煤矿湿喷砂浆搅拌机组设计【全套包含CAD图纸三维建模和说明书】
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包含有CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q401339828煤矿湿喷砂浆搅拌机组设计摘 要本设计介绍了国内外煤矿湿喷机械的发展历程和国内国外的研究动态，并对煤矿湿喷搅拌机组展开设计研究。分析了当前广泛应用的煤矿井下干喷技术的技术缺陷及对环境污染和对工人身体健康危害情况。学习了目前市场上流行的湿喷技术及其配套机械装置，查阅相关文献，学习相关知识，并针对当前已有机械展开研究，提出改进意见。利用现代化的理论知识和科学的研究方法，对煤矿井下搅拌机进行研究，提出改进。 本设计核心内容是改进当前已有煤矿湿喷搅拌机组，针对煤矿井下有瓦斯存在，电路多会有更大的安全隐患的情况，所以将现在广泛应用搅拌机中送料装置和搅拌机两个原动机整合为采用一台原动机，为方便工人工作，降低上料装置给料高度，尤其重点解决了不共线的两轴传动问题，提高了上料装置上料和搅拌机搅拌效率，优化搅拌机空间结构，使其更便于井下施工，并对传动装置，搅拌装置进行结构设计，参数计算，强度校核，使其在满足工程应用的基础上，以最少的经济投入实现最大产出，提高生产效率。 关键词：煤矿机械，湿喷技术，搅拌机，上料装置 Wet Sprayed Mortar Mixing Unit of Coal MineABSTRACTThis paper introduces the developing course of wet spraying machinery of the coal mine and the research trend at home and abroad. Analysis of the current widely used in the coal mine technical defects of the dry spray technology for environmental pollution and harm to workers health. Study of the current market which is popular wet spraying technology and its supporting mechanism, I also study relevant knowledge, on the basis of relative literatures and in view of the current researches on the existing machinery, I put forward the improvement opinion , too. Using the theory of modern knowledge and scientific research method, study of coal mine underground mixer, improvement is put forward. The design core content is to improve the current existing coal wet spray mixing unit. Thanks to the coal mine gas exists, the circuit will have greater potential safety hazard, so it will be widely used in the mixer feeding device and mixer in two prime mover integration for using a prime mover. For the convenience of workers, it is necessary to reduce the feeding height of the feeding device, especially the key to solve the problem not collinear two shaft, improves the feeding efficiency and blender mixing device.Let the Spatial structure optimization of mixer more reasonable , make it easier for mine construction, and the transmission device, and the device structure design, parameter calculation, strength check, the product in the engineering application, on the basis of input for maximum output with the least amount of economy, to improve the production efficiency.KEY WORDS: Coal mine machinery，Wet spraying technology，Blender，Feeding device4目录前言1第1章 绪论21.1 课题研究背景21.2 课题研究意义21.3 国内外现状31.4 研究主要内容4第2章 总体方案设计52.1 已知的主要参数52.2 总体方案的确定52.3 总体方案的说明8第3章 主要结构参数及工作参数设计103.1 搅拌机容量确定103.2 搅拌结构参数确定103.3 搅拌功率的计算163.4 搅拌轴转速的计算103.5 上料装置输送量的确定103.6 螺旋轴转速的确定103.7 螺旋结构参数的确定103.8 上料装置功率计算203.9 传动装置工作参数计算21第4章 结构设计及主要零部件设计254.1 搅拌轴的设计254.2 上料装置螺旋轴的设计284.3 搅拌机结构设计304.4 上料装置螺旋输送机结构设计324.5 其他零部件设计34第5章 强度校核375.1 搅拌轴的校核375.2螺旋轴的校核41结论44谢 辞45参考文献46附录47外文资料翻译48前言搅拌机是一种集合物料的混合、输送、加水和速凝剂添加四个过程于一体且自动完成整个过程的机械装置。在煤矿巷道支护中干喷技术占非常主要地位，可是干喷工艺由于高达 30%50%的回弹率和施工工程中产生的较多粉尘会使施工工人难以忍受，这是有害于施工者身体健康的事情，而且还同时降低喷浆质量。湿式喷浆机将回弹率5%粉尘降至 10mg/L 以下，湿喷技术严肃按配合比加水，实时连续不间断的供料，这样既节省了运料装料时间和劳动力，还大大降低了工人劳动强度，而且呢还可大大保证混凝土施工质量。本次课题研究的对象是煤矿湿喷砂浆搅拌机组，湿喷搅拌机组及其配套可以有效解决干喷技术的一系列问题，而且对现有的广泛应用的煤矿湿喷砂浆搅拌机组进行结构及性能优化，使其生产效率更高，结构更加合理，运行维护更加方便。整机结构包括内部采用螺旋的上料装置，及配套速凝剂添加装置的搅拌机，和动力传动装置，以及相应的提供整机空间机构支撑的整车车架。研究目的是设计一套更加适用于煤矿井下的湿喷喷射机配套搅拌机，更加有利于环境保护，改进生产技术性能，优化空间布局，使之适应煤矿井下特殊的作业环境。要解决上料装置的结构设计，工作参数设计，以及搅拌机部分的结构设计和工作参数选择计算，对轴等主要零件进行强度校核计算。本次设计中的重点难点是解决不共线的两轴同步传动问题，以及改原来的上料装置和搅拌机采用两台原动机为采用单台电机提供原动力的问题。 第1章 绪论1.1 课题研究背景当今时代，化石燃料依然是全球使用最主要的能源，且短时期内很难改变。在化石能源当中，煤炭是使用占比最高的能源，而且煤炭具有经济适用、安全可靠，开采方便等优点。在未来五十年内，煤炭依然是我国开采和运用最多的能源，将继续占据我国能源结构的第一的位置。煤矿井下巷道的建设与支护是煤矿安全开采的前提和重要保障。经过调查发现，每年我国新发掘的煤矿巷道总体距离达到大概一万千米，其中煤层中的巷道支护占煤矿巷道总体长度的百分之八十左右。因此，煤矿井下巷道支护的质量对煤炭企业的经济效益和安全生产产生着很直观的重要影响。现代煤矿井下巷道建设与支护的施工过程中，要求混凝土搅拌后能够快速输送或喷射至工作点或面。干式混凝土喷射机在作业时会产生大量的粉尘，对工人的健康造成威胁；喷射后的混凝土回弹率较高，工作效率低，应用逐渐淡出。而湿式混凝土搅拌喷射作业却可以有效的缓解甚至有效解决此类问题。因此，一套集合上料，搅拌，加水，和速凝剂的设备的推广应用将会大大提高巷道支护的效率，节约支护成本。1.2 课题研究意义工程上把混合料的混合、输送、加水和速凝剂添加整个过程集中且自动完成的机械装置称作湿式混凝土搅拌机，湿式搅拌机在建设施工中有着普遍的使用，在煤矿巷道支护中更是不可或缺。目前，在煤矿巷道支护中干喷技术仍占非常主要地位，干喷工艺施工工艺很简单、施工投入的人力物力相对较少，故仍被大范围的应用在混凝土喷浆施工中。可是干喷工艺由于高达 30%50%的回弹率和施工工程中产生的较多粉尘会使施工工人难以忍受，这是有害于施工者身体健康的事情，而且同时还降低喷浆质量。湿式喷浆机将回弹率5%粉尘降至 10mg/L 以下，湿喷技术严肃按配合比加水，实时连续不间断的供料，这样既节省了运料装料时间和劳动力，还大大降低了工人劳动强度，而且呢还可大大保证混凝土施工质量。因此，湿喷搅拌机技术的推广使用研究显得迫在眉睫，主要表现在以下三个方面：1.从技术层面出发，经济节约，提高工作效率。2.从市场和行业竞争层面，以及厂矿的迫切需求上出发，满足国内煤炭业发展及日常施工需要。3.从创建环保节约型社会说起，提高人与自然友好相处，实现国家可持续发展战略，造福子孙后代。1.3 国内外现状煤矿井下巷道支护是国内外煤矿建设初期的主要施工工程之一。因此，混凝土搅拌机是国内外在巷道建设与支护施工过程中使用非常多的装置，根据不同的配套喷射工艺流程，主要可分为两种类型，分别是干式和湿式。目前国内外对干式的应用相对广泛，但这些喷射机存在许多问题，其替代品更为进步的湿式喷射机将是以后的发展趋势。接下来主要对国内外混凝土喷射机的发展情况进行相关介绍。就干式混凝土喷射机来说，美国里德公司的转盘式干喷机和瑞士阿里瓦公司的转子式干喷机是国外比较有代表的机型，而江西煤矿机械厂研制的ZP-V型喷射机是国内比较有代表性的一款干式喷射机。对于湿式混凝土喷射机来说，科姆佩纳斯型混凝土湿喷机、挤压泵(PC0860M)型混凝土湿喷机、阿里瓦型干湿两用混凝土喷射机都是国外比较常见的混凝土湿喷机。国内的也有几种湿喷机，其中TK一961型混凝土湿喷机最具有代表性。另外，国内还有研制了一种新型的泵送、湿喷两用机即PTB20型两用机，这种两用机同时具备湿喷机和混凝土泵的功能，现已在实际得到应用。总的来说，混凝土喷射机虽是目前国内外在煤矿井下巷道建设与支护的施工过程中运用最广泛的设备，但由于地下环境复杂恶劣，现存的设备在各种工况下也存在一些问题与不足。若要进行干喷，喷射机旁的粉尘浓度很大，施工工人处在极为残酷的劳动环境中，长期以来会对工人的身体健康造成严重伤害。针对这些问题，国外发达国家大部分的煤矿井下巷道支护作业已经采用了湿喷是将搅拌技术及喷射技术，这几乎占到了发达国家相关作业中80%以上的比例；而在我国，之前我们倡导先发展或治理的思想，很多企业负责人只顾眼前经济效益，而将环境保护，工人健康抛之脑后，还有重要因素是，湿喷技术工艺成本较高，因此也限制了我国广泛采用湿喷技术，而导致了目前干喷技术工艺占据煤矿井下巷道支护作业一个非常大的比例的现状。2010年以来，我国政府有关部门相继出台了几条政策法规意见，引导煤矿企业逐步淘汰环境污染严重，对工人健康危害较大的干喷巷道支护作业技术，逐步推广应用能够替代干喷工艺的湿喷巷道支护搅拌喷射技术，扩大使用比例，所以湿喷技术，以至于煤矿湿喷搅拌机迎来了好的发展机遇。1.4 研究主要内容本课题研究的煤矿湿喷搅拌机组为实际生产工程技术应用，主要解决结构设计及确定设备的相关参数，具体的研究步骤如下：1.查阅国内外混凝土搅拌机组的相关文献资料，了解其国内外现状和发展趋势。2.熟悉相关的混凝土搅拌技术，对比现有的设备存在的缺陷，拟定出混凝土搅拌机组的设计方案。3.通过方案对比与分析，选择合理的设计方案，并结合有关参数计算出结果，完成搅拌输送机的设计。4.通过不断地结构设计和参数计算，强度校核，找出搅拌机组结构设计中的缺陷，为混凝土搅拌输送机结构改进提供理论基础，并在此过程中不断对设计进项优化改造。最终找到一种，既能解决生产过程中的需要，又能最大程度上满足经济性要求且经济节约，设计合理，环境保护的解决方案。解决当前煤矿湿喷过程所遇到的主要工程问题，减轻工人劳动强度，提高生产效率。研究的主要内容为，上料装置的设计，搅拌装置的设计，传动装置的设计，整车架小车结构设计，以及主要零部件的强度校核等。第2章 总体方案设计2.1 已知的主要参数2.1.1 煤矿井下情况普遍情况下的煤矿井下巷道的情况为，横截面类似圆柱形，横宽为4.8m，纵高为3.7m，既所涉及的煤矿搅拌机组总宽度应小于4.8m，总高度需小于3.7m，此能保证其正常运行行走工作。煤矿井下巷道都有轨道，所以为了方便搅拌机组在煤矿巷道的行走，使其设计成与井下通用矿车共用行走轨道，中国煤矿井下巷道的通用矿车轨距有两种，一种是600mm，另一种是650mm，这里为搅拌机组设计的采用较为广泛的600mm，当然，车架行走装置，轨距可根据实际情况进行改造成650mm。2.1.2 搅拌机组设计要求给定的要求为：1.搅拌机组生产能力8T/h；2.输送、搅拌粒度要求为12mm。3.进料斗高度尽量低，不高于1.5mm；4.集输送与搅拌物料于一体；5.要求适应煤矿井下特殊工作环境；6.搅拌部分为水平，电机不能用太多；7.搅拌物料为固体（混凝土）液体（水）混合物料；8.要求搅拌后的物料经喷射机直接喷到巷道外壁上，既要求具有时间较短的凝固效果。2.2 总体方案的确定可行的方案共有以下三种：2.2.1 方案一方案一如图2-1所示。 图2-1 方案一结构设计图说明：这个方案的优点是结构简单，制造方便，整体紧凑，内部选用螺旋叶片，可以实现边输送边搅拌，低端进料后，物料在螺旋叶片的旋转作用下，边混合均匀边加水搅拌，到达尾部时搅拌完成，成品泄入喷射机，完成成搅拌过程。缺点是：容易搅拌不充分，搅拌桶不水平，如易造成水往低处流，造成上部缺水而造成搅拌不均匀。2.2.2 方案二方案二如图2-2所示。说明：这个方案实现了要求中斜着输送物料，水平搅拌的目的，整体效率较高，将输送物料和搅拌物料隔离进行，互不干涉，同时工作，且水平搅拌水不回流，物料搅拌充分，且螺旋输送机和搅拌机安装在一个机架上面，方便移动，运输方便，满足多项要求。缺点是，整机选用了两组电动机和减速器和联轴器，耗能大，开关多，线路复杂，开关过程中产生的电火花危险更大，非常不适宜在煤矿井下特殊的工作环境，矿井下瓦斯多，空气流通性小，电机多开关多极易造成瓦斯爆炸，危害工人生命安全，违背了安全生产的原则。 图2-2方案二结构设计图2.2.3 方案三方案三如图2-3所示。 图2-3 方案三结构设计图说明：方案三不仅结构合理，而且紧凑，采用螺旋输送机输送上料，方便工人进行上料操作，比较人性化，搅拌机水平搅拌，边搅拌边把物料向后输送，搅拌与输送同时进行，搅拌充分效率高。螺旋输送机轴与剪板机轴采用万向联轴器连接，实现了共用一个电动机传动，这不仅是一个创新，同时节约了电能，而且在煤矿井下有瓦斯的情况下，显得更为安全可靠。总计效率好，安全紧凑，可以满足要求。螺旋输送机进料口较低，体现了人文关怀，给水可控制，更加适应多种环境，机架采用螺栓连接，更加灵活。此搅拌机组的应用将大大改善矿井下喷浆作业作业环境，降低劳动强度，节约原料，保护环境。 综合考虑上述要求，方案一过于简单，生产效率低，且有水回流问题，不宜选用；方案二，结构复杂，两个电动机，调试麻烦，无法应对矿井下施工安全问题；方案三，结构紧凑，复杂程度始终，车架机构灵活，移动方便，操作方便，劳动强度低，生产效率高。综上所述，确定方案三为总体方案，作为本次设计课题研究的对象。2.3总体方案的说明2.3.1 上料装置上料装置采用GX型螺旋输送机的结构，内部有螺旋轴，螺旋，端部轴封，悬挂轴承，进料斗，出料口和螺旋筒体等，物料经过进料斗进入螺旋筒体内，螺旋轴旋转带动螺旋旋转，在螺旋旋转产生的摩擦力的作用下，物料被“带走”，物料在螺旋输送机中的运动，是一种空间旋转运动，螺旋输送机倾斜30放置，在低端开进料口，进料口成喇叭状，中心轴线垂直地面，进料斗与螺旋筒体采用焊接连接。出料口设置在高端末尾，采用直接与搅拌机进料后口的对接连接方式，用螺钉螺栓连接，既物料经人工加入进料口到螺旋输送机中，物料在螺旋旋转产生的摩擦力作用下在螺旋筒体中绕螺旋轴以一定的转速旋转向上运动，至出料口处流入搅拌机，螺旋轴旋转的动力来自搅拌机轴经球笼式万向联轴器传递过来。2.3.2 搅拌装置 物料经上料装置从螺旋输送机低端送到高端出料口，由于上料装置的出料口与搅拌机的进料口对接，所以物料直接流入搅拌机。搅拌机由搅拌轴，搅拌叶片，搅拌机筒体，端部轴封，加水装置和速凝剂添加装置等构成。物料进入搅拌机后，加水装置给水，物料在搅拌轴旋转带动安装在搅拌轴上的搅拌叶片旋转，使物料与水充分混合，同时为了便于物料经过搅拌后可以直接经喷射机喷射到施工面达到快速凝固的效果，搅拌混合的同时，有速凝剂添加装置按照一定比例加入适量的速凝剂，并在搅拌机中与物料，水，混合。物料在搅拌机中一边混合，一边在搅拌叶片旋转产生的轴向推力的作用下向后运动，混合均匀后的物料到搅拌机出料口泄入喷射机中，喷射到施工面。物料在搅拌机中的运动与在上料装置中类似，既是绕搅拌轴旋转和沿搅拌轴做轴向运动的合成运动。搅拌轴的动力来自于电动机经过减速器，联轴器传递过来。2.3.3 传动装置动力传动装置，是本次设计中的重点难点所在，既两个轴的运动采用一台原动机，不共线两轴的传动问题。为了矿井下特殊的作业环境，原动机采用防爆电机，可增加安全系数，电动机产生的转矩经联轴器传递给减速器，经过减速器合适的传动比，产生设计需要的转速转矩，经过联轴器传递给搅拌轴，搅拌轴与螺旋轴要同步等转速，且上料装置为倾斜，搅拌装置为水平，所以此处采用，传动效率高，可传递的两轴夹角高达35的万向联轴器既球笼式万向联轴器来实现。电动机和减速器安装在机架上，轴线与螺旋轴等高，万向联轴器连接螺旋轴和搅拌轴的各一端，以实现同步不同线传动。2.3.4 小车系统上料装置，搅拌机和传动装置由整车车架系统提供空间支撑固定，以实现设计布局，整车车架由型钢铸铁等构成，经由螺栓螺钉连接，按照设计图纸实现设计装配，行走系统采用我国煤矿井下巷道铁轨的通用标准，采用矿车车轮行走，车轮轨距采用煤矿上广泛设计的600mm，也可结合厂家实际情况，实现定做。9洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 主要结构参数及工作参数设计3.1 搅拌机容量确定3.1.1 搅拌机额定容量搅拌机的各种不同含义的容量之间有如下关系：1.进料容量 （又称装料容量）是指装进搅拌筒未经搅拌的干料体积。2.出料容量 （又称公称容量）是指一罐次混凝土出料后捣实的体积。它是搅拌机的主要性能指标，它决定着搅拌机的生产率，是选用搅拌机的重要依据。3.各种容量的关系：（1）搅拌筒的几何容积（指搅拌筒能容纳配合料的体积）和进料容量的关系： （3-1）（2）搅拌好后卸出的混凝土体积和装进干料容量的关系： （3-2）式中为出料系数。3.1.2 搅拌机工作时间1.上料时间从进入上料装置料斗开始到料斗内混合干料全部进入搅拌筒的时间；2.出料时间从搅拌筒内卸出的不少于公称容量的90%（自落式）或93%（强制式）的混凝土拌合物所用的时间；3.搅拌时间从混合干料中粗骨料全部投入搅拌筒开始，到搅拌机将混合料搅拌成匀质混凝土所用的时间；4.工作周期从上料开始至出料完毕一罐次作业所用时间。3.1.3搅拌机的生产率及容量混凝土搅拌机的生产率的计算公式为： （3-3）式中 生产率，； 进料容量，； 每次上料时间，s；使用上料斗进料时，一般为； 每次搅拌时间，s；随混凝土坍落度和搅拌机容量的大小而不同，可参考搅拌机有关性能参数； 每次出料时间，；出料时间一般为； 出料系数，对混凝土一般取，砂浆取。综上：取20s，取45s，取20s，取0.68 （3-4） 由公式3-1得：则由公式3-2得： 3.1.4容积利用率的分析容积利用率j的选择主要是以搅拌质量的优劣为依据，在确保搅拌质量的前提下，越大越好，这样几何容积能充分的利用。此外，的大小还受到其他条件的约束：第一，搅拌机的设计需要具备10%的超载能力，以应对卡死或者过载现象；第二，按设计标准规定，出料体积与进料体积之比为0.65，同时搅拌筒的几何体积应该大于搅拌时的进料体积。故以上两个约束使得的上限不得大于0.59。即： （3-5）同时根据有关资料可以得出应小于0.6，否则搅拌质量将受到影响。 3.2 搅拌机结构参数确定3.2.1 搅拌机筒体设计 一般使用的搅拌机筒体都是圆柱形，主要结构有筒体和前后端盖组成，然后由支架安装在固定车架上，筒体在进行搅拌过程中，筒体内的压力和容量都是有规定的。考虑煤矿井下特殊的工作环境，此处选择圆柱形筒体。根据工作要求，需要筒体的公称容积Vg达到0.3m30.5m3 （工作时的容积）。1.筒体长径比的选取 筒体长径比的选取主要取决于以下几个因素： （1）长径比对搅拌功率的影响； （2）长径比对物料特性的影响； 图3-1 筒体的直径与长度示意图 （3）长径比对搅拌质量的影响； （4）筒体外观结构； 综合上述因素，在搅拌质量的影响方面，应该与搅拌叶片的布置联合起来考虑分析，长径比直观角度看起来不应过大，因为搅拌轴向距离太长，搅拌均匀的物料有可能失去均匀特性，又因为叶片的运动总是绕轴线作圆周运动，其物料的轴向运动只能靠叶片的螺旋角产生一定的轴向推力，此力的大小总是有限的。要在短时间内使搅拌物料在轴向达到均匀效果，长径比应控制在1-3之内为宜。对于单卧轴搅拌机，长径比小于1时，外观不好，有失稳的感觉。综合上述因素并结合国内外机型的经验数据，长径比应控制在L/D=1-3的范围内，考虑到煤矿及巷道的特殊环境，最终取L/D=3为最宜。 筒体的罐体的长径比最终确定以后，还要根据不同形式的搅拌筒所允许的一次出料量来选择合适的装料系数，然后需要经过一系列的计算，最终确定简体的直径和长度。筒体全容积V与筒体的公称容积Vg的关系如下： (m3) (36)为了提高设备利用率，筒体进行设计时，选择适合的装料系数值是非常重要的。一般的搅拌设备通常可取0.6-0.85。如果在搅拌的程中，物料的化学反应比较剧烈，这时的装料系数可以相对取低一点，一般在0.6-0.7之间，如果物料在搅拌过程中，物料的状态没有什么剧烈变化，这时装料系数可取0.8-0.85。考虑到一般的混凝土搅拌过程几乎没有什么剧烈的反应，所以取=0.8。2.筒体长度及直径比的确定 将1中所确定参数带入下式（3-7） （3-7） 得到 （3-8） 将（3-6）代入到（3-8）经过整理得 （3-9） 式中：Vg公称容积，； 筒体长径比，取=3； 装料系数，取=0.8； 求得 则L=3x0.52=1.56m 对求得的筒体长度与直径进行验算，公式如下： （3-10）查资料得v=0.111，代入公式（3-5），求得=0.78,0.78与选取的=0.8十分接近，所以说搅拌机筒的长度直径设计是合理的。3.2.2 搅拌机构设计1. 搅拌叶片的形式 根据煤矿井下特殊的工作环境，以及混凝土的特性，选用桨叶式 图3-2 搅拌叶片结构图2.搅拌叶片大小及安装角度的确定 叶片的大小与叶片数量的多少有关，原则上叶片的有效工作长度为，其中为叶片在轴向上的重叠尺寸，这样，一方面能保证出料干净，同时又能使叶片具有一定的磨损寿命。计算时可近似取： （3-11）叶片高度h原则上综合搅拌功率和质量两个方面的因素取为： （3-12） 拟定叶片数目， 参考资料公式，可得叶片长度为： （3-13） 则由公式3-12，可计算得叶片高度为： （3-14） 叶片的结构图如图3-2所表示的。叶片安装角选取在国内国外煤矿湿喷搅拌机组上普遍选择应用的45为宜。搅拌叶片与搅拌轴的安装效果图如下所示。图3-3 搅拌叶片与搅拌轴装配效果图3.搅拌叶片最大线速度确定 如图3-3所示。在确定搅拌线速度时，一个十分重要的因素就是物料运动速度的大小不能影响到物料在图示位置时的下落运动，否则物料运动的轨迹将严重影响到搅拌质量。故设计时不能使其超过极限运动速度。 求极限运动速度，从图3-3的受力分析中可知： （3-15） 图3-4 物料运动时受力分析简图则： （3-16）式中： （3-17）故： （3-18）式中 重力加速度； 搅拌筒半径； 物料下滑时的初始水平夹角； 物料滚动时的阻力系数。同时通过对几种主要因素的变化对搅拌质量及功率的影响进行现场试验，从结果分析中得知：不能太小，为了保证混凝土质量，及目前国内外的产品统计数据，可取为下限，既v=1.2-1.4m/s。3.3 搅拌功率的计算根据： （3-19）式中： （3-20） （3-21）则： （3-22）其中： （3-23）将式3-12 代入得 （3-24）又因为 (3-25)则： 将上述参数代入并整理得： （3-26）式中 （3-27）即混凝土比阻力。根据公式3-25，可以得到：j=0.678 再根据式子3-27，可得： =9.32将已经计算得到的各个参数代入式子3-26，代入各参数，可得搅拌功率为： N=9.48KW既搅拌机部分所需要的搅拌机功率为9.48KW。3.4 搅拌轴转速的计算有公式3-21，代入已经知道的数据得到搅拌轴转速为 （3-28）有公式3-20，经过移项得到，平均阻力矩等于 （3-29）3.5 上料装置输送量的确定输送量是衡量一部输送装置生产能力的一个重要指标，在输送搅拌物料时，螺旋轴径所占据的截面虽然对输送能力有一定的影响，但是影响不大，由此输送量可按下式计算 （3-30）式中 Q输送量，（t/h）； F料槽物料层横截面积（m），； D螺旋叶片的直径； 物料的单位容积质量，见下表3-2，取2.5； 倾斜输送系数见下表3-3，取0.82。 表3-1物料综合特性系数物料块度磨琢性举例填充系数K值A值粉状半磨琢性石灰0.3-0.40.041575粉状磨琢性硫铁矿石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a60mmm半磨琢性煤0.25-0.30.057340小块状a60mm半磨琢性块煤0.2-0.250.060030大块状a60mm磨琢性硫铁矿石0.125-0.20.079515表3-2 物料的容重物 料r（t/m3）灰 与 渣0.71.03褐 煤1.11.32.2赤 铁 矿1.42.2重矿石(Cw-p6)2.02.52.2轻 矿 石1.252.02.2燕麦、大麦0.51.9石 墨0.40.61.9生 石 灰0.92.2干 石 灰0.51.9土 豆0.71.9砾 石1.51.83焦 炭0.53原 煤0.82.2分 先 煤0.91.9粘土:潮湿的泥土1.81.9面 粉0.51.9灰 泥 岩1.61.92.2砂 桨1.82.13玉米、黑麦、稻谷0.50.71.9砂1.41.73小 麦0.81.9水 泥1.01.31.9表3-3倾斜角系数倾斜角051015203001.00.970.940.920.880.82又因为上料装置疏松的物料要满足搅拌机8t/h的生产要求，则螺旋输送机的输送物料能力应该大于或者等于8t/h，根据已知条件，以及以他因素综合考虑，选取其输送量为8t/h作为设计标准的设计目标。3.6 螺旋轴转速的确定因为搅拌机和螺旋输送机共用一个电动机传动，两件机械轴用万向联轴器连接，所以应保障搅拌机与螺旋输送机的同步转动和工作运行。既转速n=46.6r/min是确定的。3.7 螺旋结构参数的确定 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Vsn/60。所以 （3-31）式中 S螺旋叶片直径； N螺旋轴转速； 为填充系数； 物料的单位容积质量，见上表3-2，取2.5； 倾斜输送系数见上表4-3，取0.82。 由上式可以看出，输送量与D、S、有关，当物料输送量Q确定后，可以调整螺旋外径D，螺旋转速n和填充系数四个参数来满足要求。由上表3-2和表3-3查得填充系数=0.38。倾斜输送系数=0.82。由于螺旋轴的转速已经确定，此时应调整其他参数来满足。此时应根据其他参数来定螺旋的直径。由于选用实体式螺旋，所以S=0.8D。既 （3-32）求得 D=342mm圆整为 D=350mm则螺距 S=0.8D=3500.8=280mm 综合以上数据及煤矿内的特殊条件选取螺旋直径D=350mm，螺距 S=KD=0.8x350mm=280mm，螺旋筒体厚度Z=10mm。3.8 上料装置功率计算上料装置螺旋输送机螺旋轴所需要的功率计算通常采用下列公式： （3-33） （3-34） 式中 螺旋输送机所需要的轴功率，KW； Q额定输送量，t/h； 总阻力系数，用于输送石灰、砂石取4； H输送长度在垂直面的投影高度，m； L输送长度在水平面的投影长度，m； 螺旋搅拌机所需电动机功率，KW； 电动机功率储备系数； 传动机构的效率一般取0.85-0.94。 代入以上数据得： （3-35）则所需要电动机提供的功率为 （3-36） 3.9 传动装置工作参数计算3.9.1 电动机的选型计算 在确定需要总的驱动功率之前，我们应该认识到，在机械运转的过程中，总伴随着功率损失，比如摩擦损失，生热损失等等，为了报站机械设备的正常运行，在选用电动机时候，应当考虑这些损失。机械运转时候，有时也会出现瞬时过载现象，把上面所说的全部考虑进去，电动机的额定功率的确定公式为： （3-37） 式中： P所需要的电机额定功率，KW； P搅拌机主轴所需功率，KW； 上料装置螺旋输送机主轴所需功率，KW； 整个传动过程中总的机械效率。普遍的一种情况下，密封装置的功率损失可以看成是搅拌机主轴功率的0.1倍，其他传动装置的效率可以按照机械零件手册选取联轴器：0.96减速器：0.95轴承：0.97万向联轴器：0.98那么总的机械效率是 由之前的计算可以知道，搅拌机主轴功率为9.48KW，上料装置螺旋输送机主轴所需要的功率为4.2KW，把求得的各个数量值代入公式（3-37）。 型号额定功率转速Y160L-415KW1460r/min图3-5 Y160L-4防爆电机及参数得到 （3-38）圆整电机功率为15KW，结合煤矿井下特殊的工作环境和限制使用电源开关量的条件，选取Y160L-4防爆型三相电动机，作为搅拌机组主轴和螺旋输送机的驱动电机。它的样式和主要参数如3-4图3.9.2 减速器的选型计算减速器是整个搅拌机组最主要的传动装置，对于搅拌机和上料装置输送机能不能正常而稳定的工作运行起着至关重要的作用，根据电动机的主轴转速转矩，和搅拌机轴，上料装置螺旋输送机轴所需要的转速转矩来确定选择用什么样的用哪一种减速器。根据前面计算获得的数量数值，不难知道，搅拌轴和螺旋轴的转速为46.6r/min，电动机主轴转速为1460r/min。又根据总的机械效率，所以总的传动比为 （3-39）故减速器传动比可以定为31.5，考虑到煤矿井下特殊的工作条件和工作环境工作情况，选择ZL型减速器，其和电动机通过联轴器进行连接。 图3-6 Y160L-4防爆电机与减速器3.9.3 联轴器的选型搅拌过程中，随着物料粒度有可能发生的变化，则搅拌过程中可能伴随着冲击存在，所以联轴器应该可以应对这种冲击载荷，及短时的过载具有保护作用，同时为了减小搅拌过程中可能产生的同轴偏差传动，弹性柱销联轴器具有这些特点，而且弹性柱销联轴器结构简单，不需要润滑，过载保护好，更换方便，因为它是半联轴器安装，所以安装及更换简单，所以电机的减速器的联轴器以及减速器和搅拌轴的联轴器均采用弹性柱销联轴器。 图3-7 弹性柱销联轴器 第4章 结构设计及主要零部件设计4.1 搅拌轴的设计搅拌轴是整套搅拌设备最核心的零件的其中之一，担负着搅拌机工作传动，支撑，承载搅拌叶片，让搅拌叶片转动，并让搅拌机实现搅拌功能，以达到搅拌机的设计目的，服务生产，满足设计要求。这个搅拌机的传动步骤为，电动机通过减速器，联轴器将转动传递给搅拌轴然后让搅拌轴旋转，以实现搅拌目的，完成混凝土混合搅拌目的。本次研究的搅拌机的搅拌轴两端由轴承支撑，中间等距安装搅拌叶片。4.1.1 搅拌轴材料的选取 45钢的密度是7.89g/，杨氏模量是210GPa，泊松比为0.31。调质的目的是淬火加高温回火的双重热处理，为了使搅拌轴具有更好的综合机械性能。45钢材料加工工艺成熟，应用广泛。所以搅拌轴选用45钢作为它的材料，还要经过调质处理。45钢是中碳结构钢，具有的良好的机械性能，并且价格比较便宜、材料来源广。它的比较大的弱点是淬透性很低。4.1.2 依照扭转强度来计算轴径搅拌轴的扭转强度计算如下式： （4-1）式中：扭转切应力，MPa； T搅拌轴所受的扭矩，Nmm； 轴的抗扭截面系数，mm； n 轴的转速，r/min； P 轴的功率，kw； D 轴的直径（既要求的轴的直径），mm； 轴的许用扭转切应力，MPa。将式4-1移项化简得，可得轴的直径计算公式为 （4-2） 把已求得的P=9.48kw，n=46.6r/min，以及取，代入式4-2里面，求得到轴的最小轴径为d42.389mm4.1.3 依照扭转刚度来计算轴径在搅拌机搅拌的过程中中如果轴的刚度不足，则工作过程中，有可能产生变形，进而影响到安装在搅拌轴上搅拌叶片不能按照正常的工作轨迹运行，从而会造成交办的物料不均匀，质量参差不齐，或者达不到预先要求，以至于生产失败。轴的变形还会加速损坏与此轴配合的零件，带来经济损失，严重的会造成安全隐患，甚至威胁工厂财产，人身安全。根据材料力学可知，计算轴的扭转强度可以根据单位长度的扭转角不可以大于许用扭转角，并以此为刚度条件，其公式如下 （4-3） 式中：轴的扭转变形扭转角，； G剪切弹性模量（），MPa； 惯性矩，；扭转角值得大小和扭转刚度是反比关系，和扭矩是正比关系，和许用扭转角的数量值是由事实条件确定的，普遍的搅拌轴选用，取，代入到这个公式 （4-4）这样便会得到搅拌轴的直径是这样，我们都知道一个事实，就是搅拌轴的直径数量值不仅要满足强度条件，还得要满足刚度条件。普遍的一种情况是这样，依照刚度条件算得的搅拌轴的轴径相对来说会比较大，故对于搅拌轴来说，关键是要根据刚度条件来确定轴径数值的大小，因为第一段轴径是用来连接联轴器，所以第一段的轴径最小，根据电机经减速器输送的转矩，查询参照机械零件手册对应的减速器的值，取第一段轴的轴径为=45mm，第一段轴长定为55mm。 图4-1 搅拌轴结构示意图4.1.4 初步确定轴的各段长度及直径由于第一段轴是用来连接联轴器的，承载着电动机和减速器传递来的转矩和转速，第一段轴与第二段轴由轴肩来过渡，一般轴肩的大小为5-20mm，第二段轴上还要安装轴承端盖，第三段轴安装轴承，第二段轴与第三段轴也是轴肩过渡，查询所选用的轴承直径尺寸，综合以上两种情况考虑，则第三段轴经定为=60mm，根据轴承的宽度，确定第三段轴段的长度为35mm，第二段轴。第四段轴用来安装搅拌叶片，根据搅拌叶片所需要的轴径确定为=75，由于要安装12片搅拌叶片，综合考虑为=1455。安装搅拌叶片的轴段接下来是安装悬挂轴承的第五段轴，由选用的悬挂轴承综合考虑，选用=60，由轴承所需要的宽度来定第四段轴长度为35mm。第六段轴作为与最后一段轴的过渡，综合考虑设计为由于最后一段轴需要连接万向联轴器，先定最后一段轴的轴径和长度，最后一段轴制成四方体段，以方便与万向联轴器进行短连接，则为=30mm，=35mm。搅拌轴结构如图4-1所示。三维图如下图。图4-2 搅拌轴三维结构示意图4.2 上料装置螺旋轴的设计螺旋轴是整套搅拌设备的上料装置最核心的零件，它承载着螺旋叶片的转动，从而把物料从螺旋筒体低端传送到高端位置，实现物料的添加，输送，并进入搅拌机筒体完成搅拌操作。该轴固定在螺旋输送机筒体两端的轴承上。4.2.1 螺旋轴材料的选取 螺旋轴的材料和搅拌轴的材料相同，选用45钢。4.2.2 依照扭转强度来计算轴径螺旋轴的扭转强度计算如4-1式：把已求得的P=3.37kw，n=46.6r/min，以及取，代入式4-1里面，求得到轴的最小轴径为d34.199mm4.2.3 依照扭转刚度来计算轴径和搅拌轴类似，其公式如下 （4-3） 式中：轴的扭转变形扭转角，； G剪切弹性模量（），MPa； 惯性矩，；扭转角值得大小和扭转刚度是反比关系，和扭矩是正比关系，和许用扭转角的数量值是由事实条件确定的，普遍的搅拌轴选用，取，代入到这个公式 （4-4）得到，根据设计知道，最小轴径用来安装固定垫圈，所以需要在轴上车槽，最小轴径定为d=36mm。 图4-3 螺旋轴结构示意图4.2.4 初步确定轴的各段长度及直径第一段轴上安装角接触球轴承的，第一段轴与第二段轴由轴肩来过渡，查询所选用的角接触球轴承直径尺寸，第一段轴径定为=60mm，由于轴承的宽度因素，第一段轴段的长度为35mm。第二段轴是螺旋轴的主体，用来安装螺旋叶片，并带动螺旋叶片转动，以达到运送物料的目的。充分考虑螺旋叶片所需要的轴径确定为，第二段轴径直径为=70mm，根据螺旋输送机安装角为30，螺旋输送机进料口的设计高度，和与搅拌机筒体对接的高度，确定=2737mm。第三段轴安装悬挂轴承，内部选用的轴承与第一段轴安装的轴承一样，选用=60，由轴承的宽度来定第段轴长为35mm。接下来是过渡轴段，接下来的一段轴段上面车三个槽，分别用来定位球笼式万向联轴器的密封橡胶套的紧固圈以及球笼式万向联轴器的中心从动球体的定位卡紧弹性挡圈，这段轴的轴径，三个槽的位置以及螺旋轴的结构在图4-3上标示。4.3 搅拌机结构设计4.3.1 搅拌机筒体结构设计前面第三章已经对搅拌机筒体长径比做出选择，并计算出了搅拌机筒体的长度和直径，选取工程上常用的筒体厚度4-16mm,此处选择筒体厚度为10mm，搅拌机搅拌物料，所以搅拌工作的进行以及搅拌功能的实现依赖物料的流动进出，同时，为了保障混凝土搅拌后直接可以通过喷射机喷射到巷道外壁上，要达到速凝效果，既搅拌过程中需要加入速凝剂，由于这个方案采用送料装置尾部直接与搅拌机前端接合，即物料经输送装置直接流入搅拌机进行搅拌，所以搅拌机前端盖要开进料口，综合来说，搅拌机筒体设计图如下图4-4.4-5所表示 图4-4 搅拌机筒体的总体结构示意图图4-5 搅拌机筒体结构示意图4.3.2 搅拌机整机结构设计如图4-6所示，搅拌机由搅拌机筒体，搅拌轴，搅拌叶片，加水装置，速凝剂添加装置，悬挂轴承组成，搅拌轴左端固定在悬挂轴承上，悬挂轴承通过悬挂臂焊在搅拌筒体上，达到固定效果，由于悬挂轴承附近不断有混凝土物料通过，所以要采取密封装置，本次设计的密封装置为在悬挂轴承两端安装轴承盖，轴承盖中加入密封毡圈，以此来防止混凝土进入轴承内，破坏轴承结构剪短轴承寿命。搅拌机左端与螺旋输送机的末高端相接，物料经过左端进料口直接进入搅拌机筒体中，参加生产，筒体上还开设有共检查人员查验混凝土搅拌质量，以及维护内部搅拌轴和搅拌叶片的人孔。以及为实现搅拌的加水装置，加水装置可以根据生产情况，物料情况等进行人为调节，以达到生产需要，搅拌叶片通过焊接在连杆上，再通过安装套用螺栓螺钉安装在搅拌轴上，搅拌机右端尾部采用轴封结构，以防止外界影响搅拌机内部工作和搅拌混凝土质量。筒体上有速凝剂添加孔，和出料口，整机结构如图4-6所示。 图4-6 搅拌机总体结构示意图 搅拌机整机结构有如图4-7。图4-7 搅拌机结构示意图4.4 上料装置螺旋输送机结构设计 上料装置采用螺旋输送机来运送物料，螺旋输送机是十分常用的输送机械，用来输送粉状或者粒状物料，输送物料还有温度要求，要求不超过200C，结构主要包括，螺旋输送机筒体，螺旋叶片，螺旋轴，端部轴封，以及进料斗，出料口等，一般由电动机径减速器联轴器提供动力，运转工作，根据螺旋过程中产生的摩擦力及轴向分力来促使物料运动，实现输送目的。螺旋输送机的结构采用工程上常用的GX型螺旋输送机结构。 表4-1 GX型螺旋输送机内的物料参数物料名称煤粉水泥生料 碎石膏石灰物料容重填充系数物料特性系数物料特性系数物料阻力系数0.60.4 0.0415751.21.25 0.250.3 0.0565352.51.1 0.250.3 0.0565351.51.3 0.250.3 0.0565352.50.9 0.350.40.0415754.4.1 总体尺寸设计 根据与搅拌机前端进料口对接要求，选择螺旋输送机安装倾角为30度，根据普遍使用的工程机械的壁厚，选择螺旋输送机的壁厚与湿喷搅拌机的壁厚一致，为10mm，螺旋直径为D=350mm，由于是实体式螺旋，则螺距s=0.8D=3500.8=280mm。总长根据安装时候测量，总长度定为2940mm。4.4.2 螺旋的设计螺旋叶片是容易磨损的零件，必须要很经常的更换。螺旋通常制成一个螺距那么长的单个螺距，然后，再把他们整体安装到螺旋轴上，或者一起按顺序焊在螺旋轴上，以实现设计要求，螺旋转动时候带动物料运动，实现运输。根据经验，螺旋叶片的厚度设计为10mm，然后螺旋升角采用45度，右旋。4.4.3 附件设计附件包括进料斗等，为了方便工人工作操作，故应使螺旋输送机的进料添加斗尽量低，以达到人文关怀，此处的设计为1378mm。综合以上可以得到螺旋输送机的设计出图为 图4-8 螺旋输送机结构示意图螺旋输送机的动力来自于电动机联轴器减速器联轴器搅拌轴球笼式万向联轴器螺旋轴。4.5 其他主要零部件设计4.5.1 球笼式万向联轴器球笼式同步万向联轴器，它是使用几个钢珠分别置于与两根轴连接的 图4-9 球笼式万向联轴器内外星轮槽里面，这样便可以实现两根轴的同步转速传动。球笼式万向联轴器传动效率高，传递强度大，传动效率高达0.97，可传递的两轴夹角最大可以为35。所以，选用球笼式万向联轴器作为搅拌机轴和螺旋输送机轴非共线传动的传动装置联轴器，其结构图如下图所示。4.5.2 搅拌机密封装置 图4-10搅拌机密封装置如图4-10所示，搅拌轴伸出部分需要采用密封装置，来把搅拌机内部与外界隔开，以保证内部搅拌的正常进行，且不妨碍内部搅拌完成后的混合匀质混凝土的质量。这里的密封装置有密封盖板，密封毡圈等组成，密封盖板由4个螺钉安装在搅拌机筒体端盖上，密封盖板上开有槽，槽上安装密封毡圈，整个装置的核心零件是密封毡圈，密封毡圈采用半粗羊毛毡。靠密封毡圈达到密封效果。4.5.3 螺旋输送机端部密封装置 图4-11 螺旋输送机端部密封装置像图所标示出的，螺旋输送机端部密封采用轴承不透盖，另一侧采用密封毡圈密封，整个密封装置的主体为端部法兰，此法兰为特殊零件，单独加工出来。不是标准件，端部法兰既可以作为螺旋输送机的筒体端盖，上面有加工有轴承座，供此端轴的固定。轴承不透盖由螺钉安装在端部法兰上，端部法兰与螺旋输送机筒体用螺栓螺母连接。第5章 强度校核 5.1 搅拌轴的校核 5.1.1 按弯扭合成应力校核轴的强度 为了确保轴能安全使用，并在使用中不出现意外情况，导致生产停滞，所以需要对轴进行强度校核，最典型的轴的校核方式为按照弯扭合成应力来对轴进行强度校核。1.求轴所受转矩已知参数：搅拌轴功率：搅拌轴转速：搅拌轴所受的扭矩的求解公式如下： （5-1） 式中：P搅拌轴功率，kw；n搅拌轴转速，r/min；T搅拌轴所受扭矩，。将P，n的值代入公式5-1中求得： （5-2） 2. 求轴所受阻力矩由求得的搅拌轴的扭矩的前提，求解轴所受动力。搅拌轴所受动力求解公式像下面表示的 （5-3）式中：T搅拌轴所受扭矩，；F搅拌轴所受动力，KN；搅拌叶片半径，mm。将T=1942.7897，代入式5-3中，求解得 （5-4）由力的平衡可知，搅拌轴在搅拌过程中，必将受到一个阻力和动力大小相等，方向相反，这个阻力应为，另外还要考虑混凝土的粘滞作用产生的力，查找相关文献可得此力为，所以搅拌轴整个搅拌过程受到的阻力为求阻力矩 （5-5）由之前确定的轴的结构，画出轴的载荷分析图，如下图所示 图5-1 搅拌轴的载荷分析图由图中得出，轴的中间截面是危险截面，所以要对轴的中间截面进行弯扭合成应力来进行强度校核，校核的式子如下 （5-6）式中：轴的计算应力，MPa； M 轴所受的弯矩，； T 轴所受的扭矩，； W 轴的抗弯截面系数，； 引入折合系数；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，MPa，从机械设计课本表15-1查得45钢调质处理的许用弯曲应力=60MPa从弯矩图中可以明显看得出，轴的最大弯矩是，轴所的扭矩为1972789.7，轴的扭转求应力是脉动循环变应力，故的值应取0.6，因为轴是实心的，所以，可知此段中间轴的直径是d=75mm。将上面叙述的各数量值代入公式5-6得到 （5-7） 所以 （5-8） 所以这个截面是安全的，既按照弯扭合成应力对轴进行强度校核满足条件。5.1.2 根据轴的临界转速校核轴径当轴的工作转速很靠近它的临界转速时候，搅拌轴就会产生振动的现象，会造成生产的延误，零件的损毁，搅拌质量达不到要求，所以要杜绝这种现象的发生，要对轴的临界转速进行校核，得保证工作转速。，它的力学模型如下图 图5-2 搅拌轴的力学模型 （5-9）式中：根据轴的体积，密度和搅拌叶片搅拌连杆安装套的体积，算得轴的质量为，搅拌叶片的质量为，轴的长度L=1740mm，最小轴径， （5-10）5.1.3 轴的扭转刚度校核计算轴的扭转刚度变形用每米长的扭转角。圆柱轴的扭转角的计算公式为： （5-11）公式里面：TG；I轴的扭转刚度条件为 （5-12）公式里面，此处，搅拌轴的精度不太高，又作为传动轴，所以取。将T=1942789.7，d=75mm代入公式5-11得 （5-13） （5-14）所以，按照轴的扭转刚度校核算得，轴满足条件。所以这个轴的设计满足使用要求条件。 5.2 螺旋轴的校核校核理论依据同5.1中对搅拌轴的校核，下面按该理论来对螺旋轴的强度进行校核。5.2.1 按弯扭合成应力校核轴的强度1.求轴所受转矩已知参数：螺旋轴功率：螺旋轴转速：将P
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