数外，应从用户使用出发，对机壳、叶片、头尾轴承型号及金属板厚度作出限制和规范，提高机组使用寿命；2、通过一定的措施，取消中间悬挂轴承，以避免中间悬挂轴承处出现的物料堆积现象，从而提高输送能力；3、应根据输送不同物料来配置螺旋叶片材料和相应热处理工艺规范，克服叶片磨损问题，现行 LS 型螺旋叶片普遍采用的 Q235 钢板不能满足多种输送材料的要求。由于本人能力限制，设计中难免有许多不足之处，希望各位老师同学予以批评指正。南昌航空大学学士学位论文40参考文献【1】孙桓等.机械原理.高等教育出版社，2001【2】濮良贵等.机械设计.高等教育出版社，2001【3】 运输机械设计选用手册编委会.运输机械设计选用手册.化学工业出版社，1999【4】李启炎Solidworks 2003 三维设计教程机械工业出版社，2003【5】徐灏等.机械设计手册.机械工业出版社，1995【6】Shigley J E,Uicher J J.Theory of machines and mechanisms.New York:McGraw-Hill Book Company,1980南昌航空大学学士学位论文41致谢在本次毕业设计过程中，从选题，方案论证，到课题的分析以及论文撰写都是在封立耀老师的悉心指导下完成的。封立耀老师常常在百忙之中抽出时间耐心细致地指导；对我遇到的许多问题不厌其烦的进行讲解，和我们在一起解答我们的问题，直至我们弄懂后，方才离开。三个月来，封立耀老师一直是耐心讲解，认真细致的查看设计的方案。他的严谨治学的态度，渊博的知识，认真负责的工作态度，以及富有远见的见解和宝贵的经验对我产生了深刻的影响，并激励我在今后