倾斜式（10º）螺旋输送机的设计及分析设计

倾斜式（ 10）螺旋输送机的设计及分析 摘要 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， 主要是用来运送大宗散货物料，如煤、矿石、粮食、沙、化肥、粮食等。 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。 本设计以煤炭业为背景，对此工况下所要求的螺旋输送机结构进行设计与计算，对整个装置中的传动系统进行 了设计，对其驱动装置做了深入设计，并着重对其主要零部件进行了具体设计，包括螺旋输送机的螺旋直径，螺距，进出料口，叶片形式，中间轴承，槽体，螺旋轴的计算选型。 关键词： 螺旋输送机；电动机；减速器；螺旋叶片；螺旋轴 is a a to as is is by of to it is of of it of by of As to of to be of it is to of 目录 第一章 前言 . 1 旋输送机的技术现状和发展趋 势 . 1 . 1 . 1 距 . 2 . 4 旋输送机应用范围 . 5 旋输送机工作原理和主要特点 . 5 . 5 . 6 旋输送机整机布置形式 . 6 旋输送机规格、技术参数 . 7 系列螺旋输送机型号规格 . 7 . 8 次设计给定的已知条件及任务书 . 9 . 9 . 9 . 9 第二章 传动装置的总体设计 . 10 . 10 . 10 . 10 .确定电 动机的转速 . 13 . 13 定传动装置的传动比、各级运动参数与动力参数 . 14 的传动比 . 14 . 14 第三章 蜗轮蜗杆减速器设计 . 17 . 17 . 17 轮齿数 . 17 径 . 18 . 19 对滑动速度及传动效率 . 19 . 19 . 20 . 20 . 21 . 21 的设计计算 . 21 输入轴 )的设计计算 . 21 出轴）的设计计算 . 27 的选型及校核 . 34 . 34 . 34 . 34 承的选型及校核 . 35 . 35 . 36 第四章 螺旋输送机机体的设计 . 39 体主要部件的介绍 . 39 . 39 . 39 . 39 体主要部件的设计计算 . 43 . 43 设计 . 43 . 45 . 45 . 45 第五章 螺旋输送机机体的安装条件、使用及维护 . 47 旋输送机机体的安装条件 . 47 旋输送机机体的使用及维护 . 49 结论 . 51 参考文献 . 53 致 谢 . 54 1 第一章 前言 旋输送机 的技术现状和发展趋势 螺旋输送机技术的 发展 现状 螺旋输送机技术的发展很快，其主要表现在 2 个方面：一方面是螺旋输送机的功能多元化、应用范围扩大化，如高倾角带输送机、管状螺旋输送机、空间转弯螺旋输送机等各种机型；另一方面是螺旋输送机本身的技术与装备有了巨大的 发展，尤其是长距离、大运量、高带速等大型螺旋输送机已成为发展的主要方向，其核心技术是开发应用于了螺旋输送机动态分析与监控技术，提高了螺旋输送机的运行性能和可靠性。其关键技术与装备有以下几个特点： 设备大型化。其主要技术参数与 装备均向着大型化发展，以满足年产 300t 以上高产高效集约化生产的需要。 应用动态分析技术和机电一体化、计算机监控等高新技术，采用大功率软起动与自动张紧技术，对输送机进行动态监测与监控，大大地降低了输送带的动张力，设备运行性能好，运输效率高。 采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡、输送机变向运行等技术，使输送机单机运行长度在理论上已有受限制，并确保了输送系统设备的通用性、互换性及其单元驱动的可靠性。 新型、高可靠性关键元部件技术。如包含 在内的各种先进的大功率驱动装置与调速装置、高寿命高速 托辊、自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。如英国 产的 2 3） 400 （ 600）工作面顺槽螺旋输送机就采用了液粘差速或变频调速装置，运输能力达 3000 t/h 以上，它的机尾与新型转载机（如美国久益公司生产的 套，可随工作面推移而自动快速自移、人工作业少、生产效率高。 螺旋输送机技术的 发展 现状 我国生产制造的螺旋输送机的品种、类型较多。在 “ 八五 ” 期间，通过国家一条龙 “ 日产万吨综采设备 ” 项目的实施，螺 旋输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离螺旋输送机的关键技术研究和新产吕开发都取得了很大的进步。如大倾角长距离螺旋输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩螺旋输送机等均填补了国内空白，并对螺旋输送机的减低关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，研制成功了多种软 2 起动和制动装置以及以 核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合器和行星齿轮减速器。 （ 1） 大型螺旋输送机的关键核心技术上的差距 螺旋输送机动态分析与监测技术 长距离、大功 率螺旋输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型螺旋输送机发展的核心技术。目前我国用刚性理论来分析研究螺旋输送机并制订计算方法和设计规范，设计中对输送带使用了很高的安全系统（一般取 n=10左右），与实际情况相差很远。实际上输送带是粘弹性体，长距离螺旋输送机其输送带对驱动装置的起、制动力的动态响应是一个非常复杂的过程，而不能简单地用刚体力学来解释和计算。已开发了螺旋输送机动态设计方法和应用软件，在大型输送机上对输送机的动张力进行动态分析与动态监测，降低输送带的安全系统，大大延长使用寿命，确保了输送机运行的 可靠性，从而使大型螺旋输送机的设计达到了最高水平（输送带安全系数 n=5 6），并使输送机的设备成本尤其是输送带成本大为降低。 可靠的可控软起动技术与功率均衡技术 长距离大运量螺旋输送机由于功率大、距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机驱动时。为了减少对电网的冲击，软起动时应有分时慢速起动；还要控制输送机起动加速度 0.1 m/决承载带与驱动带的带速同步问题及输送带涌浪现象，减少对元部件的冲击。由于制造误差及电机特性误差，各驱动点的功率会出现不均衡，一旦某 个电机功率过大将会引起烧电机事故，因此，各电机之间的功率平衡应加以控制，并提高平衡精度。国内已大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决了长距离螺旋输送机的起动与功率平衡及同步性问题。但其调节精度及可靠性与国外相比还有一定差距。此外，长距离大功率螺旋输送机除了要求一个运煤带速外，还需要一个验带的带速，调速型液力偶合器虽然实现软启动与功率平衡，但还需研制适合长距离的无级液力调速装置。当单机功率 500 控 起动显示出优越性。由于可控软起动是将行星齿轮减速器的内齿圈与湿式磨擦离 合器组合而成（即粘性传动）。通过比例阀及控制系统来实现软起动与功率平衡，其调节精度可达 98% 以上。但价格昂贵，急需国产化。 （ 2） 技术性能上差距 我国螺旋输送机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽可伸缩螺旋输送机的关键元部件及其功能如自移机尾、高效储带与张紧装置等与国外有着很大差距。 装机功率 我国工作面顺槽可伸缩螺旋输送机最大装机功率为 4250 国外产品可达 4970 3 产螺旋输送机的装机功率约为国外产品的 30% 40%，固定螺旋输送机的装机功率相差更大。 运输能力 我国螺旋输送机最大运量为 3000 t/h，国外已达 5500 t/h。 最大输送带宽度 我国螺旋输送机为 1400 外最大为 1830 带速 由于受托辊转速的限制，我国螺旋输送机带速为 4m/s，国外为 5m/ 工作面顺槽运输长度 我国为 3000 m，国外为 7300m。 自移机尾 随着高产高效工作面的不断出现，要求顺槽可伸缩螺旋输送机机尾随着工作面的快速推进而快速自移。国内自移机尾主要依赖进口，主要有 2种：（ a）随转载机一起移动的由英国 b）德国 者只有一个推进油缸，后者则有 2 个推进油缸。 司生产的自称机尾用于在国内带宽 1.2 点是自移机尾输送带的跑偏量太小，纠偏能力弱，刚性差。德国生产的自移机尾在国内使用效果优于前者，水平、垂直 2个方向均有调偏油缸，纠偏能力强。因此，前者还需完善，后者则需研制。但对自移机尾的要求是共同的，既要满足输送机正常工作时防滑的要求，又要满足在输送机不停机的情况下实现快速自移。 高效储带与张紧装置 我国采用封闭式储带结构 和绞车红紧为主，张紧小车易脱轨，输送带易跑偏，输送带伸缩时，托辊小车不自移，需人工推移，检修麻烦。国外采用结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备，托辊小车能自动随输送带伸缩到位。输送带有易跑偏，不会出现脱轨现象。 输送机品种 机型品种少，功能单一，使用范围受限，不能充分发挥其效能，如拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用；另外，我国煤矿的地质条件差异很大，在运输系统的布置上经常会出现一些特殊要求，如弯曲、大倾角（ +25 ）直至垂直提升等，应开发特殊型专用机种螺旋输送机。 （ 3） 可靠性、寿命上的差距 输送带抗拉强度 我国生产的织物整芯阻燃输送带最高为 2500 N/外为 3150 N/丝绳芯阻燃输送带最高为 4000 N/外为 7000 N/ 输送带接头强度 我国输送带接头强度为母带的 50% 65%，国外达母带的 70% 75%。 托辊寿命 我国现有的托辊技术与国外比较，寿命短、速度低、阻力大，而美国等使用的新型注 4 油托辊，其运行阻力小，轴承采用稀油润滑，大大地提高了托辊的使用寿命，并可作为高速托辊应用于螺旋输送机上，使用面广，经济效益显著。我国输送 机托辊寿命为 2万 h，国外托辊寿命 5 9万 h，国产托辊寿命仅为国外产品的 30% 40%。 输送机减速器寿命 我国输送机减速器寿命 2万 h，国外减速器寿命 7万 h。 螺旋输送机上下运行时可靠性差 （ 4） 控制系统上差距 驱动方式 我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样，如 统、 制精度较高。 监控装置 国外输送机已采用高档可编程序控制器 发了先进的程序软伯与综合电源继电器控制技术以及数据采信、处理、存储、传输、故障诊断与查询等完整自动监控系统。我国 输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程。虽然能与可控启（制）支装置配合使用，达到可控启（制）动、带速同步、功率平衡等功能，但没有自动临近装置，没有故障诊断与查询等。 输送机保护装置 国外螺旋输送机除安装防止输送带跑偏、打滑、撕裂、过满堵塞、自动洒水降尘等保护装置外，近年又开发了很多新型监测装置：传动滚筒、变向滚筒及托辊组的温度监测系统；烟雾报警及自动消防灭火装置；纤维织输送带纵撕裂及接头监测系统；防爆电子输送带秤自动计量系统。这些新型保护系统我国基本处于空白。而我 国现有的打滑、堆煤、溜煤眼满仓保护，防跑偏、超温洒水，烟雾报警装置的可靠性、灵敏性、寿命都较低 。 （ 1） 设备大型化、提高运输能力 为了适应高产高效集约化生产的需要，螺旋输送机的输送能力要加大。长距离、高带速、大运量、大功率是今后发展的必然趋势，也是高产高效矿井运输技术的发展方向。在今后的 10000 4000 t/h，还速提高至 4 6m/s，输送长度对于可伸缩螺旋输送机要达到 3000m。对于钢绳芯强力螺旋输送机需加长至 5000m 以上，单机驱动功率要 求达到 1000 1500 送带抗拉强度达到 6000 N/绳芯）和 2500 N/绳芯）。尤其是煤矿井下顺槽可伸缩输送技术的发展，随着高产高效工作面的出现及煤炭科技的不断发展，原有的可伸缩螺旋输送机，无论是主参数，还是运行性能都难以适应高产高效工作面的要求，煤矿现场急需主参数更大、技术更先进、性能更可靠的长距离、大运量、大功率顺槽可伸缩螺旋输送机，以提高我国螺旋输送机技术的设计水平，填补国内空白，接近并赶上国际先进工业国的技术水平。其包含 7个方面的关键技术： 螺旋输 5 送机动态分析与监控技术 ； 软起动与功率平衡技术； 中间驱动技术； 自动张紧技术； 新型高寿命高速托辊技术； 快速自移机尾技术； 高效储带技术。 （ 2） 提高元部件性能和可靠性 设备开机率的高与低主要取决于元部件的性能和可靠性。除了进一步完善和提高现有元部件的性能和可靠性，还要不断地开发研究新的技术和元部件，如高性能可控软起动技术、动态分析与监控技术、高效贮带装置、快速自移机尾、高速托辊等，使螺旋输送机的性能得到进一步的提高。 （ 3） 扩大功能，一机多用化 拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用，使其发挥最大的经济效 益。开发特殊型螺旋输送机，如弯曲螺旋输送机、大倾角或垂直提升输送机等。 旋输送机应用范围 螺旋输送机广泛应用于粮食工业、建筑材料工业、化学工业、机械制造业、交通运输业等国民经济各部门中。 螺旋输送机主要用于输送各种粉状、粒状、小块状物料，所输送的散粒物料有谷物、豆类、面粉等粮食产品，水泥、粘土、沙子等建筑材料，盐类、碱类、化肥等化学品，以及煤、焦炭、矿石等大宗散货。螺旋输送机不易输送易变质的、粘性大的、块度大的及易结块的物料。除了输送散粒物外，亦可利用螺旋输送机来运送各种成件物品。 螺旋输送机在输送 物料的同时可完成混合、搅拌、冷却等作业。 在港口，螺旋输送机主要用于卸车、卸船作业以及仓库内散粒物料的水品和垂直输送。利用与物料直接接触的螺旋轴将物料逐层从车厢两侧卸下的螺旋卸车机在国内港口已有多年的成功使用经验。由水平螺旋输送机、垂直螺旋输送机以及相对旋转取料装置组成的螺旋卸船机，已经成为一种较为先进的连续卸船机型，日益广泛的应用于国内外散货专用码头。螺旋输送机除直接用于卸船作业以及输送物料外，常利用其裸露的螺旋具有耙集物料的功能而作为其他类型卸船机的取料装置。 旋输送机工作原理 和主要特点 螺旋输送机利用带有螺旋叶片的螺旋轴的旋转，使物料产生沿螺旋面的相对运动，物料受到料槽或输送管壁的摩擦力作用不与螺旋一起旋转，从而将物料轴向推进，实现物料的输送。在水平螺旋输送机中，料槽的摩擦力是由物料自身重力引起的；而在垂直螺旋输送机中，输送管壁的摩擦力主要是由物料旋转离心力所引起的。 6 （ 1）结构比较简单，成本较低。 （ 2）工作可靠，维护管理简便。 （ 3）寸紧凑，断面尺寸小，占地面积小。在港口的卸车卸船作业中易进出舱口、车厢。 （ 4）能实现密封输送， 有利于输送易飞扬的、炽热的及气味强烈的物料，可减小对环境的污染，改善港口工人的作业条件。 （ 5）装载卸载方便。水平螺旋输送机可在其输送线路上的任一点装载卸载；对垂直螺旋输送机配置相对螺旋式取料装置可具有优良的取料性能；利用与物料堆直接接触的螺旋轴具有自动取料的能力可作为港口其他类型卸船机械的取料装置。 （ 6）能逆向输送，也可使一台输送机同时向两个方向输送物料，即集向中心或远离中心。 （ 7）单位能耗较大。 （ 8）物料在输送过程中易于研碎及磨损，螺旋叶片和料槽的磨损也较为严重。 旋输送机整机布置形式 一 台螺旋输送机通常由驱动装置、头节、若干标准中间节、造配中间节、尾节、进 料口、出料口等组成，除头节和选配中间节外，各节螺旋机及机壳均具有互换性。 螺旋机本体由头节、中间节、尾节三种组成。一般情况下 ,出厂总装时将中间节按长度长短依次排列 ,最长的中间节靠近头节，相同 长度的中间节则挨在一起，如果有特殊要求，则在订货时给出排列顺序。 在头节内装有 止 推轴承承受轴向力，在中间节和尾节内装有用轴承支承螺旋轴，此外，在尾节内还装有可轴向移动的径向轴承以补 偿螺旋轴长度的误差和适应温度的变化。螺旋面的形式有实体螺旋（ 带式螺旋（ D 制法）两种。各螺旋轴之间采用法兰式联接， 保证了联接轴的互换性，便于维修。 机盖为瓦片式并用盖扣夹紧在机壳上，若需改进密封性能，用户可自行在机盖与机壳间加防水粗帆布。 进、出料装置有进料口 ,方型出料口，手推式出料口，齿条式出料口四种。由用户在使用现场在机体上开口焊接。布置进、出料口 位置时应注意保证料口至端部的距离，同时避免料口与吊轴承加油杯、机壳联接法兰、底座等相碰。 7 螺旋输送机的驱动装置由电动机、减速器、高速轴联轴器、低速轴联轴器、及驱动装置底座 组成。头节前部装有止推轴 承。可承受输送物料时产生的轴 向 力。标准中间节均设置一只吊轴承， 尾节后部装有滚动（滑动）轴承和底座，用以支撑螺旋和补偿螺旋长度的误差，螺旋机安装时应从头部开始，按顺 序进行。在总体布置时应注意进料口不应设置在吊轴承上方，出料口不应设在底座或机壳法兰连接处。如果因为开出料口影响底座的安排而不能遵循本原则时，使用单位应绘出螺旋机总图。 旋输送机规格、技术参数 头部、尾部轴承移至壳体外，出料端设有清扫装置，整机噪声低，适应性强，操作维修方便。 因此，本次设计选择 表 1 型号 螺旋公称直径D(螺距 S (尺寸（ 名义主轴转速 (r/h h1 b L 小 型 00 100 140 63 45 350040 112 90 71 25 125 160 75 45 125 100 80 63 60 160 180 90 55 112 90 71 56 00 200 200 112 60 100 80 63 50 中 型 50 250 250 140 70 40000 71 56 45 15 315 280 180 90 80 63 50 40 00 355 355 224 100 71 56 45 36 大 型 00 400 400 280 110 55003 50 40 32 30 450 500 355 130 50 40 32 25 00 500 630 450 150 40 32 25 20 特 000 560 710 560 160 60002 25 20 16 8 大型 250 630 800 710 170 0000 25 20 16 13 （ 1）输送量 Q 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。 （ 2）螺旋轴转速 n 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。 （ 3）螺旋叶片直径 D 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。 （ 4）螺距 h 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，来确定最合理的螺距尺寸。 （ 5）螺旋轴直径 d 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。 （ 6）驱动功率 P 螺旋输送机的驱动功 率，是用于克服物料输送过程中的各种阻力消耗的能量，主要包括以下几个部分：使被运物料提升高度 H( 水平或倾斜 ) 所需的能量；被运物料对料槽壁和螺旋面的摩擦引起的能量消耗；物料内部颗粒间的相互摩擦引起的能量消耗；物料沿料 9 槽运动造成在止推轴承处摩擦引起的能量消耗；中间轴承和末端轴承处摩擦引起的能量消耗。从另外的角度，也可以这样分：物料与料槽间摩擦消耗的功率；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。 次设计给定的已知条件及任务书 载荷平稳，单向运转，每日工作一班，工作五年，允许螺旋运输机主轴转速误差小于5%。车间有三相交流电源。 （ 1）输送物料：干燥煤粉，堆积密度 33 / 5 0 ；（ 2）安装方式：倾斜放置（ 10度）即 10 ；（ 3）运输量 : Q =25t/h；（ 4）运输长度： L =10m。 总体设计的任务：包括螺 旋输送机的总体设计和部件设计，确定主要工作参数，设计时主要确定联轴器，螺旋轴的选择，蜗轮蜗杆减速器的传动比及其齿数和模数的确定，同时通过弯扭的合成确定各轴，并校核轴和轴承，根据运输的物料的密度，速度等各方面的因素确定螺旋轴的内外径，最后绘出总装图和部件图。 10 第二章 传动装置的总体设计 动方案的选择 机器一般有原动机、传动装置和工作机三部分组成。传动装置在原动机与工