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螺旋輸送機設計參數的選擇和確定

點擊數:25時間:2015-09-18 09:40:40 來源:百盛機械

摘要:介紹了水泥工業螺旋輸送機的工作機理,分析了螺旋輸送機的主要參數對其使用性能和輸送能力的影響,闡明了螺旋輸送機各設計參數的選擇和確定原則及方法。

螺旋輸送機是一種常用的不具有撓性牽引構件的連續輸送機械。它是利用工作構件即螺旋體的旋轉運動使物料向前運送,是現代化生產和物流運輸不可缺少的重要機械設備之一,在國民經濟的各個部門中得到了相當廣泛的應用,已經遍及冶金、采礦、動力、建材、輕工、碼頭等一些重工業及交通運輸等部門。主要是用來運送大宗散貨物料,如煤、礦石、糧食、砂、化肥等。在水泥工業部門,螺旋輸送機主要用來輸送水泥生產所需要的原料,同時還伴隨進行一些工藝處理,如攪拌、混合等。螺旋輸送機類型較多、結構差異大、設計參數多,并且各參數之間相互聯系和相互影響,使得設計和選擇工作復雜、難度大,尤其是一些主要參數,如果選擇和組合不當,將會嚴重影響螺旋輸送機的生產效率和工作性能。

1 螺旋輸送機工作原理

螺旋輸送機主要分為水平和垂直螺旋輸送機,可分別沿水平、傾斜或垂直方向上輸送物料,這兩種機型也是最常用的。螺旋輸送機根據結構可分為雙螺旋輸送機和單螺旋輸送機,后者使用較多。螺旋輸送機的安裝方式有固定式和移動式兩種,大部分螺旋輸送機采用固定式。

螺旋輸送機結構示意圖

水泥工業中的螺旋輸送機主要用于原料的輸送和混合,一般采用實體螺旋葉片、中間吊掛軸承、等螺距的單頭普通螺旋輸送機。其結構如圖1所示,它由一根裝有螺旋葉片的轉軸和料槽組成。轉軸通過軸承安裝在料槽兩端軸承座上,轉軸一端的軸頭與驅動裝置相聯。料槽頂面和槽底開有進、出料口。其工作原理是:物料從進料口加入,當轉軸轉動時,物料受到螺旋葉片法向推力的作用,該推力的徑向分力和葉片對物料的摩擦力,有可能帶著物料繞軸轉動,但由于物料本身的重力和料槽對物料的摩擦力的緣故,才不與螺旋葉片一起旋轉,而在葉片法向推力的軸向分力作用下,沿著料槽軸向移動。

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螺旋輸送機在輸送物料過程中,物料的運動由于受旋轉螺旋的影響,其運動并非是單純的沿軸線作直線運動,而是在一復合運動中沿螺旋軸運動,作一個空間運動。設螺旋輸送機的螺旋為標準的等螺距等直徑、螺旋面升角為α的單頭螺旋。當螺旋面的升角α在展開的狀態時,螺旋線用一條斜直線來表示。下面以距離螺旋軸線r處的物料顆粒M作為研究對象,進行運動分析(圖2)。

旋轉螺旋面作用在物料顆粒M上的力為P,由于物料與葉片的摩擦關系,P力的方向與螺旋面的法線方向偏離了β角。β角的大小由物料對螺旋面的摩擦角ρ及螺旋面的表面粗糙程度決定,對于一般熱壓或用冷軋鋼板拉制的螺旋面,可忽略其表面粗糙程度對β角的影響,即認為β=ρ。P力可分解為法向分力P1,和徑向分力P2。物料顆粒M在P力的作用下,在料槽中進行著一個復合運動,既沿軸向移動,又沿徑向旋轉,如圖3所示,既有軸向速度Vl,又有圓周速度V2,其合速度為V。

當螺旋體以角速度ω繞軸回轉時,距離螺旋葉片任一半徑r處的O點物料顆粒M的運動速度可由速度三角形求解。葉片上O點的線速度Vo就是物料顆粒M牽連運動的速度,可用矢量OA表示,方向為沿O點回轉的切線方向;物料顆粒M相對于螺旋面的相對滑動速度,平行于O點的螺旋線切線方向,可用矢量AB表示。若不考慮葉片摩擦,則物料顆粒M絕對運動的速度V。應是螺旋面上O點的法線方向,可用矢量OB表示。由于物料與葉片有摩擦,物料顆粒M自O點的運動速度V的方向應與法線偏轉摩擦角ρ。對V進行分解,則可得到物料顆粒自O點移動的軸向速度Vl和圓周速度V2。其中,Vl就是料槽中物料的軸向輸送速度,而V2則是對物料輸送的阻滯和干擾。

根據物料顆粒M運動速度圖的分析,可得到物料軸向移動的速度為:V1=Vcos(α+ρ)

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式中:S——螺旋螺距,mm

n——螺旋轉速,r/min

f——物料與葉片問的摩擦系數,f=tanρ,ρ為葉片與物料的摩擦角,°

α——螺旋面升角,°

由式(2)及式(3),可得出物料在料槽內軸向移動速度V1和圓周速度V2隨半徑r而變化的曲線圖(圖4)。由圖4可見,V2在螺旋軸后隨半徑的增加而減小,因此,物料在螺旋內的移動過程中要產生相對滑動,V1在半徑長度范圍內隨半徑的增加而增加。可見,靠近螺旋軸的物料的V2比外層的大,而V1卻比外層的要小;反之,靠近螺旋外側的物料V1大、V2小。這將使內層物料較容易隨螺旋軸轉動,因而產生一個附加的物料流。螺旋在一定的轉數之前,這種附加的物料流對物料運動的影響并不顯著。但是,當超過一定的轉數時,物料就會產生垂直于輸送方向的跳躍的翻滾,起攪拌而不起軸向的推進作用。這不僅會降低物料的輸送效率,加速設備構件的磨損,而且會增大螺旋功率的消耗。因此,為了避免這種現象的產生,螺旋的轉數不得超過它的臨界轉速。

表1 傾斜輸送系數
傾斜角度°0510152030405060708090
傾斜輸送系數ε10.970.940.920.880.820.760.700.640.580.520.46
填充系數φ0.50.460.460.420.400.380.360.350.350.320.320.30

2 螺旋輸送機主要設計參數分析

2.1 輸送量

表2 物料綜合特性系數
物料塊度磨琢性舉例填充系數φK值A值
粉狀無磨琢性面粉、米粉0.40-0.500.038786
粉狀半磨琢性水泥、石灰0.30-0.400.041575
粒狀半磨琢性小麥、玉米0.25-0.300.055846
粒狀磨琢性砂石、化肥0.20-0.350.063228
塊狀無磨琢性豆粕、菜餅0.30-0.350.584036
塊狀半磨琢性煤、礦石0.15-0.200.079515
液狀無磨琢性面漿、紙漿0.55-0.600.078519
液狀磨琢性混凝土、建材料0.50-0.550.064528

輸送量是衡量螺旋輸送機生產能力的一個重要指標,一般根據生產需要給定,但它與其他參數密切相關。在輸送物料時,螺旋軸徑所占據的截面雖然對輸送能力有一定的影響,但對于整機而言所占比例不大,因此,螺旋輸送機的物料輸送量可粗略按下式計算:

Q=3600F·λ·V1·ε

式中:Q——螺旋輸送機輸送量,t/h

F——料槽內物料層橫截面積,m2,F=φD2π/4,其中,φ為填充系數(見表1),D為螺旋葉片直徑,mm

λ——物料的單位容積質量,t/m3,它同原料的種類、濕度、切料的長度以及凈化方式、效果等多種因素有關,其值查閱相關的手冊ε——傾斜輸送系數,考慮到螺旋輸送機傾斜布置時對物料的輸送效果的影響,傾斜輸送系數見表1。

在實際工作中,通常不考慮物料軸向阻滯的影響,因此物料在料槽內的軸向移動速度V1≈Sn/60。

所以Q=47D2S·n·φ·λ·ε(4)

由式(4)可以看出,,螺旋輸送機的物料輸送量與D、s、n、φ、λ、ε有關,當物料輸送量Q確定后,可以調整螺旋外徑D、螺距S、螺旋轉速n和填充系數φ等四個參數來滿足Q的要求。

2.2 螺旋軸轉速

螺旋軸的轉速對輸送量有較大的影響。一般說來,螺旋軸轉速加快,輸送機的生產能力提高,轉速過小則輸送機的輸送量下降。但轉速也不宜過高,因為當轉速超過一定的極限值時,物料會因為離心力過大而向外拋,以致無法輸送。所以還需要對轉速n進行一定的限定,不能超過某一極限值。當位于螺旋外徑處的物料顆粒不產生垂直于輸送方向的徑向運動時,則它所受慣性離心力的最大值與其自身重力之間應有如下關系:

1442541119859602.png

式中:K———物料的綜合系數(見表2)g———重力加速度,m/s2nmax———螺旋的最大轉速,即臨界轉速,r/min令A=30K√2g/π,則式(5)可轉化為常見的經驗公式:nmax=A/√D(6)式中:A———物料的綜合特性系數,見表2。

因此,螺旋輸送機的螺旋轉速應根據物料輸送量、螺旋直徑和物料的特性而定,在滿足輸送量要求的前提下,螺旋轉速不宜過高,更不允許超過它的臨界轉速,即:

n≤nmax(7)式中:n——螺旋的實際轉速,r/min

2.3 螺旋葉片直徑

螺旋葉片直徑是螺旋輸送機的重要參數,直接關系到輸送機的生產量和結構尺寸。一般根據螺旋輸送機生產能力、輸送物料類型、結構和布置形式確定螺旋葉片直徑。將式(6)代入式(4),并設S=K1D,K1為螺旋螺距與直徑的比例系數,一般取K1=0.8,則式(4)為:

QQ圖片20150918095609.png

式中:K———物料綜合特性系數物料綜合特性系數為經驗數值。一般說來,根據物料的性質,可將物料分成4類。第1類為流動性好、較輕且無磨琢性的物料;第2類為無磨琢性但流動性較第1類差的物料;第3類為粒度尺寸及流動性同第2類接近,但磨琢性較大的物料;第4類為流動性差且磨琢強烈的物料。各種物料的K值見表2。

螺旋葉片的直徑通常制成標準系列,D=100,120,150,200,250,300,400,500和600mm,目前發展到D=1000mm,最大可達1250mm。為限制規格過多過亂,國際標準化組織在系統研究、試驗的基礎上制訂了螺旋輸送機標準草案,規定螺旋直經采用R10基本系列優先數系。根據式(8)計算出來的D值應盡量圓整成下列標準直徑,mm。

2.4 螺距

螺距不僅決定著螺旋的升角,還決定著在一定填充系數下物料運行的滑移面,所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程。輸送量Q和直徑D一定時,螺距改變,物料運動的滑移面隨著改變,這將導致物料運動速度分布的變化。通常螺距應滿足下列兩個條件:即考慮螺旋面與物料的摩擦關系以及速度各分量間的適當分布關系兩個條件,來確定最合理的螺距尺寸。

從圖2可知,物料顆粒M所受螺旋面在軸向的作用力Pt為:

Pt=Pcos(α+β)≈Pcos(α+ρ)

為使Pt>0,必須滿足α<π/2-ρ,因為在rmin=d/2處的α最大(d為螺旋軸直徑),Pt最小,所以許用螺距可由下式求得:

Smax≤πdtan(π/2-ρ)或Smax≤πd/f

若令k1=d/D,則Smax≤πk1D/f

式中:f——物料與葉片問的摩擦系數

k1——螺旋軸直徑系數,k1=0.3~0.6。

另外,螺距的大小將影響速度各分量的分布。當螺距增加時,雖然軸向輸送速度增大,但是會出現圓周速度不恰當的分布情況;相反,當螺距較小時,速度各分量的分布情況較好,但是軸向輸送速度卻較小。在確定最大的許用螺距時,必須滿足的第二個條件是建立在使物料顆粒具有最合理的速度各分量間的關系的基礎上的,即應使物料顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度,同時又使螺旋面上各點的軸向輸送速度大于圓周速度,即V2≤V1,由此可得:

QQ圖片20150918095847.png

整理得:S≤2rtan(π/4-ρ),因此在2r=D處(在螺旋外徑處),故可將上式寫成:Smax≤2πDtan(π/4-ρ)所以螺距S應滿足以下兩個條件:

QQ圖片20150918095959.png

物料的摩擦系數同物料在料槽里的運動取向、運動速度、物料的尺寸、濕度以及螺旋葉片材料及表面狀態等有關。輸送物料的摩擦系數可參考連續運輸機設計手冊。

通常可按下式計算螺距:

S=K1D(11)

對于標準的輸送機,通常螺距為K1=0.8~1.0;當傾斜布置或輸送物料流動性較差時K1≤0.8;當水平布置時,K1=0.8~1.0。

2.5 螺旋軸直徑

螺旋軸徑的大小與螺距有關,因為兩者共同決定了螺旋葉片的升角,也就決定了物料的滑移方向及速度分布,所以應從考慮螺旋面與物料的摩擦關系以及速度各分量的適當分布來確定最合理的軸徑與螺距之間的關系。

根據物料的運動分析可知,要保證物料在料槽中的軸向移動,螺旋軸徑處的軸向速度V1要大于0,即螺旋內升角α2<π/2-ρ,又因為tanρ=f,tanα=S/πd,所以螺距與軸徑之間的關系必須滿足的條件之一是:

d≥fπS(12)

實踐證明,對大多數螺旋輸送機來說,一般其螺旋體的結構均能滿足第一個條件的要求,但對螺旋體直徑較小(例如D=100mm)的螺旋輸送機來說,其α2不一定能滿足第一個條件的要求,因而在確定較小直徑螺旋體的S和d時,必須進行這項驗算工作。

軸徑與螺距的關系還應滿足的第二個條件是:螺旋軸徑處的軸向速度V1要大于圓周速度V2,即V1>V2,由式(9)整理可得:

d≥1+f1-fSπ(13)

根據式(9)計算,當f取0.3,S=(0.8~1)D時,d≥(0.47~0.59)D;當f值增加時,d/D值還要增加。也就是說,根據式(13)計算得出的軸徑相當大,這勢必降低有效輸送截面。為了保證足夠的有效輸送截面,從而保證輸送能力,就得加大結構,使得輸送機結構粗大笨重,成本增加。所以,螺旋軸徑與螺距的關系應是輸送功能與結構的綜合,在能夠滿足輸送要求的前提下,應盡可能使結構緊湊。由于螺旋輸送機的填充系數較低,只要保證靠近葉片外側的物料具有較大的軸向速度,且軸向速度大于圓周速度即可。

一般軸徑計算公式為:

d=(0.2~0.35)D(14)

2.6 填充系數

物料在料槽中的填充系數對物料的輸送和能量的消耗有很大影響。當填充系數較小時,物料堆積高度較低,大部分物料靠近螺旋外側,因而具有較高的軸向速度和較低的圓周速度,物料在輸送方向上的運動要比圓周方向顯著得多,運動的滑移面幾乎平行于輸送方向,這時垂直于輸送方向的附加物料流減弱,能量消耗降低;相反,當填充系數較高時,物料運動的滑移面很陡,其在圓周方向的運動將比輸送方向的運動強,這將導致輸送速度的降低和附加能量的消耗。因而,填充系數適當取小值較有利,一般取φ<50%。此外,傾斜角度的大小對填充系數也有一定的影響。各種物料的填充系數φ值可參考表1。

2.7 傾斜角度

螺旋輸送機的傾斜角度對于螺旋輸送機輸送過程的生產率和功率消耗都有影響,一般它是以一個影響系數的形式來體現的,傾斜輸送系數見表1。螺旋輸送機輸送能力將隨著傾斜角度的增加而迅速降低,同時,螺旋輸送機布置時傾斜角度也將影響物料的輸送效果。另外傾斜角度的大小還會影響填充系數,傾斜角度對填充系數的影響如表1。傾斜角度越大,允許的填充系數越小,螺旋輸送機的輸送能力越低。因此,在滿足使用條件的前提下,螺旋輸送機盡量避免傾斜布置,而最好采用水平布置;若工藝需要采用傾斜布置,為了提高輸送效率,傾斜角度也不宜太大,一般傾斜角度γ=10~20°。若一級不能滿足要求,可采用多級傾斜布置,以減少損耗。

2.8 傳動功率

螺旋輸送機的驅動功率,是用于克服在物料輸送過程中的各種阻力所消耗的能量,主要包括以下幾個部分:(1)使被運物料提升高度H(水平或傾斜)所需的能量;(2)被運物料對料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能量消耗;(3)物料內部顆粒間的相互摩擦引起的能量消耗;(4)物料沿料槽運動造成在止推軸承處的摩擦引起的能量消耗;(5)中間軸承和末端軸承處的摩擦引起的能量消耗。從另外的角度,也可以這樣分:物料與料槽間摩擦消耗的功率;物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率;軸承處摩擦消耗的功率;提升物料及物料顆粒間相互運動消耗的功率。

這樣,螺旋輸送機的電動機驅動功率,就由機構運動過程中所產生的阻力來決定。阻力主要由以下幾個部分組成:(1)物料與料槽之間的磨擦力阻力;(2)物料對螺旋的摩擦阻力;(3)物料傾斜向上輸送時的阻力;(4)物料懸掛軸承下的堆積阻力;(5)物料被攪拌所產生的阻力;(6)軸承的摩擦阻力。在計算功率的時候,為簡便起見,可以總結螺旋輸送機功率為以下幾個主要部分,即總的軸功率P應包括物料運行需要功率P1,空載運轉所需功率P2,以及由于傾斜引起的附加功率P3等三個部分,并且

P1=QLμ/367;P2=DL/20;P3=QH/367=QHsinβ/367;

所以P=P1+P2+P3=QLμ/367+DL/20+QHsinβ/367(15)

式中:P———螺旋輸送機的驅動功率,kW

Q——輸送量,t/h

L——輸送距離,m

H——傾斜高度,m,H=Lsinβ

D——螺旋外徑,m

μ——物料運行阻力系數

對于電動機驅動功率為:

N=ξP/η(16)

式中:ξ——功率儲備系數,一般取1.2~1.4

η——電動機傳動效率,η≤0.9,一般為了方便取

以0.9計算。

對于連續運行系統中的螺旋輸送機,由于整個系統連續作業,且自動化程度很高,任何一個部位發生故障都會影響整個系統的正常運轉,所以,這種場合使用的輸送機應有較大的功率儲備。

3 結束語

螺旋輸送機對于減輕繁重的體力勞動,提高勞動生產率,實現物料輸送過程的機械化和自動化,都具有重要的現實意義。螺旋輸送機的設計主要是根據輸送物料性質、輸送量、輸送距離、輸送傾角等條件確定螺旋輸送機的結構和幾何尺寸。設計參數主要有兩類,一類為設計常量,它是根據客觀規律、具體條件所確定的已知數據或者是預先給定的參數;另一類為設計變量,它是設計中變化的、需要確定的結構參數。無論是哪類參數,它們都是不孤立的,而是相互聯系、相互制約的。因此,我們必須掌握它們之間的這種復雜的變化及規律,在滿足使用要求的前提下,尋找最佳參數組合。同時,由于具體情況不同,在確定螺旋輸送機的主要參數時,要從其輸送機理、物料的特性等方面入手,盡可能進行多種試驗,取得一些設計參數,從而設計出較符合實際情況的螺旋輸送機。

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