螺旋输送机设计参数的选择和确定

摘要：介绍了水泥工业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 中图分类号：TQ172687文献标识码：A文章编号：10016171（2010）01002905 通讯地址：武汉理工大学关山校区，湖北 武汉430074；收稿日期：20080912；编辑：赵 莲 作者简介:向冬枝（1932），女，江苏无锡人，教授。 研究方向：机械设计。 螺 旋 输 送 机 设 计 参 数 的 选 择 和 确 定 向冬枝，徐余伟 螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的连 续输送机械。 它是利用工作构件即螺旋体的旋转运动使 物料向前运送，是现代化生产和物流运输不可缺少的重 要机械设备之一，在国民经济的各个部门中得到了相当 广泛的应用，已经遍及冶金、采矿、动力、建材、轻工、码 头等一些重工业及交通运输等部门。 主要是用来运送大 宗散货物料，如煤、矿石、粮食、砂、化肥等。 在水泥工业 部门， 螺旋输送机主要用来输送水泥生产所需要的原 料，同时还伴随进行一些工艺处理，如搅拌、混合等。 螺 旋输送机类型较多、结构差异大、设计参数多，并且各参 数之间相互联系和相互影响， 使得设计和选择工作复 杂、难度大，尤其是一些主要参数，如果选择和组合不 当，将会严重影响螺旋输送机的生产效率和工作性能。 1螺旋输送机工作原理 螺旋输送机主要分为水平和垂直螺旋输送机， 可分 别沿水平、倾斜或垂直方向上输送物料，这两种机型也 是最常用的。 螺旋输送机根据结构可分为双螺旋输送机 和单螺旋输送机，后者使用较多。 螺旋输送机的安装方 式有固定式和移动式两种，大部分螺旋输送机采用固定 式。 水泥工业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、中间吊挂轴承、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 进料口 槽体螺旋轴 卸料口 图1螺旋输送机结构示意图 Design Parameter Selection of Spiral Conveyer XIANG Dongzhi, XU Yuwei (Guanshan Branch of Wuhan University of Technology, Wuhan 430074, China) Abstract: The working principle of spiral conveyer was introduced here The influence of main parameters on conveying capability was analyzed by the author Design parameter selection and determination for spiral conveyer were put forward Key words: Spiral conveyer; Working principle; Parameter selection; Design 设计与研究 2920101水泥技术 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运动，作一个空间运 动。 设螺旋输送机的螺旋为标准的等螺距等直径、螺 旋面升角为的 单 头 螺 旋 。 当螺旋面的升角在展 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 偏离了角。角的大小由物料对螺旋面的摩擦角及 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角的影 响，即认为。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。 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：V1Vcos（） 由于V1Vncos，VnV0sin 所以V1V0sin cos cos（）（1） 而V0r 2n 60 S 2tan nS 60tan 由于cos11（S2r） 2 姨，tanS2r 所以（1）式又可写成： V1 Sn 60 1fS2r 1（S2r） 2 （2） 同理可得圆周速度： V2 Sn 60 fS2r 1（S2r） 2 （3） 式中：S螺旋螺距，mm n螺旋转速，rmin f物料与叶片问的摩擦系数，ftan，为叶片 与物料的摩擦角， 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 图2物料受力分析图3物料运动速度分析图4螺旋面上速度的变化曲线 r P2 P P1 M Pt 轴线 r MOV1V1 V0 V2 Vn A V B 轴线 V1 V2 速度V，ms d2 螺旋叶片半径r，mm 30CEMENT TECHNOLOGY 12010 设计与研究 表1倾斜输送系数 倾斜角度，0510152030405060708090 倾斜输送系数1097094092088082076070064058052046 填充系数05046046042040038036035035032032030 表2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 状无磨琢性面粉、米粉0400500038786 粉 状半磨琢性水泥、石灰0300400041575 粒 状半磨琢性小麦、玉米0250300055846 粒 状磨琢性砂石、化肥0200350063228 块 状无磨琢性豆粕、菜饼0300350584036 块 状半磨琢性煤、矿石0150200079515 液 状无磨琢性面浆、纸浆0550600078519 液 状磨琢性混凝土、建材料0500550065428 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分析 21输送量 输送量是衡量螺旋输送机生产能力的一个重要指 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： Q3600FV1 式中：Q螺旋输送机输送量，th F料槽内物料层横截面积，m2，FD24，其中， 为填充系数（见表1），D为螺旋叶片直径，mm 物料的单位容积质量，tm3，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 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V1Sn60。 所以Q47D2Sn（4） 由式（4）可以看出，螺旋输送机的物料输送量与 D、s、n、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和填充系数等四个参 数来满足Q的要求。 22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。 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最大值与其自 身重力之间应有如下关系： m 2 maxrmg 即2nmaxr60gr 姨 考虑到不同的输送物料的影响 则nmaxr30Kmr 姨 所以nmax 30K g r姨 30K 2g D姨 （5） 式中：K物料的综合系数（见表2） g重力加速度，ms2 nmax螺旋的最大转速，即临界转速，rmin 令A30K2g 姨，则式（5）可转化为常见的经验公 式： nmaxAD 姨 （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： nnmax（7） 式中：n螺旋的实际转速，rmin 23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SK1D，K1为螺旋螺距与直 径的比例系数，一般取K108，则式（4）为： Q47K1AD 5 2 所以D（ Q 47K1A ） 2 5 令K（ 1 47K1A ） 2 5 则DK （ Q ） 2 5 （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 设计与研究 3120101水泥技术 料的性质，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。 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D1000mm，最大可达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值应尽量圆整成下 列标准直径，mm。 24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，来确定最合理的螺距尺寸。 从图2可知， 物料颗粒M所受螺旋面在轴向的作用 力Pt为： PtPcos（）Pcos（） 为使Pt0，必须满足2，因为在rmind2处的 最大(d为螺旋轴直径)，Pt最小，所以许用螺距可由下 式求得： Smaxdtan（2）或Smaxdf 若令k1dD， 则Smaxk1Df 式中：f物料与叶片问的摩擦系数 k1螺旋轴直径系数，k10306。 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。 在确定最大 的许用螺距时，必须满足的第二个条件是建立在使物料 颗粒具有最合理的速度各分量间的关系的基础上的，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： Sn 60 fS2r 1（S2r） 2 Sn 60 1fS2r 1（S2r） 2 （9） 整理得：S2rtan(4)，因此在2rD处(在螺旋外 径处)，故可将上式写成： S max2Dtan(4) 所以螺距S应满足以下两个条件： Smaxk1Df S max2Dtan(4 ) （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： SK1D（11） 对于标准的输送机，通常螺距为K10810；当倾斜 布置或输送物料流动性较差时K108；当水平布置时， K10810。 25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最合理的轴径与螺距之间的关 系。 根据物料的运动分析可知，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22，又因为tanf，tanSd，所以螺距 与轴径之间的关系必须满足的条件之一是： d f S(12) 实践证明，对大多数螺旋输送机来说，一般其螺旋 体的结构均能满足第一个条件的要求，但对螺旋体直径 较小(例如D100mm)的螺旋输送机来说，其2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： d 1f 1f S （13） 根据式 （9） 计算， 当f取03，S(081)D时，d (047059)D； 当f值增加时，dD值还要增加。 也就是 说，根据式(13)计算得出的轴径相当大，这势必降低有效 输送截面。 为了保证足够的有效输送截面，从而保证输 送能力，就得加大结构，使得输送机结构粗大笨重，成本 增加。 所以，螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结 构的综合，在能够满足输送要求的前提下，应尽可能使 结构紧凑。 由于螺旋输送机的填充系数较低，只要保证 靠近叶片外侧的物料具有较大的轴向速度，且轴向速度 大于圆周速度即可。 一般轴径计算公式为： d(02035)D(14) 32CEMENT TECHNOLOGY 12010 设计与研究 26填充系数 物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消 耗有很大影响。 当填充系数较小时，物料堆积高度较低， 大部分物料靠近螺旋外侧，因而具有较高的轴向速度和 较低的圆周速度，物料在输送方向上的运动要比圆周方 向显著得多，运动的滑移面几乎平行于输送方向，这时 垂直于输送方向的附加物料流减弱， 能量消耗降低；相 反，当填充系数较高时，物料运动的滑移面很陡，其在圆 周方向的运动将比输送方向的运动强，这将导致输送速 度的降低和附加能量的消耗。 因而，填充系数适当取小 值较有利，一般取50。此外，倾斜角度的大小对填充 系数也有一定的影响。各种物料的填充系数值可参考 表1。 27倾斜角度 螺旋输送机的倾斜角度对于螺旋输送机输送过程的 生产率和功率消耗都有影响，一般它是以一个影响系数 的形式来体现的， 倾斜输送系数见表1。 螺旋输送机输 送能力将随着倾斜角度的增加而迅速降低，同时，螺旋 输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送效果。 另外 倾斜角度的大小还会影响填充系数，倾斜角度对填充系 数的影响如表1。 倾斜角度越大，允许的填充系数越小， 螺旋输送机的输送能力越低。 因此，在满足使用条件的 前提下，螺旋输送机尽量避免倾斜布置，而最好采用水 平布置；若工艺需要采用倾斜布置，为了提高输送效率， 倾斜角度也不宜太大，一般倾斜角度1020。 若一级 不能满足要求，可采用多级倾斜布置，以减少损耗。 28传动功率 螺旋输送机的驱动功率， 是用于克服在物料输送过 程中的各种阻力所消耗的能量， 主要包括以下几个部 分：（1）使被运物料提升高度H(水平或倾斜)所需的能 量；（2） 被运物料对料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能 量消耗；（3） 物料内部颗粒间的相互摩擦引起的能量消 耗；（4） 物料沿料槽运动造成在止推轴承处的摩擦引起 的能量消耗；（5） 中间轴承和末端轴承处的摩擦引起的 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。 这样，螺旋输送机的电动机驱动功率，就由机构运动 过程中所产生的阻力来决定。 阻力主要由以下几个部分 组成：（1）物料与料槽之间的磨擦力阻力；（2）物料对螺 旋的摩擦阻力；（3） 物料倾斜向上输送时的阻力；（4）物 料悬挂轴承下的堆积阻力；（5） 物料被搅拌所产生的阻 力；（6）轴承的摩擦阻力。 在计算功率的时候，为简便起 见， 可以总结螺旋输送机功率为以下几个主要部分，即 总的轴功率P应包括物料运行需要功率P1，空载运转所 需功率P2， 以及由于倾斜引起的附加功率P3