本科论文：螺旋输送机结构设计

1第一章概论1.1螺旋输送机的研究背景与意义螺旋输送机是现代化生产不可缺少的重要机械设备之一。广泛应用于粮食工业、建筑材料工业、机械制造业、交通运输业等国民经济各部门中。螺旋输送机在农业机械上运用很广：作为输送部件或作搅拌、挤压、揉碎等工序的工作部件；作为固定式或移动式的独立输送机具，在打谷场、谷物粮食和饲料仓库、畜舍等用来运送松散物料[1]。螺旋输送机对于减轻繁重的体力劳动，提高生产效率，实现高度机械化，都具有重要的现实意义[2]。1.2螺旋输送机的特点螺旋输送机具有如下特点：（1）机器构件简单，工作原理为单纯的机械运动。（2）机器工作性能稳定，不易产生故障，即使出现故障，维修也较简便。（3）机器灵活性较高，适应多种不同的工作环境。（4）机器可以适应密封性能好、运行平稳可靠、操作安全等要求。（5）输送物料方便。只需把物料放入进料口。（6）输送方向可逆向。只需改变螺旋轴的旋转方向即可实现双向运输。（7）螺旋叶片和料槽在工作过程中由于物料的作用易于磨损而影响机器整体使用寿命。（8）机器运输作物，不存在物料对机器的腐蚀作用而影响机器的整体使用寿命。综上所述，螺旋输送机机动性优良、制造成本低廉，容易被小农经济接受。1.3国内外关于螺旋输送机的研究现状螺旋输送机是一种常见的不具有挠性牵引构件的连续输送机，现在已经成为合理组织成批生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一[3]。在我国现代化的发展和各工业部门机械2化水平、劳动生产率提高中，螺旋输送机将发挥更大的作用。但是其输送效率却比较低，现在对于螺旋输送机存在的输送效率问题，越来越来受到各界的重视，而且国外也有了很多的研究成果。在国内的研究成果相对于国外来比较，研究成功还比较少，还不是很先进[4]。3第二章螺旋输送机工作过程分析2.1螺旋输送机的一般结构如图2-1所示为螺旋输送机的装配图。驱动装置包括电机、变速器和联轴器。电机由工作要求来确定相关电机参数继而确定其型号。变速器通过定传动比确定型号。头部和尾部主体部分基本相同，都有螺旋体和机槽。不同的地方是：头部有前轴、首端轴承，机器外壳上设计了卸料口；尾部有尾轴、尾部轴承，机器外壳上设计有进料口。物料由进料口进入螺旋输送机，沿轴向运动从卸料口排出。图2-1螺旋输送机的结构1.驱动装置2.头节3.标准节4.选配节5.尾节2.2物料的运动分析和叶片的设计2.2.1物料的运动分析机器的螺旋体将物料不断向前推进而进行物料输送，物料受自身重力和与机器内槽壁的相互摩擦力保证了物料持续向前推进。机器工作时，螺旋体叶片推动物料的力可分解为轴向和径向，其中径向分力使物料有绕轴转动的趋势。而与此同时物料本身的重力有阻止物料向上旋转的趋势，并且由于内壁对物料的摩擦力4也阻碍物料的径向运动。若机壳内壁对物料的摩擦力和物料自重一起克服了螺旋叶片推动物料的法向分力，同时螺旋体叶片推动物料的力的轴向分量克服了机壳内壁对物料的摩擦力，则所输送的物料只能轴向移动[5]。设螺旋升角为α，螺旋线在展开状态时可视为一条斜直线。则旋转螺旋面作用于半径为r处的物料颗粒A上的力为P合。考虑摩擦力的存在，P合的方向与螺旋线的法向方向并不重合，而是产生φ角夹角。再将此力十字分解为与叶面相切的P切和与叶面垂直的P法，如图2-2所示。图2-2螺旋面作用于物料颗粒上的力图2-3物料运动速度的分解为了便于分析输送物料的受力特性，假设其中A为一物料颗粒，则A因为受到力P合而在机器中运动，图2-3为A运动的分析。即A的合成速度为v合分解为圆周速度v侧和轴向速度v轴。假设电机带动螺旋体以n为转速运转稳定。分析A的运动状态，由图中ABC图形可得sincosABV合（2-1）因为5602rnAB（2-2）所以cossin602nV合（3-3）圆周速度为cossinsin602sinnVV合圆（2-3）以摩擦系数μ=tanρ代入上式，得到圆周速度cossinsin602nV圆（2-4）综上，可得物料颗粒的圆周速度计算公式122602rsrssnV圆（2-5）式中：s——螺旋的螺距(m)n——螺旋的转速(r/min)r——物料颗粒离轴线的半径(m)μ面——物料与螺旋面的摩擦系数（其中μ面=tanρ）把上式对r求导，然后使对r的倒数为0，当在v圆值最大时，r值为sr212面面（2-6）根据图2-3可得，物料颗粒根据上述速度分解，则轴向速度为：1221602rsrssnV面轴（2-7）图2-4中的横轴表示的是半径大小，纵轴表示的是速度，图中的曲线表明随着输送物料距离螺旋轴的距离变化，输送物料的速度v圆和v轴也跟随着变化。且6螺旋体的螺距不同曲线的形状也会有变化。图中在直线Om以右的半径r值的输送物料，输送物料的圆周速度v圆会根据半径的改变而不同，即使在一定的半径范围内也并不是恒定的。因此，机器在输送物料的过程中，由于物料间的速度大小及方向都不同，因而产生相对滑动。机槽中输送的物料，物料距离螺旋轴越远物料的圆周速度越小，而物料距离螺旋轴越远物料的轴向输送速度越大。内层的物料圆周速度大轴向速度小，这就导致输送物料过程中内层的物料绕轴速度更快，在物料运动的过程中部分物料跨过螺旋轴掉入下一个螺距中，这种物料输送现象叫做附加料流。附加料流的存在不利于农业生产，降低了机器的输送效率，增加了输送成本，损耗更多的能量[6]。图2-4速度随半径变化曲线为了有效解决上述问题带来的不良影响，如图2-5叶片形式。这种螺旋体叶片形式能有效的减少附加料流带来的不良影响。叶片与螺旋轴连接的地方并不是垂直连接，有升角为正α，而叶片外侧有升角负α，如此的设计有效的把内层的输送物料向叶片外侧推送，与此同时外缘的物料有向内侧移动的趋势，同时也降低了机槽内壁对输送物料的摩擦力，从而减少了附加料流。有效避免了附加料流降低了机器的输送效率，增加了输送成本，损耗更多的能量的弊端。机器输送物料时，物料受自身重力、螺旋体叶片的作用力以及机槽内壁对物料的摩擦力的综合作用，物料面并不是以水平形式存在的，物料面与水平面会形成一定的夹角，这个夹角称为倒塌角（记为φd）。如图2-6所示，当物料转角超过倒塌角时表面的物料由于受力不平衡而向下滑落，然后下层物料逐渐上移，而7重复向下滑落。在物料向下滑落的过程中部分物料跨过螺旋轴掉入下一个螺距中，从而产生附加料流，降低了机器的输送效率，增加了输送成本，损耗更多的能量。综上所述，为保证机器为高效的工作运转而需控制物料面的转角，即07.0d（2-8）式中：φ0——物料的内摩擦角（º）φd——物料面的倒塌角（º）φ——物料面的转角（º）图2-5弯曲母线螺旋面的形状及其速度曲线图2-6物料在料槽中的倒塌角2.2.2叶片的设计为保障机器高效工作螺旋输送机物料面的转角必须小于物料的倒塌角。而螺旋输送机物料面的转角不仅与对物料本身的进料量要求有关，还需考虑螺旋体叶片的螺距大小以及形状。生产中对螺旋输送机进料量的要求直接影响输送效率。其中进料量用填充系数ψ表示。图2-7表示螺旋体转动而推送物料时，对物料进料量要求不同的情况下机槽内物料的存在状态。当进料量较小时（假设为ψ=5%），如图2-7a，物料输送量较小且物料堆积厚度小，物料圆周速度受物料自身重力和较小的机槽内壁摩擦力作用，圆周速度很小，而叶片推力的轴向分力是物料轴向速度很大。这是基本没8有附加料流的现象产生。当进料量变大时（假设ψ=20％），如图2-7b。物料输送量变大且物料堆积厚度变大，物料圆周速度受物料自身重力和较大的机槽内壁摩擦力作用，圆周速度变大，而轴线方向的机槽对物料的摩擦力增大加大了机器的工作功率，同时增大了附加料流[7]。当进料量很大（假设ψ=50％），如图2-7c。物料面接近螺旋轴所在的平面，物料圆周速度受物料自身重力和较大的机槽内壁摩擦力作用，圆周速度明显加大，而轴线方向的输送速度降低，产生大量附加料流。大大降低了机器的输送效率，增加了输送成本，损耗更多的电能，不利于生产。综上所述，螺旋输送机输送物料的进料量并不是越大越好，基于实际考量，农业输送物料的填充系数一般ψ＜45％。填充系数由输送物料的性质决定,当决定输送了主要的输送物料后,相应的填充系数也就决定了。图2-7不同填充系数时物料层堆积情况及其滑移面(a).ψ=5﹪(b).ψ=20﹪(c).ψ=50﹪螺距的大小在物料输送过程中也影响输送效率，若确定了填充系数，当螺旋体螺距改变时，机槽内的物料面的存在形式也会改变。若改变输送物料也就是改变填充系数，会导致输送物料各个层面的速度变化。因此，得出最合理的叶片螺距尺寸应该考虑到叶片与物料之间的摩擦系数以及相关摩擦性能，还必须考虑由于物料进料量的不同而造成物料各方向的受力大小不同。图2-3中假设的存在一物料颗粒A，其受到螺旋叶片沿轴向的分力为cos合轴PP（2-9）为使P轴0，则要求cos（+）为正，其中必须满足2（2-10）9综上可知，叶片上的最小半径就是螺旋轴的半径，此时的α（螺旋升角）最大，而叶片对物料的轴向分力P轴最小。根据以上分析，有以下公式2tanmaxdS（2-11）面dSmax（2-12）可得螺距的最大许用值。把k1=d/D代入上式，有面DKS1max（2-13）螺距的最大许用值，应该使物料的运动状态在各方向的分量合理分配。也就是说物料在输送过程中所具有的轴向速度应该尽可能的大从而提高输送效率，同时应使物料的圆周速度尽可能低，以减少附加料流对能量的损耗。由图3-2可知螺旋叶片螺距的改变会导致速度的分解的结果不同。若螺旋叶片螺距变大，在物料的轴向输送速度变大的同时会导致圆周速度不符合要求，从而产生附加料流。若螺旋叶片螺距变小，在物料运行速度分分布合理的同时物料的轴向输送速度且减小了[8]。由上文所分析输送物料在螺旋圆周处的速度分解，v圆≤v轴，通过计算得1221601226022rsrssnrsrssn面面（2-14）rrS24tan112面面（2-15）又因为此时2r=D（螺旋圆周处），故得求螺距的条件为DS4tan（2-16）综上分析可得：进料量较小则螺距选取较小值，进料量较大则螺距选取较大值。若螺旋体的转速低于一定值，则转速在该值内的改变对物料的运动并没有明10显的影响。如果转速超过这一定值，叶片对物料产生过大的切向力而导致物料被抛起，使物料产生径向跳跃，由此降低输送效率。所以，在实践生产中，螺旋的最大许用转速如下：DAnmax（2-17）式中:D--螺旋直径（m）。A--物料特性系数。11第三章螺旋输送机的相关设计计算3.1螺旋输送机的主要构件3.1.1螺旋体螺旋体包含螺旋叶片和螺旋轴。它在整个机器中起着至关重要的作用，物料的不断向前推进就是螺旋体的功劳。物料受自身重力和与机器内槽壁的相互摩擦力保证了物料持续向前推进。（1）螺旋叶片螺旋叶片为适应当今多元化的要求而形式多样。根据输送要求，此设计采用满面式螺旋叶片。图3-1所示为满面式螺旋叶片。之所以称为满面氏是因为螺旋叶片是连续的曲面形式，其一侧与螺旋轴密切粘合。满面式螺旋叶片制造易于批量化生产从而成本低廉、输送能力强，特别适合输送五谷等细小颗粒的农作物，是此设计最合理的叶片形式[9]。图3-1螺旋面(满面式)的形状此设计的螺旋叶片采用正螺旋面叶片。正螺旋面叶片的母线始终垂直于螺旋轴。12图3-2满面式螺旋叶片的展开图图3-2，取螺旋体外径D=400mm，则由螺旋轴直径Dd)35.02.0(（3-1）综合实际，其中0.2为指定系数，可得螺旋轴直径d=90mm.用s表示螺旋叶片的螺距，并在此处采用标准值。有s=k*D（3-2）其中系数k=0.8，带入上式得s=320mm用α表示螺旋升角，螺旋升角是指螺旋轴向与螺旋叶片上某点的法线