毕业设计（论文）-混砂车输砂器的设计.doc

混砂车输砂器的设计 郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要 螺旋输砂器是混砂车的核心部件之一，螺旋输砂器输砂性能的好坏，决定着混砂车的工作效率，混砂车的工作效率直接影响到整个压裂固井作业的效率。螺旋输砂器的工作原理是利用其物理性能将砂输送到混砂罐车内。本课题是根据给定的性能参数，确定螺旋直径和螺旋轴径，再进行螺旋输砂器结构参数的设计计算。进一步设计螺旋输砂器的螺旋轴、螺旋叶片、连接法兰、前后端的结构、以及筒体和支架，校核螺旋轴、上端轴和下端轴，选择轴承和验证轴承的使用寿命。对法兰轴连接和轴承密封与润滑进行优化，达到在恶劣环境下的使用条件，提高工作效率，延长使用寿命。再对螺旋叶片下料方法的确定，计算画出螺旋叶片的下料图。利用CAXA软件完成螺旋输砂器的总装配图，螺旋输砂器装备图，筒体、螺杆、料斗及支架的零部件图。关键词：混砂车；螺旋输砂器；结构设计；设计计算ABSTRACT Sand conveyor is one of the most important constituents of the sand blender, whose capacity to send sands can evaluate the efficiency of sandconveyor. The efficiency can influent the fracturing operation directly. The operating principle of sandconveyor is that sands can be sent to mixed sand tank car with its physical properties.According to the performance needed parameters, The purpose of this thesis is that how to confirm the spiral diamete and diameter of axle, and then conduct the design and calculation of the structural parameters of sandconveyor, with the help of the needed parameters. The next step is to design screw shaft,screw blade, structure, connecting flange, holder, screw axis,front and back side structure, selecting the working life of bearing. Tester can optimize flanged shaft and the sealing and lubrication of bearing, in order to sand conveyor can be used in harsh environments and improve its efficiency and working life. And the next, the method to ensure screw blade and the cutting diagram of screw blade can be calculated. Finally, the last procedure is that the general assembly drawing, figure equipment, barrel, and screw hopper of sand conveyor, and parts of parameter of holder can be completed with CAXA.Key words: sand blender；screw conveyor；structural design；design calculation目 录第1章 绪论1.1 混砂车的用途及组成11.2 混砂车输砂器的功能及组成21.3 本课题研究的内容21.4 本课题研究的意义4第2章 螺旋输砂器的参数的确定及设计方案2.1 螺旋输砂器的设计参数52.2 螺旋直径的确定52.2.1 确定螺旋直径的方法52.2.2 螺旋直径的确定62.3 螺旋输砂器的功率72.4 螺旋输砂器的设计方案7第3章 混砂车螺旋输砂器各部件的设计3.1 螺旋体的设计93.1.1 螺旋轴的设计93.1.2 螺旋叶片的设计103.1.3 螺旋轴的校核133.1.4 法兰的设计153.2 轴的设计和轴承的选择163.2.1 下端轴设计和轴承选择163.2.2 上端轴设计和轴承的选择193.3 筒体的设计203.4 料斗的设计213.5 支架的设计22第4章 润滑与密封4.1 轴承的润滑244.2 各部件的密封24第5章 叶片的制造工艺5.1 叶片的下料方法255.2 叶片的下料图255.3 叶片材料的选择及下料275.4 叶片的拉伸成形27总结与展望28参考文献30致谢32附录33第1章 绪论1.1 混砂车的用途及组成 混砂车（见图1.1）是油田压裂、防砂作业的主要配套设备，主要用于混合、搅拌、输送压裂作业需要的砂液等介质。该设备具有能够在零下30至40的环境温度范围内满负荷连续工作6小时以上的能力。适用于配制各种不同添加剂的压裂液，可向各型压裂车泵送不同砂比、不同粘度的压裂液，完成大、中型压裂施工。本设备为车载式，能适合无等级路面行驶，并适用于粗糙路面、风沙灰尘、泥泞的油田环境。混砂车是目前油田压裂广泛使用的一种机型，其作业性能稳定，混砂量大，可为多台联机作业的压裂机提供稳定充足的砂液供应。混砂车主要由底盘部分和台上部分组成。台上部分主要由台上发动机、液压系统（包括散热系统）、吸入和排出系统、输砂和混砂系统、液体化学添加剂添加系统、干粉添加系统和数据采集系统等几大部分组成。该车采用全液压驱动，车台柴油机输出动力，经分动箱并带动四组油泵，六组油泵在分别驱动各油马达以实现输砂、搅拌、胶联、干添、吸入等工作。 图1.1 混砂车示意图1.汽车；2.液压系统；3.台上发动机；4.传动系统；5.操作台；6.仪表台 7.干添加剂加入装置；8.混合罐；9.螺旋输砂器；10.液体添加剂输入泵组 及灌注泵；11.砂泵；12.油泵传动装置；13.吸入离心泵1.2 混砂车输砂器的功能及组成输砂器（见图1.2）采用液压马达驱动螺旋绞龙旋转，旋转的螺旋绞龙将砂斗里的砂（颗粒状）输送到离地面一定高度的混砂罐中，与液体进行混合搅拌。螺旋输砂器除实现输送功能外，还需要对其输送的介质进行流量计量。输砂绞轮控制采用独立的控制工作方式，在输砂量小于1.5m3/min时，可使用单筒工作。螺旋输砂器部件由输砂绞龙外壳、砂斗、输砂绞龙轴、输砂器支座、液压马达支座、起升托座等组成。输砂绞龙轴为液力驱动，可分别无级调速及正反转，绞龙轴由钢板卷制叶片并与钢管焊接面成。输砂量器的砂斗为整体式、砂斗距地面高度不大于0.8米。当输砂器起升到合适位置后由销轴插入支撑板中锁定输砂器绞龙轴上部装有信号检测计量齿盘，通过传感器和电缆将输砂信号传递到仪表台和仪表车上。瞬时砂量、累计砂量及砂比仪表台的数显仪直接读出。砂从进砂口进入绞龙壳内，螺旋叶片焊接在输砂轴上，在液压马达的驱动下带动砂的传输，出砂口流出的砂直接进入到混砂车混砂罐内，螺旋输砂器的上端和下端轴承用于支撑绞龙，上下端密封可以防止砂的流出并避免损伤上下端轴承。当螺旋输砂装置工作时，旋转的叶片将物料推移而进行输送。图1.2 螺旋输砂器示意图1.上端轴承；2.出料口；3.螺杆；4.筒体；5.进料口；6.下端密封；7.下端轴承1.3 本课题研究的内容 混砂车螺旋输砂器属于大倾角螺旋输砂器，其卸料口在上端。输送的原理是绞龙以较高的速度旋转，输送物料在与螺旋绞龙摩擦力的作用下，产生较大的离心力。离心力的存在将使物料克服摩擦力的作用而被压向输送通的附近，并使这些颗粒与筒体内壁产生新的摩擦力，当摩擦力足够大时，就能克服物料的重力及其他力所引起的下滑力，在螺旋叶片的推动下，物料又克服它与螺旋叶片间和它与输送管内壁间的两个摩擦阻力，从而以比螺旋转速较低的旋转速度上升，直到出料口卸出。目前，螺旋输砂器的研究方法主要有计算机模拟、实验研究等。实验研究分为实物实验和模型实验，由于实验室空间和试验成本有限，考虑进行缩尺模型试验。缩尺模型实验尺寸小，有利于加工制造，便于更换螺旋轴，改变倾角等实验项目，同时节约相关零部件的加工成本，且运行成本低，适合在实验室内进行。本课题研究的内容是螺旋轴的设计、螺旋叶片的设计、连接法兰的设计、上端轴和下端轴的设计、轴承的选择、轴承的密封与润滑、螺旋叶片的制作工艺。混砂车输砂器是大倾角螺旋输砂器，为了保证工作中螺旋轴始终处于拉伸状态，而使轴保持直线以减少轴的挠曲度，螺旋输砂器的驱动装置宜设在装有轴向止推轴承的上部卸料端。为了避免物料堵塞，大倾角螺旋输砂器不需安装中间轴承。所以只有两端轴承支撑。两端轴承均应装在筒体的两端，由端盖支撑封闭，同时承受轴向力。这样既便于安装维护，也防止了物料对其腐蚀，有利于滚动轴承的密封，其下端轴承宜选用双列自动调心轴承，以适应螺旋在安装和运转过程中的挠曲度也可以选用普通轴承万向联轴节结构。大倾角螺旋输砂器的料槽应采用圆管式构造形式，一般可采用无缝钢管制作。由于停车时，积于管壁的物料要回流，故在料槽的底部应开有活动门，以便与清理。由于螺旋输砂器在工作时，螺旋轴高速旋转，在喂料口，物料颗粒产生垂直于输送方向沿径向方向的抛掷和跳跃运动，从而影响正常的输送喂料，因此，在高速螺旋输砂器喂料口应保证一定的喂料压力，通常是利用由同一动力驱动的，但根据经验，对于如砂子这样一些颗粒较小，且具有很好的松散流动性，可以不用喂料螺旋机，而采取增加喂料料斗高度的方法，用物料静压以保证必要的喂料压力，同样可以很好地完成喂料任务。料槽卸料口的位置，可按物料沿出口避免能下滑的条件来设计，但必须保证物料不反流，一般出料口位置的水平倾角为4560，加大倾斜角度可以保证卸料干净。 支架是把输砂器固定在混砂车尾部的设备，使输砂器能够安全可靠地固定在混砂车尾部，支架要能承受输砂器在满载工作时输砂器的总重量。由于混砂车可以在无等级路面行驶，支架还要有良好的稳固性，即要有可靠地刚性和柔性。混砂车是长期在野外工作，为了防止灰尘和筒体中的砂粒进入轴承中损坏轴轴承，混砂车螺旋输砂器的轴承要有良好的密封和润滑。螺旋叶片在输送物料的过程中容易被磨损和腐蚀，螺旋叶片的耐磨性决定着输砂器的工作效率和使用寿命，合理的选取螺旋叶片的材料，螺旋叶片经过热处理，能提高螺旋叶片的耐磨性，在工作中减少螺旋叶片的更换次数，提高工作效率。1.4 本课题研究的意义 随着科技不断地的发展，用机械代替人类劳动越来越多，螺旋输砂器对于减轻繁重的体力劳动，提高劳动生产率，实现物料输送过程的机械化和自动化，都具有重要的现实意义。螺旋输砂器是混砂车的主要部件，它性能的好能的好坏，决定着整个压裂作业的效率。本课题所研究的是在现有的基础上进行改进，进一步的优化设备的性能。混砂车输砂器零下30至40的环境温度范围内满负荷连续工作6小时以上的能力。所以应该良好的散热装置和合理的润滑装置，合理的选用叶片的材料，提高螺旋叶片的耐磨性，增长螺旋输砂器的使用寿命，合理选取叶片的螺旋升角，提高输砂的效率。通过改进螺旋输砂器的结构，优化设备的性能，提高螺旋输砂器的工作效率。不断地进行试验，观察研究各部件的性能，不断地改进，达到提高效率，降低消耗，降低成本。第2章 螺旋输砂器的参数的确定及设计方案2.1 螺旋输砂器的设计参数 设计参数：转速0400rpm,输砂量0.0028m3/r。 工作条件：连续工作10年，每年工作300天，每天工作8小时。2.2 螺旋直径的确定2.2.1 确定螺旋直径的方法 第一种方法：按公式1,求得螺旋直径D。式中： Q物料的输送量（t/h）; kz物料综合特性系数，见表2.1； kd填充系数，见表2.1； 表2.1 螺旋输送机经验因数1kd、kz、k1物料粒度物料磨琢性推荐kd螺旋面型kzk1粉状无磨琢性及磨琢性小0.35-0.40实体或叶片面型0.041575磨琢性较大0.25-0.300.056535粒状无或较小磨琢性0.25-0.300.049050磨琢性较大0.25-0.300.060030小块状a60mm无或较小磨琢性0.25-0.30实体面型0.53740磨琢性较大0.20-0.25实体或带式面型0.64525中块状a60mm无或较小磨琢性0.20-0.250.060030磨琢性较大0.12-0.200.079515团状粘性、易结块0.12-0.20带式或叶片面型0.071020 D螺旋直径（m）； 物料的堆积比重（t/m3）； 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2.2。表2.2 输砂器的倾角系数2倾斜角0101520倾角系数1.000.900.700.65第二种方法3：根据容积效率确定螺旋直径。根据公式求得的一个螺距的理论体积。再利用理论体积确定螺旋直径。 （2.1）式中 ：D是螺旋直径（m）； d是螺旋轴的直径（m）； S是螺距（m）；2.2.2 螺旋直径的确定由于所给定的输送量Q=0.0028m3/r，适合第二种计算方法，根据经验取容积效率0.64，计算求得一个螺距螺旋输砂器的容积。求得理论的一个螺距的体积Q理=0.0045667m3。查手册得1，螺距与螺旋轴径的关系是S=(0.81.0)D,螺旋轴径与螺旋轴的关系为d=(0.20.35)D,所以取S=0.8D，d=0.3D，Q理=0.0045667m3代入公式得D=199.9mm 由于螺旋直径（mm）标准有100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250十二个规格4，所以将螺旋直径圆整得D=200mm。螺旋转速n应小于极限转速nj避免出现物料被螺旋叶片抛起而降低输送效率。 （2.2） 式中：k1物料的特性因数，从表2.1可以查的。 从表2.1中查得k1=30，D=200mm，代入式（2.2）中得nj=424.26rpm 给定的转速n=400rpm，nnj，所以选取的螺旋直径满足条件。2.3 螺旋输砂器的功率 螺旋输砂器的驱动功率计算公式2： （2.3） 式中： 机械效率见图2.1； 输送机水平投影长（m）； 阻力因数，取1.24.0（对于磨琢性较大和粘性物料取较大值，对磨琢性较小的取小值）； H 出料口与进料口处的高度差（m），向上输为正值，向下输为负值；取阻力因数=3.2，查图2.1得为0.01,螺旋长度初步设为3m。代入公式（2.3）得P=24.8KW图2.1 倾角与的关系52.4 螺旋输砂器的设计方案混砂车螺旋输砂器是混砂车的一部分，已经知道混砂车的高和宽，经计算得到了各参数，螺旋输砂器是将地面上的砂输送到混砂车的混砂罐内，螺旋输砂器的大体设计应该是，在下端有进料口，通过绞龙将下端的砂输送到上端出料口，进入到混砂罐内，大体结构见图2.2。图2.2 螺旋输砂器的结构示意图1.下端轴承；2.下端轴；3.进料口；4.筒体；5.螺杆； 6.上端轴；7.上端轴承；8.驱动装置；9.出料口；10.支架第3章 混砂车螺旋输砂器各部件的设计3.1 螺旋体的设计 螺旋体是通过头、尾部轴承支承于筒体两端中，实现物料输送的转动机构，螺旋体的运转通过安装于头部的驱动装置实现的，进出料口分别设于料槽尾部上侧和头部下侧。螺旋体是螺旋输砂器实现物料输送的的主要构件，主要由螺旋轴和螺旋叶片组成。3.1.1 螺旋轴的设计 螺旋轴分为实心螺旋轴和空心管螺旋轴，实际应用中多使用空心螺旋轴，空心螺旋轴便于焊接，质量轻，抗弯性能好6。采用便于焊接的低碳无缝钢管。螺旋轴轴径的大小与螺距有关，因为两者共同决定了螺旋叶片的内升角。根据物料的运动分析（见图3.1），可知要保证物料在料槽中的轴向移动，螺旋轴径的轴向速度V1要大于07，即螺旋内升角，又因为，所以螺距与轴径之间的关系必须满足的条件之一是 （3.1）图3.1 物料运动受力图但是，通过大量实践与资料证明，对大多数的螺旋输砂器来说，螺旋体的结构能满足式（3.1）的要求，但对螺旋体直径较小（D100mm）的螺旋输砂器来说，其S不一定能满足式（3.1）的要求，因而在较小直径螺旋体的S与d时，必须进行验算，但上章算出的螺旋体的直径D=200mm，这个直径是可以满足式（3.1）的，在此就没有必要进行此项计算。轴径与螺距的应满足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，经计算应满足公式： （3.2） 根据式（3.2）计算得出的轴径相当大，这会降低有效输送截面。为了保证有效的输送截面从而保证输送能力，就得加大结构，使得输砂器的结构笨重，增加成本，使用不方便。因此，螺旋轴径与螺距的关系要考虑输送功能和结构，在能满足输送要求的前提下，应尽可能使结构紧凑轻便，由于螺旋输砂器的填充系数较低，只要保证物料具有较大的轴向速度，且满足轴向速度大于圆周速度8。轴径的一般计算公式为： d=（0.20.35）D （3.3）D=200mm，系数取0.3，代入式（3.3），求得螺旋环直径d=60mm。螺旋轴选用304钢空心管轴，螺旋直径D=200mm，螺旋轴直径为60mm。 （3.4）式中,即空心轴的内径d1与外径d2之比，通常取0.50.8，取=0.75，P=24.8KW，n=400rpm，代入式（3.4）中得d1=48.47mm。所以经圆整取壁厚=6mm。3.1.2 螺旋叶片的设计 螺旋叶片通常有四种形式，分别是满面式（实体式）、带式、叶片式和齿形式，见图3.2。满面式是最常用的一种形式，宜于输送干燥的、小颗粒或粉状物料，它推送力大，输送效率高，是应用最广的一种；带式多用于输送较大粒状、块状和稍带黏性的物料，也可用于两种物料的混合；叶片式将一片片月牙状的叶片按照输送方向，以一定距离用螺钉固定在螺旋轴上形成螺旋，其角度按物料的推进速度和方向能很方便地加以调节，它具有强烈的搅拌作用，适用于输送潮湿发黏和易于挤压成块的物料；齿形式它适用于输送黏性大和腐蚀性强的物料。混砂车螺旋输砂器所要输送的是砂，属于粒状物料，其粘度、湿度可以不计，因此选用满面式螺旋叶片。螺距的大小不仅决定着螺旋升角9，而且决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面，所以螺距的大小也影响物料的输送过程。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，这是导致物料运动速度分布的变化。前面的物料颗粒受力分析图3.1可以得到物料颗粒M所受螺旋面在轴向的作用力Pt： Pt=Pcos（+） （3.5）为使Pt0，必须满足，因为处的最大，Pt最小10，因此，螺距应满足下式： （3.6）图3.2 叶片的类型(a)满面式； (b)带式 ；(c)叶片式；(d)齿形式 此外，还要考虑物料运动速度各分量合理分布问题，既要使物料尽可能大的轴向运动，同时，又要使各点轴向速度均大于圆周速度。螺旋升角可以根据螺纹升角公式计算出来11： （3.7）在计算螺旋内升角时，d等于螺旋轴直径；当计算螺旋外升角时，d等于螺旋直径，而计算螺旋叶片中间升角时，d等于螺旋轴径和螺旋直径和的一半，而此时公式则变为： （3.8） 通过公式（3.7）和（3.8）计算出 螺旋叶片的内升角：=402023 螺旋叶片的中间处升角：=141736 螺旋的螺旋外升角：=21。 叶片与物料之间的摩擦系数与摩擦角的确定。螺旋叶片与物料之间的摩擦系数f，经查找相关资料4，得到螺旋叶片与砂石之间的摩擦系数可取f=0.33，其摩擦角可根据摩擦角与摩擦系数f之间的关系推算出：验证螺距是否能够满足输送的条件，即物料的轴向速度V1大于径向速度V2，由式（3.5）得知处的最大，Pt最小，为了使螺距满足输送条件，把得摩擦角=1816代入式（3.6）中得mm由于S=160mm，SSmax，所以螺距S满足输送条件。 图3.3 绞龙示意图 根据给定的资料，混砂车高3400mm，输砂器最下端距离地面570mm，螺旋输砂器的倾角为50。根据设计要求，取螺旋输砂器的长度为3336mm，螺旋叶片与法兰之间有一定的间距，则螺旋叶片由20.5个螺距组成，见图3.3。3.1.3 螺旋轴的校核1.轴上载荷的计算运移物料时加在轴上的线性载荷12为： （3.9）式中：Q生产率，单位为t/h； 物料运移速度，,单位m/s； 线性载荷，单位为N/m；代入式（3.9），Q=0.0028m3/r,求得物料加在螺旋轴上的线性载荷N/m=497.78N/m 2.作用在螺旋轴上的作用力螺旋轴上的轴向力13： F轴=qlf （3.10）式中:q 物料加在输送机上的线性载荷，单位为N； l 螺旋输送机输送物料的距离，单位为m； f 物料对料槽的折算摩擦系数； 由运输机械设计选用手册4查得f=0.65，螺旋轴长L=3.336m，q=497.78N/m代入公式（3.10）得F轴=1079.386N 表3.1 螺旋轴危险截面中间处的载荷载荷水平面H垂直面V支反力F 0FNV2=FNV1=F/2=816.35N弯矩MM1=M2=FNV1l/2=1338814Nmm总弯矩M=1338814Nmm扭矩TT=592100 Nmm 3.螺旋轴上载荷的计算 以螺旋轴的倾角面为螺旋面，垂直螺旋轴的面上的载荷关于中心点对称，螺旋叶片长3280mm，则受到的力N=1632.718N。所以FNV2=FNV1=F/2=816.35N。 弯矩:M1=M2=FNV1l/2=1338814Nmm总弯矩： =1338814Nmm 扭矩T：=592100 Nmm将危险截面中间处的载荷列于表3.1。4.绘制弯矩图螺旋轴弯矩图如图3.4。图3.4 螺旋轴载荷分布图 5.按弯扭合成应力校核 由于在螺旋轴中间点的弯矩和扭矩都是最大的，故只需对次处的强度进行校核。根据机械设计14，则螺旋轴的弯扭合成条件为： (3.11)式中： 轴的计算应力，MPa； M 轴所受的弯矩，Nmm； T 轴所受的扭矩，Nmm； W 轴的抗弯截面系数，mm3； 对称循环应变时轴的许用应力；查机械设计，取，把各数值代入公式（3.11）求得：=57.375MPa查机械设计，=60MPa，60MPa57.375MPa。所以螺旋轴是安全的，螺旋轴的尺寸满足条件。3.1.4 法兰的设计以往的法兰与法兰之间是使用三个螺栓连接固定的，但是在现实生产运作中，螺栓经常断裂，从而是输砂器失去输送功能。为了解决这个问题，对螺旋体和两端轴之间的连接形式做一些改进。图3.5 法兰轴 经过观察，螺栓易断除了其剪切强度不足外，还和其连接特性有关，这种连接形式基本属于刚性连接，遇到螺旋叶片绞到砂或者螺栓松动时，螺栓就很容易被剪切断。经过设计，改进的螺旋输砂器的连接,由以往的三个螺栓连接改为八个螺栓连接，每个插头与插座之间有0.5mm的间隙，螺栓有一定放入柔性改进后的连接方式有三个优点15。一是由于每个插头与插座之间有0.5mm的间隙，螺栓有一定放入柔性，在叶片绞到硬物时有一定的缓冲；二是有自动调心作用,在轴运转中，对螺旋轴弯曲有一定的补偿，克服了刚性连接缺陷；三是更换维修方便。 法兰的是焊接在螺旋轴、上端轴和下端轴上的，螺旋轴和上下端轴采用螺栓连接，法兰的具体尺寸如图3.5所示。3.2 轴的设计和轴承的选择3.2.1 下端轴设计和轴承选择轴尺寸的计算和轴承的选择： 1.输出功率P=24.8KW，转速n=400rpm。转矩T。 =592100 Nmm 2.初步确定最小轴径 按式（3.12）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。 (3.12) 式中A0可以查表机械设计得，A0=112，P=24.8KW，n=400rpm代入式（3.12）中得dmin=44.328mm3.轴承选择根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）。滑动轴承的类型很多，按其承受在和方向的不同，可分为径向轴承和止推轴承；根据其滑动表面间润滑状态的不同，可分为液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承和自润滑轴承；根据液体润滑承载机理的不同，又可分为液体动力润滑轴承和液体静压润滑轴承。由于下端轴承距离驱动装置比较远，轴的跨度比较大，在高速转动时，轴会偏离轴线，所以应选用可以调心球轴承16。根据最小轴径，查机械设计，选用1209轴承，其尺寸，右端采用轴肩进行轴向定位定位，查手册的1209轴承定位轴间高度h=2.5mm。轴长L=120mm。 4. 轴的尺寸轴的尺寸如图3.6所示。 5. 轴的校核 （1）轴上的作用力及载荷 下端轴所受的轴向力和螺旋轴所受的轴向力相同，所以 P=F轴=1079.386NFNV2=FNV1=F/2=816.35N图3.6 下端轴表3.2 危险截面中间处的载荷分布载荷水平面H垂直面V支反力F 0FNV2=FNV1=F/2=816.35N弯矩MM1=M2=FNV1l/2=48981Nmm总弯矩M=48981Nmm扭矩TT=592100 Nmm弯矩:M1=M2=FNV1l/2=48981Nmm总弯矩： =48981Nmm 扭矩T：=592100 Nmm将危险截面中间处的载荷列于表3.2。 （2）绘制弯矩图 轴弯矩图如图3.7。图3.7 下端轴载荷分布图 （3）按弯矩应力校核 将上表中的参数代入式（3.11）中得 =39.35MPa由于-1=60MPa39.35MPa，所以上端轴是安全的，所选尺寸满足条件。6.轴承寿命的校核（1）求比值 Fa=F轴=1079.386N Fr=F=816.35N 1.322查机械设计，调心轴承的最大e值为1.5，故此时e（2）初步计算当量动载荷P P=fp（XFr+YFa） （3.13） 查机械设计表13-6，得fp=1.21.8，取fp=1.6。 查机械手册，X=1，Y=0.42，代入（3.13）式中得P=2031.5074N （3）求轴承应有的基本额定载荷=48756.1776N查机械设计得，1209轴承的基本额定载荷为C0=52.8KN，所以1209轴承满足性能要求。3.2.2 上端轴设计和轴承的选择输出轴的功率P=24.8KW，转速n=400rpm。 1.求转矩T。 =592100 Nmm2.初步确定轴的最小轴径。 代入式（3.9）中，A0可以查表机械手册得，A0=112，所以求得dmin=44.328mm 3.联轴器的选择轴和驱动装置之间用花键套连接，由于转矩变化小，查手册得，花键的规格为。4.轴承的选择由于上端轴和驱动装置相连，上端轴受到轴向载荷和径向载荷，角接触球轴承可以承受轴向载荷和径向载荷，查机械设计得，根据最小轴径选取7213AC型号的轴承。 5. 轴的校核 由于下端轴和上端轴承受相同的扭矩，相同的转速，上端轴的轴径比下端轴的大，所以满足条件。 6.轴承的校核 （1）求比值 Fa=F轴=1079.386N Fr=F=816.35N 1.322 查机械手册，调心轴承的最大e值0.68，故此时e （2）初步计算当量动载荷P 查机械设计表13-6，得fp=1.21.8，取fp=1.6。 查机械手册，X=0.41，Y=0.87，代入（3.13）式中得P=2038.0309N （3）求轴承应有的基本额定载荷=48912.7416N查机械手册得，7213AC轴承得基本额定载荷C0=66.5KN，C0C，所以7213AC轴承满足性能要求。3.3 筒体的设计 由于砂石在输送过程中具有很高的磨琢性，为了防止磨损，筒体应选取具有耐磨性高的材料，螺旋体与筒体应留有足够的间隙（215mm）17，以避免挤碎物料或造成堵塞。因此，查手册选取筒体的材料为304钢无缝钢管，筒体壁厚=8mm，由于砂粒的粒度比较小，螺旋输砂器的倾斜50，防止物料过多的下流，取间隙为2mm。所以筒体外直径为219mm。筒体上端开有出料筒，下端开有进料口和卸料口，卸料口是当停车之后，便于清理料斗里和螺旋输送器里的残留物料，下端还应在筒体上设有固定料斗的装置，输砂器是安装在混砂车上的，所以还应有固定的装置。由于螺杆长L=3336mm,根据螺旋输砂器的输砂量，出料筒选取304钢，壁厚=4mm，直径为110mm，进料口设为180mm长的方形口，下端下方还应开有卸料口，直径为60mm。固定料斗的设置为304钢板，厚度为10mm，为了加强钢板的硬度，设有加强筋，两端焊接连接密封轴承座法兰，筒体的总长度是3436mm，具体尺寸见附录E。3.4 料斗的设计图3.8 料斗示意图 输砂器的料斗选用整体式、砂斗距地面高度不大于0.8m。由于螺旋输砂器在工作时，螺旋轴高速旋转，在喂料口，物料颗粒产生垂直于输送方向沿径向方口向的抛掷和跳跃运动，从而影响正常的输送喂料，因此，在高速螺旋输砂器喂料应保证一定的喂料压力，通常是利用由同一动力驱动的，但根据经验，对于如砂子这样一些颗粒较小，且具有很好的松散流动性，可以不用喂料螺旋机，而采取增加喂料料斗高度的方法，用物料静压以保证必要的喂料压力，同样可以很好地完成喂料任务。料槽进料口的位置，可按物料沿出口避免能下滑的条件来设计，但必须保证物料不反流，一般出料口位置的水平倾角为4560，加大倾斜角度可以保证喂料干净。所以，本螺旋输砂器的进料口选择方形进料口，材料选用Q235碳素结构钢。其具体尺寸如图3.8所示。3.5 支架的设计螺旋输砂器是混砂车上的一部分，其固定在混砂车的尾部，由于混砂车可以在无等级路面自由行使，因此支架要稳固的固定好螺旋输砂器，不能使螺旋输砂器错位移动而损坏其性能，降低生产效率。所以支架要有很高的可靠性，因此，支架的支腿选用矩形空心钢，矩形空心刚具有良好的抗弯性能，不容易变形，节省材料。由于螺旋输砂器倾斜50。螺旋输砂器采用四条矩形空心钢支撑，相邻两条腿之间应用矩形钢固定，增强稳固性。具体的结构见图3.9。图3.9 支架示意图第4章 润滑与密封4.1 轴承的润滑润滑对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温升、振动等有重要影响，没有正常的润滑，轴承就不能正常工作。润滑的方式有脂润滑和油润滑。脂润滑的优点是润滑脂的粘度大，不易流失，不需要经常更换，密封方法具有简单易行，更换方便的特点，应用很广泛；脂润滑的缺点是摩擦阻力大，机械效率低，流动性差，导热系数小。油润滑的优点是摩擦阻力小，冷却效果好，具有冲洗作用；油润滑的缺点是不容易密封，更换不方便。为了防止磨损，两端轴承应该进行润滑，延长轴承的使用寿命，润滑是机械使用中不可缺少的部分，良好的润滑效果可以提高机械的利用率，减轻磨损，延长机械的使用寿命17。混砂车是在野外作业，环境温度变化大，油润滑不便于更换、安装和密封，为了维护和保养的方便，轴承应该采用脂润滑。4.2 各部件的密封 密封可以防止润滑剂流失和污物进入轴承，从而保持轴承的润滑作用和洁净程度而有利于达到长寿命，但是也要考虑密封结构的简繁、费用、密封的有效程度和有效期，根据环境条件和要求的轴承的寿命来合理加以选择，同时要注意到密封件使用恰当，可带来极大好处；密封件使用不当，则密封效果不大。例如接触式密封的密封件在高速下发热并较快磨损而失去密封作用，磨损生成物又污染轴承；非接触式密封在密封件两侧有压力差(气压或油压)时，防尘或尽封油效果就会变差。混砂车能适合无等级路面行驶，并适用于粗糙路面、风沙灰尘、泥泞的油田环境。为了防止外界风沙灰尘和砂筒中砂进入轴承中而损坏轴承，轴承应该要有良好的密封。对于上端轴的轴承密封，采用轴承端盖和毡圈进行密封，为了防止灰尘进入轴承中，在轴承的外面套上密封圈进行密封18。对于下端轴的轴承两端采取橡胶密封圈来和毡圈来密封。轴承还应该加端盖。将橡胶圈装入轴承盖后可形成过盈配合，不需轴向固定，利用部分弹性和弹簧圈的箍紧作用实现密封。防止外界灰尘污染物的侵入。第5章 叶片的制造工艺 5.1 叶片的下料方法 常规的叶片下料方法有两种。一种为冷轧成形法，他的基本过程是：将原料钢带通过冷轧机上的一对锥形轧辊的辗压，形成连续的环状带，再是其通过螺旋分导装置，成为具有左（右）旋，并有一定螺距的螺旋叶片，这种方法多适用于批量生产。另一种方法是对于非批量生产的加工下料，则多采用单个叶片焊接法，他的基本过程是：先将平面钢板料切成带有缺口的单个圆环，在磨具上拉成单个螺旋叶片（一个螺距），再由人工逐一将单个叶片焊接连接起来，制成螺旋叶片。由于混砂车螺旋输砂器的叶片是非批量生产，所以选第二种方法。5.2 叶片的下料图 该螺旋输砂器的叶片用作图法进行下料19。叶片的示意图如图5.1，螺旋直径D，轴径d，螺距S。图5.1 螺旋叶片示意图 （1） 按图5.2所示，求出内、外螺旋线的展开长度L1和L2。 已知螺旋直径D=200mm，螺距S=160mm，螺旋轴径d=60mm。 mm mm（2） 叶片下料图的计算 在叶片拉伸过程中，确保叶片内圈长度、外圈长度、宽度在拉伸前后不变。 （5.1） （5.2） （5.3）图5.2 内外螺旋线的长度 已知螺旋直径D=200mm，螺距S=160mm，螺旋轴径d=60mm。代入式（5.1）、（5.2）、（5.3）中得r=43.159mm R=113.159mm 图5.3 叶片下料图 叶片的下料图如图5.3。5.3 叶片材料的选择及下料 螺旋叶片的寿命与材质有密切关系，对于高速螺旋输送机，叶片用普通碳素钢A3制作，则输送1000吨后就会因磨损而必须更换。通过大量实验采用45优质碳素钢板经热处理制作的叶片，耐磨性较A3提高约10倍。此外，对螺旋面用火焰或电弧处理后表面硬化，或加装可更换的硬质钢片，也是提高叶片耐性。因此，螺旋叶片的材料选取45优质碳素刚。 第三章已经计算出螺旋叶片的厚度mm。 由于螺旋轴较长，不能焊后车外圆，为了保证设计的回转直径，要求叶片在拉伸成形后不再加工，因此，单叶片要求下料各尺寸一次到位20。下料的步骤是：（1）用4mm厚的钢板气割下料，内孔及外圆留610mm车削余量。（2）按展开图尺寸R，r及分别画出加工位置线。（3）铣削加工内径r=43.159mm，外径R=113.159mm，缺口的圆环。5.4 叶片的拉伸成形 在拉伸过程中，要保证S，D，d的尺寸不变，把下好的料固定在工作台上，在立柱上画出螺旋叶片拉伸的位置，拉伸的位置应比一个螺距大一些，由于螺旋叶片在拉伸放开后，有一定的的回弹，要是刚好拉到一个螺距的长度，放松回弹后就会小于螺距，导致螺旋叶片不能用20。拉到什么位置合适，应在具体加工中试验几次就能确定拉伸的位置，具体拉升方法如图5.4.图5.4 叶片拉伸成形图总结与展望 本论文是通过了解螺旋输砂器的工作环境，对螺旋输砂器工作原理以及对混砂车螺旋输砂器结构和功能的分析，用以给定的所要达到的目标参数，根据砂石的湿度、粘度、粒度，合理的选取容积效率，进行计算确定了螺旋直径，提出了螺旋输砂器的设计方案，然后对螺旋输砂器进行了整体的结构设计，还有其零部件的设计，主要对螺旋体、螺旋输砂器的法兰轴、上端轴和下端轴、前端和尾端部分、料斗、筒体、支架、螺旋叶片的制造工艺进行了设计。校核了螺旋轴、上端轴和下端轴，优化了法兰之间的连接，合理的选取了上下两端的轴承，验证了轴承的使用寿命，根据环境条件，合理的选择了轴承润滑和密封的方式，使螺旋输砂器各个零部件达到给定的性能指标。还对螺旋体前后端进行了优化，改善了轴承的密封与润滑，保证了轴承的不被灰尘和砂粒进入轴承中损坏轴承，使其更好的达到性能指标。 混砂车螺旋输砂器属于大倾角螺旋输砂器，该螺旋输砂器与其它输送设备相比，具有整机截面小、密封性好、运行平稳可靠、操作安全、输砂效率高。维修方便等优点，具有很好的前景。 在设计中还存在一些问题，设计过程中忽略了运送物料的粘度、颗粒的大小、湿度等，螺旋轴的挠曲度，只对螺旋输砂器在常规工作条件下进行了设计。在以后的设计中应该去全面的考虑，不断地实验，改进螺旋叶片的材料，提高螺旋叶片的耐磨性，延长使用寿命，减少螺旋