螺旋输送机设计参数选择

32砖瓦世界2008.732科技纵横SCIENCE&TECHNOLOGY32研究与探讨1　螺旋输送机工作原理砖瓦生产中的螺旋输送机主要用于原料的输送和混合，一般采用实体螺旋叶片、无吊挂轴承、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。螺旋转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作一个空间运动。设螺旋输的螺旋为标准的等螺距等直径、螺旋面升角为α的单头螺旋。当螺旋面的升角α在展开的状态时，螺旋线用一条斜直线来表示。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β角。β角的大小由物料对螺旋面的摩擦角ρ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β角的影响，即认为β=ρ。P力可分解为法向分力P1，和径向分力P2。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Vl，又有圆周速度V2，其合速度为V。当螺旋体以角速度ω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ρ。对V进行分解，则可得到物料颗粒自O点移动的轴向速度Vl和圆周速度V2。其中，Vl就是料槽中物料的轴向输送速度，而V2则是对物料输送的阻滞和干扰。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：V1＝Vcos(α+ρ)螺旋输送机设计参数选择徐余伟（武汉理工大学关山校区，湖北武汉430074）摘要：介绍了制砖用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1-进料口　2-槽体　3-螺旋轴　4-卸料口图1　螺旋输送机结构示意图4321332008.72008.7砖瓦世界33科技纵横SCIENCE&TECHNOLOGY33研究与探讨由于V1=Vn/cosρ，Vn=V0sinα∴V1=V0sincoscos(α+ρ)(1)而V0=ω·r=60·S=n·S由于cosα=1/21/2)Sr+，tanα=S/2πr所以(1)式又可写成：(2)同理可得圆周速度：(3)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=tanρ，ρ为叶片与物料的摩擦角(°)；α——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V1和圆周速度V2随半径r而变化的曲线图(图4)。由图4可见，V2在半径长度范围内是变化的，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，V1在半径长度范围内也变化，并随半径的增加而增加。可见，靠近螺旋轴的物料的V2比外层的大、而V1却比外层的要小；反之，靠近螺旋外侧的物料V1大、V2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著。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，为了避免这种现象的产生，螺旋的转数不得超过它的临界转速。2　螺旋输送机主要设计参数2.1　输送量输送量是衡量螺旋输送机能力的一个重要指标，一般根据生产需要给定，但它与其他参数密切相关。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·λ·V1·ε式中，Q——螺旋输送机输送量(t/h)；F——料槽内物料层横截面积(m2)，F=φD2π/4，其中，φ为填充系数，见表1，D为螺旋叶片直径(mm)；λ——物料的单位容积质量(t/m3)，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；ε——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V1≈Sn/60。∴Q=47D2S·n·φ·λ·ε(4)由上式可以看出，，螺旋输送机的物料输送量与D、S、n、φ、λ、ε有关，当物料输送量Q确定后，可以调整螺旋外径D、螺距S、螺旋转速n和填充系数φ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，转速过小则使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，物料会因图2　物料受力分析图3　物料运动速度分析轴线轴线34砖瓦世界2008.734科技纵横SCIENCE&TECHNOLOGY34研究与探讨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昀大值与其自身重力之间应有如下关系：mω2maxr≤mg即2πnmaxr/60≤gr考虑到不同的输送物料的影响则πnmaxr/30≤Kmr∴(5)式中，K——物料的综合系数，见表2；g——重力加速度(m/s2)；nmax——螺旋的昀大转速，即临界转速(r/min)。令，则式(5)可转化为常见的经验公式：(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≤nmax(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，直接关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=K1D，K1为螺旋螺距与直径的比例系数，一般取K1=0.8，则式(4)为∴令则(8)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，根据物料性质，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。图4　螺旋面上速度的变化曲线表1　倾斜输送系数倾斜角度/°0510152030405060708090倾斜输送系数ε10.970.940.920.880.820.760.700.640.580.520.46填充系数φ0.50.460.460.420.400.380.360.350.350.320.320.30表2　物料综合特性系数物料的块度物料的磨琢性举例填充系数φK值A值粉　状半磨琢性石　灰0.3~0.40.041575粉　状磨琢性硫铁矿粉0.25~0.30.056535粉　状无磨琢性锯木屑0.25~0.350.049050粉　状磨琢性炉渣粒0.25~0.30.060030小块状a60mm半磨琢性煤0.25~0.30.057340小块状a60mm磨琢性干炉渣0.2~0.250.064525大块状a60mm半磨琢性块　煤0.2~0.250.060030大块状a60mm磨琢性硫铁矿石0.125~0.20079515352008.72008.7砖瓦世界35科技纵横SCIENCE&TECHNOLOGY35研究与探讨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600mm，目前发展到D=1000mm，昀大可达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，规定螺旋直经采用R10基本系列优先数系。根据式(8)计算出来的D值应尽量圆整成标准直径(mm)。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下物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料输送过程。输送量Q和直径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摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系两个条件，来确定昀合理的螺距尺寸。从图2可知，物料颗粒M所受螺旋面在轴向的作用力Pt为Pt=Pcos(α+β)≈Pcos(α+ρ)为使Pt0，必须满足απ/2-ρ，因为在rmin=d/2处的α昀大(d为螺旋轴直径)，Pt昀小，所以许用螺距可由下式求得：Smax≤πdtan(π/2-ρ)或Smax≤πd/f若令k1=d/D，则Smax≤πk1D/f式中，f——物料与叶片间的摩擦系数；k1—螺旋轴直径系数，k1=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。在确定昀大的许用螺距时，必须满足的第二个条件是建立在使物料颗粒具有昀合理的速度各分量间的关系的基础上，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。即V2≤V1，由此可得：(9)整理得：S≤2rtan(π/4-ρ)，因此在2r=D处(在螺旋外径处)，故可将上式写成：S'max≤2πDtan(π/4-ρ)所以螺距S应满足以下两个条件：(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=K1D(11)对于标准的输送机，通常螺距为K1=0.8~1.0；当倾斜布置或输送物料流动性较差时K1≤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昀合理的轴径与螺距之间的关系。根据物料的运动分析，要保证物料在料槽中的轴向移动，螺旋轴径处的轴向速度V1要大于0，即螺旋内升角α2π/2-ρ，又因为tanρ=f，tanα=S/πd，所以螺距与轴径之间关系必须满足的条件之一是：Sfd≥(12)实践证明，对大多数螺旋输送机，一般其螺旋体的结构均能满足第一个条件要求但对螺旋体直径较小(例如D=100mm)的螺旋输送机，其α2不一定能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，必须进行这项验算工作。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V1要大于圆周速度V2，即V1V2，由式(9)整理可得：Sffd⋅−+≥11(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。