毕业设计（论文）-水平螺旋输送机的设计

摘要目前国内大多数的物料输送采用人工搬运或者是传统的搬运设备进行给料，给料的整体效率较低。为此设计一款水平螺旋输送机，由动力系统、减速器、螺旋输送装置组合而成，本次设计先分析了水平螺旋输送机的研究现状，选择适用于建筑、化工等行业输送的常规结构，确定整体的结构布局为电机-减速器-联轴器-入料口-螺旋输送器-出料口等零部件组成，然后对螺旋输送器的各项参数进行设计计算，保证给料输送的效率。能够有效的缓解劳动力的不足，极大的降低人工给料的劳动强度。通过SolidWorks软件设计三维模型，直观的展示了给料输送机的整体外观结构，相对传统的人工搬运具有高效率、高安全、高便捷的特点。关键词：物料输送；螺旋式；输送机AbstractCurrently,mostofthepondfeedinginChinaiscarriedoutmanuallyorbytraditionalfeedingequipment.Theoverallefficiencyoffeedingislow.Therefore,aspiralfeedingmachineisdLSigned,whichiscomposedofapowersystem,areducer,andaspiralfeedingdevice.ThisdLSignfirstanalyzLStherLSearchstatusofspiralfeedingmachinLSandselectsaconventionalstructuresuitableforfishpondfeeding.Theoverallstructurallayoutiscomposedofmotor-reducer-coupling-feedingport-spiralfeedingdevice-dischargeportandothercomponents.Then,theparametersofthespiralfeedingdevicearedLSignedandcalculatedtoensuretheefficiencyofpondfeeding.Itcaneffectivelyalleviatetheshortageoflaborandgreatlyreducethelaborintensityofmanualfeeding,ensuringthatthepondcanbefedintime.Thethree-dimensionalmodelofthepondfeedingmachinewasdLSignedusingSolidWorkssoftware,providingaclearvisualizationoftheoverallappearancestructureofthepondfeedingmachine.Ithasthecharacteristicsofhighefficiency,highsafety,andhighconveniencecomparedtotraditionalmanualfeeding.Keywords：pondfeeding;spiralfeedingmachine

目录第1章引言 3.1动力系统的设计LS型螺旋式物料输送机的驱动装置有五种形式：第一种为TY型驱动装置，由TY型同轴式减速器和弹性柱销联轴器构成，功率范围为0.55～45kW；第二种为YY型驱动装置，由ZSY型减速器，Y系列电动机，弹性柱销联轴器和底座构成，最适用于LS630～LS1250螺旋式物料输送机，功率范围为1.5～75kW，YY型驱动装置有Ⅰ型（右旋）和Ⅱ型（左旋）两种装配形式；第三种为YJ型驱动装置，由Y型电机与ZQ型减速器组成；第四种为YTC型驱动装置，由YTC型同轴式齿轮减速器与Y型电机组成；第五种为XWD型驱动装置，由XWD型行星摆线针轮减速器组成。在选用时应同有关制造厂联系，优化选择。本次选择的驱动装置是YJ型驱动装置，它的组成有：Y型电机、ZQ型减速器。YJ型驱动装置外形如下：图3.1YJ型驱动装置外形查阅《螺旋螺旋式物料输送机》。螺旋输送器的转速一般为100-300r/min，一级圆柱齿轮减速器的传动比范围为：3～5，电机转速为：nd=ia×nw=(3～5)×（100~300）=300～1500r/min行综合考虑价格、重量、传动比等因素，选定电机型号为：Y90L-4的三相异步电动机，额定功率Pen=1.5kW，额定转速为nm=1400r/min，电机参数如下：表3.1电机参数型号功率额定转速额定转矩Y90L-41.5KW1400r2.3由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速nw，可以计算出传动装置总传动比为：i3.2水平式螺旋输送机的设计方法现阶段，在我国有二种定形商品，即LS型和GX型螺旋物料输送机。LS型螺旋物料输送机是GX型螺旋物料输送机的升级换代商品，其全部参数均等效电路选用IAS1070-70及DIN1526一1983规范，设计方案生产制造遵照ZBJ81005一66《螺旋式物料输送机》(新规范为LF/T7559-96《螺旋螺旋式物料输送机》)182。总而言之，螺旋物料输送机的基本设计方案方法還是以从规范或设计方案采用指南为标准，在融合之前的设计方案工作经验来开展设计方案。在设计方案前必须把握充足的设计方案根据和工作经验，如果不具有充足的设计方案工作经验，即便选用优秀的设计方案方法，其设计方案效果也不会非常好。另外也要注重控制系统设计的必要性。螺旋式物料输送机的主要参数是运输能力的要素。由于螺旋式物料输送机中原料的适合性，允许的原料空气供应和风速取决于原料的特性，因此可以将轻质，疏松和未抛光的原料与重抛光的原料进行比较。当ut形槽已满时，传动轴的速比也可以更高。较大强烈建议轴速比为上限速比。对于大多数螺旋式物料输送机，选定的螺旋轴的工作速度比大约很大。强烈建议大多数轴速比大于一半。运输原料的健身运动旋转带式输送机中的原料健身运动并不随球阀一起旋转，而是在旋转螺旋齿轮的推动下沿螺旋型前进。在原料粉末运输的整个过程中，原料的健身运动受到螺旋旋转的损害。当椭圆锥的上升角为a时，涡旋线由该斜平行线表示，则旋转椭圆锥以半长r（距螺旋中心线的距离）作用于原料粉末A。由于摩擦，涡旋的方位角和反射线会偏移ME角。此力可分解为切向分力P,j和法向分力P,6。如图3.2所示。图3.2物料粉末受力分析图图中φ角是由物料对螺旋面的摩擦角P及螺旋表面粗糙程度决定的。对于一般冲压而成或经过很好加工的螺旋面，可以不考虑螺旋表面粗糙程度对v角的影响，此时可取φ≈α。物料粉末A在合力P合的作用下，在料槽中进行复杂的运动，即具有圆周速度和轴向速度，其合成速度V合，图3.3表示了其速度的分解。图3.3物料粉末速度分解图若螺旋的转数为n，处于螺旋面上的被研究物料粉末A的运动速度，由图中三角形ABC可得:V合=ABsinα〔3-1〕因为AB=，所以V合=·〔3-2〕圆周速度为V圆=V合sin()=·〔3-3〕以摩擦系数代入上式，得：V圆=·〔3-4〕由于，以及，因此，将上述各式代入并经过换算，便可以求得物料粉末的圆周速度计算公式:V圆=·，〔3-5〕式中s-螺旋的螺距(m):n一螺旋的转数(rpm);r一研究的物料粉末离轴线的半径距离(m)；物料与螺旋面的摩擦系数，。若使公式V圆对r求一次导数，并令其值，便可求出存在V圆最大值的半径为〔3-6〕同样，根据图示的速度分解关系，可得物料粉末的轴向输送速度的计算公式：〔3-7〕以摩擦系数代人上式得：由于，以及，因此，将上述各式代人并经过换算，便可以求得物料粉末的轴向速度计算公式：〔3-8〕从上式可以看出，在一定的转速下螺距s在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度，螺距过大或者过小，都会影响物料的轴向速度。3.3水平式螺旋输送机的设计计算3.3.1叶片的设计螺旋直径可初步按下式计算：〔3-9〕式中——输送能力，50t/h；——物料特性系数，常用物料的值见下表3-1；——填充系数，见表3-1；——倾斜系数，见表3-2。表3-3常用物料的填充、特性、综合系数表3-4倾斜系数表查表得=0.0145=0.30=0.8。将以上数据代入公式计算得D=0.238m螺旋直径应圆整到标准系列，标准系列为：0.100，0.125，0.160，0.200，0.250，0.300，0.400，0.500，0.630，0.800，1.00，1.25。取D=300mm对所确定的螺旋直径还应按所输送物料的快度进行校核。对于未分选的物料，要求:(8～10)a对于分选的物料，要求:(4～6)式中：a——物料的平均快度，m；——物料的最大块度，m。很明显螺旋直径合适。螺距不仅决定螺旋上升角，而且还决定了必须在该指标下填充原料操作的负载表面，因此螺距的大小立即危害了原料运输的整个过程。对于较大的螺距，应考虑以下两个标准：考虑椭圆锥与原料之间的摩擦关系以及两个零件之间的比率合适性，以确定最有效的螺距规格。物料粉末在螺旋面轴向方向上的作用力为为了,则必须满足条件。在最小半径处的螺旋升角是最大的，输送方向的作用力最小。根据这个条件，最大的许用螺距值，由下式确定：〔3-10〕或〔3-11〕若以(D螺旋的外径)代人上式，则得〔3-12〕此外，在澄清较大的允许间距时，必须考虑的下一个标准是在使原料粉末具有最高有效率的零件之间建立基本关系，即原料粉末的径向最大。传输此外，椭圆锥上每个点的径向传输速率超过了圆上的速度。齿距的大小将分散危险率的所有部分。当螺距增加时，尽管径向传输速率增加，但圆上的铺展速率会不合适。相反，当螺距小于小时时，速度分量的扩展良好，但径向传输速率较小。于是，根据在螺旋圆周处的的条件，；即可得出。〔3-13〕所以，s需要满足，和两个条件。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物料输送机设计手册。通常可按下式计算螺距:〔3-14〕对于标准的螺旋式物料输送机，k值一般取为0.8～1。当倾斜布置或输送物料流动性较差时，:当水平布置，可取k值等于0.8～1.0。所以k取0.8，那么螺距s=0.2m。3.3.2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。图3.4螺旋叶片受力分析从上图可以看出，物料在螺旋面上轴向受力分量（为螺旋升角）〔3-15〕式中:a角是由物料对螺旋面的摩擦角P以及螺旋表面粗糙程度决定的。对于一般热压或用冷扎钢板拉制的螺旋片表面，可以忽略螺旋叶面粗糙程度对9)角的影响，此时可认为。所以，〔3-16〕因为螺旋升角a在叶片根部最大，此处的输送方向(轴向)作用力最小。d与s应满足关系之一是，即。将带入上式并整理得出：〔3-17〕确定最小轴径还应满足的第二个条件是物料具有尽可能大的轴向速度，同时螺旋面上各点的轴向速度大于圆周速度。圆周速度和轴向速度分别为:〔3-18〕〔3-19〕图3.5螺旋叶片速度分析要使得螺旋面在叶片根部的轴向速度大于圆周速度，得出根据上式计算，当取0.3，s=(0.8-1)D时，d(0.47-0.59)D;当u值增加时，还增加，也就是说，根据上式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，成本提高。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。由于这种场合使用的输送机填充系数较低，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，经综合分析可得螺旋轴直径d=100mm。3.3.3螺旋轴转速由于螺旋式物料输送机是小型输送设备，结构简单。在输送物料的时候，对于螺旋轴径所占据的截面，对输送能力有着不小的影响。所以在计算输送能力时不能忽略轴径所占的截面:实际转速与最大转速之间有一定的关系：即即，公式中如果计算得到的转速过高，应适当调整螺旋轴径的D、d、s查表的A=75，D=0.250m计算的：极限转速 =150（r/min）圆整为20、30、35、45、60、75、90、120、150、190.校核填充系数φ：得D=300mms=240mmd=120mmn=120（r/min）3.3.4传动功率在计算功率的时候，为简便起见，可以总结螺旋式物料输送机功率为：总的轴功率应包括物料运行需要功率,，空载运转所需功率，以及由于倾斜引起的附加功率,三个部分，且：；〔3-22〕〔3-23〕〔3-24〕式中，——生产能力(t/h),——输送距离(m)，——倾斜高度(m)，——螺旋外径(m)，——物料运行阻力系数。根据任务书的要求，输送高度为0m，角度为0°，整体输送线的长度为8m。将Q=50t/h，L=8m，H=0m，D=300mm，=1.2将数据代进公式可得：=0.523kw=0.12kw=0.0757kw所以P=0.719kw电动机的驱动功率按下式计算：=〔3-25〕式中：——功率备用系数，根据满足起动的要求及电动机的启动能力值在1.1～1.4范围内选取。——驱动装置总传动效率，对于圆柱齿轮减速器可取0.85～0.9。取=1.4，=0.85，带入公式计算得：=1.185kw。3.3.5螺旋叶片展开尺寸将一个螺距的标准型实体式螺旋面展开，其下料尺寸为：〔3-26〕〔3-27〕〔3-28〕式中：——螺旋轴直径，；——螺旋面展开图圆环内径，；——螺旋面展开图圆环外径，；——展开圆环切除部分的周心角，。图3.5实体式螺旋叶片的展开图螺旋叶片的厚度可根据物料性质和螺旋直径按下表选取：表3-4螺旋叶片厚度故取螺旋叶片厚度=4.5mm。3.3.6螺旋轴的连接螺旋轴一般由2m～4m的各个节段连接而成，以利于制造与装配。螺旋轴的连接要求要求结构简单紧凑，便于安装和更换。图示为管形螺旋轴常用的一种连接方式，各个节段利用内衬套和圆轴节段通过穿透螺栓加以连接，其中圆轴节段刚好可以作为中间悬置轴承和端部轴承的轴颈。图3.6管形螺旋轴各节段的连接1——管形螺旋轴；2——螺旋叶片；3——螺栓；4——内衬套；5——圆轴节段3.4螺旋式物料输送机轴承选择选择螺旋式物料输送机的轴承时，需要综合考虑多个因素以确保设备运行的可靠性、效率和寿命。以下是选择轴承时应考虑的一些关键点：首先确定作用在轴承上的载荷类型（径向、轴向或复合）及大小。螺旋输送机通常会遇到较大的径向载荷，因为物料重量会对螺旋叶片产生压力。根据螺旋输送机的工作转速选择合适的轴承。高速运转可能需要使用深沟球轴承或其他适合高速应用的轴承类型。考虑到工作环境中的灰尘、湿度、温度等因素。例如，在多尘环境下，密封性能好的轴承可以防止颗粒进入影响运转；在高温或低温环境中，则需选用适应这些极端温度的特殊材料制成的轴承。LS型螺旋机采用的滚动轴承，LS250头部轴承7312型1个，尾部轴承1212型1个，中间轴承80210型。3.5螺旋式物料输送机进出料口装置螺旋式物料输送机的出料口有方形出料口、手推式出料口和齿条式出料口三种。后两种出料口拉板的开闭方向，按安装不同分为右装、左装两种：右装——站在螺旋机头节往尾节看，拉板向右拉开；左装——站在螺旋机头节往尾节看，拉板向左拉开。进料口其尺寸如下表：表3-8进料口尺寸⑵出料口其尺寸如下表：表3-9出料口尺寸第4章螺旋输送器的三维建模4.1输送器装置的建模螺旋输送器是一种常见的物料搬运设备，用于按照预定的方向移动散装物料。它通常由一个旋转的螺旋叶片和一个圆筒形外壳组成。在SolidWorks这样的三维软件中进行螺旋输送器的建模，可以分为几个步骤来完成。使用“草图绘制”工具，在前视图或右视图中绘制一条代表螺旋线路径的直线。接着使用“曲线”中的“螺旋线/涡状线”工具，根据之前规划的螺距和螺旋圈数生成螺旋线。在新的草图面上，通常是螺旋线起点处的一个垂直平面，绘制螺旋叶片的截面形状。这可能是一个简单的矩形，其宽度等于螺旋叶片的厚度，高度则根据实际需求调整。利用“扫描”命令，选择之前绘制的叶片截面作为轮廓，并以螺旋线作为路径，创建螺旋叶片，完成的建模如图4-1所示：图4-1螺旋输送器4.2入料口的建模在SolidWorks中为螺旋输送器设计入料口时，首先，需要根据实际需求确定入料口的具体尺寸，包括口径大小、长度等。决定入料口将在螺旋输送器的哪个位置连接。通常，入料口位于螺旋输送器的一端。选择一个合适的参考平面来绘制入料口的草图。如果你是在已有螺旋输送器模型的基础上进行工作，可以选择与入料口所在位置相对应的面。使用“草图绘制”工具，绘制入料口的截面形状，完成的入料口形状如图4-2所示：图4-2入料口的建模4.3减速器的建模在SolidWorks中创圆柱齿轮减速器的模型，通常需要系列步骤。由于减速器结构可能较为复杂，涉及到多个组件的设计和装配，使用“草图”工具绘制出锥齿轮的大致轮廓，利用“旋转凸台/基体”命令生成锥齿轮的基本形状。对于齿形部分，可以使用“曲线”功能中的“齿轮”插件，或者手动绘制齿形轮廓并进行阵列复制。在一个新的装配体文件中插入之前创建的所有零件。使用“配合”命令将各个部件按照实际的机械关系进行定位，例如轴与孔的同心、面贴合等。确保所有的运动副（如轴承支撑点、齿轮啮合处）都正确设置，完成的三维建模如图4-2所示：图4-3减速器的建模4.4整体装置的建模本次设计的水平螺旋输送机整体的结构布局为电机-减速器-联轴器-入料口-螺旋输送器-出料口等零部件组成，然后对螺旋输送器的各项参数进行设计计算，保证给料输送的效率。能够有效的缓解劳动力的不足，极大的降低人工给料的劳动强度。图4-4整体的三维建模螺杆轴的有限元分析为确保装置的关键零件能够满足实际工况下的应力和变形要求，采用ANSYS进行有限元分析，对螺旋输送器的受力情况进行仿真计算。本次分析的目标是验证螺旋输送器在承受设计力矩时的结构安全性，并评估其变形情况是否符合标准。在本次分析中，螺旋输送器受到转矩为94.31N·m。为了提高结构的安全性，通常需要引入安全系数进行设计修正。安全系数的选择需综合考虑荷载情况、计算模式、材料力学性能等因素。根据机械设计经验，对于此类机械结构，通常选取1.0至2.0之间的安全系数。本次分析选用安全系数1.5，即螺旋输送器承受的转矩为141.465N·m。零件材料选用45号钢，具体参数见下表表1螺旋输送器所用材料的具体参数表参数名称螺旋输送器材料名称45钢密度7.85×103kg/m3极限强度620MPa弹性模量2×1010MPa剪切模量7.69×1010MPa泊松比0.3（1）仿真前处理为了评估螺旋输送器在实际工况下的力学性能，确保其结构强度与刚度满足工程应用需求，采用ANSYSWorkbench2022进行有限元分析。在仿真前处理阶段，首先利用SolidWorks进行几何建模和优化处理。针对模型中的倒角、圆角及其他对整体受力影响较小的非关键结构，基于受力分析和工程经验进行简化，以减少不必要的计算量，提高网格划分质量，进而提升仿真精度。优化后的几何模型导入ANSYSWorkbench，并设置单位系统为mm、t、s、N，确保计算过程中物理量的单位与工程应用相匹配。图5.1螺旋输送器三维模型图（2）仿真参数设置点击主界面的分析模块，这里采用staticstructural模块。接着点击model进入Mechanical，这是一个有限元的求解器。点击Material，打开材料面板，设置材料为45钢。在主菜单中选择命令，选择四面体网格划分选项，单元尺寸设置为2，其余参数默认设置，最后点击mLSh，完成网格划分。进完成网格划分后，进一步设定螺旋输送器的边界条件和载荷，以真实模拟其在工作状态下的受力情况。给螺旋输送器端面施加141.465N·m的转矩，并设定绕圆周方向，以模拟实际工况中螺旋输送器所承受的力，保证仿真结果能够准确反映螺旋输送器的变形特征。与此同时，为确保仿真计算的稳定性及结果的可靠性，对螺旋输送器的螺旋面施加固定约束，即完全限制其所有自由度，使其作为参考点，以确保在受力情况下，螺旋输送器的整体运动和变形在控制范围内。图5.2螺旋输送器网格划分示意图图5.3螺旋输送器约束设置（3）仿真求解及后处理在完成边界条件与载荷设定后，利用求解器进行计算，并在Solution界面查看仿真结果。从应力分布云图来看，整个螺旋输送器的应力水平较低，最高应力为8.972MPa，远低于45钢的屈服强度620MPa，说明螺旋输送器在此工况下不会因受力而发生塑性变形或失效。从图中可以观察到，螺旋输送器的端面应力较大，但数值仍然在材料许可范围内，表明这些部位不会出现应力过载的风险。从应力云图的颜色分布来看，大部分区域呈现蓝色，对应的应力值极低，表明这些区域几乎不受载荷影响，进一步印证了螺旋输送器的设计是合理的。同时，仿真结果显示螺旋输送器的最大位移变形量仅为0.0012363mm，从数值上来看，该变形微乎其微，说明螺旋输送器在运行过程中能够保持较高的稳定性和精度，不会因变形而影响正常工作。通过本次有限元分析，验证了螺旋输送器在给定载荷作用下的力学性能，结果表明其结构强度符合要求。图5.4螺旋输送器应力分布图5.5螺旋输送器位移分布结论与展望该设备适用于煤灰输送，有一定的推广应用价值。得出如下结论：（1）了解水平螺旋输送机发展现状以及未来发展趋势，明确水平螺旋输送机的原理以及主要结构部分。（2）对水平螺旋输送机进行总体结构方案设计，对比各设计方案选出最优方案。（3）方案确定后对各部分进行设计，包括驱动装置的设计受力分析以及执行装置的设计等。（4）用SolidWorks进行三维建模，运用AutoCAD进行二维图的绘制。未来的输送机将具备更强的物料处理能力，能够适应更多种类的物料，包括干湿混合物料、特殊配方物料等，满足不同养殖对象的需求。随着对环境保护意识的增强，未来的输送机将更加注重节能减排，采用高效的动力系统和节能设计，减少对环境的影响。参考文献张世中,张天时,刘国涛,等.深水网箱养殖水性给料投饲机设计与研究[J].渔业现代化.2024,51(2).36-39阮正鑫,陈胜倩,林志林.基于物联网技术的智能农业自动控制系统[J].南方农机.2022,(16).42-45.贾成功,张学良,陈俊华,等.基于鱼群摄食规律的投饵系统研究[J].机械工程师.2021,(8).37-41.蔡吉晨,张琳洁,王秀,等.基于PLC的粉末料自动投放装置设计与试验研究[J].中国农机化学报.2022,(6).22-26.GongLing.AReviewofGeneticAlgorithmsintheFieldofAutomaticControl[J].WirelLSsInterconnectedTechnology.2023,(6).28-32.田应平,杨兴,周路,等.工厂化水产养殖自动投饵系统的设计[J].贵州农业科学.2020,(5).76-79.梅潇,王伟,刘海洋,等.大倾角螺旋输送机中物料粉末的运动特性研究[J].机械设计与制造.2018,(z2).37-43.井宝丰.大倾角螺旋输送机设计参数研究[J].中国新技术新产品.2022,(20).89-93.[张闯,贾宏禹,王波,等.关于大倾角螺旋输送机设计参数的探讨[J].长江大学学报（自科版）石油/农学中旬刊.2023,(6).68-72.张鹏,韩纯玉,张镇.大倾角螺旋输送机的设计制造[J].中国科技信息.2021,(22).96-101.郑欣欣.倾斜式螺旋输送机输送性能及螺旋体有限元仿真研究[D].2020.20-25.贾朝斌.螺旋输送机参数设计及其优化方法研究[D].2022.56-61.郭铁桥，郑海明，花广如.物料输送设备[M].中国电力出版社,2021.72-76.刘金华,张志辉,郝建伟,等.耐磨衬板材料应用研究[J].设备管理与维修.2023,(3).89-93.XuZhiyang,MengFanjing,DingHaohao.TheInfluenceofSurfaceFrictionCoefficientontheDynamicsCharacteristicsofParticleSpiralConveying[J].MachineTools&Hydraulics.2022,50(14).36-39.LiHuachu