張 闖，賈宏禹，王 波，萬(wàn) 強(qiáng)，張自然 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023）

螺旋輸送機(jī)是一種常用的不具有撓性牽引構(gòu)件的連續(xù)輸送機(jī)械，主要用于輸送各種粉狀、顆粒狀和小塊物料，在某些生產(chǎn)作業(yè)過程中還能實(shí)現(xiàn)混合攪拌等工藝的處理，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好、操作安全方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于采礦、化工、建材、冶金、機(jī)械制造、輕紡織、糧食等行業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn)和物料運(yùn)輸方面比較重要的機(jī)器設(shè)備。螺旋輸送機(jī)的廣泛使用對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，提高機(jī)器生產(chǎn)自動(dòng)化能力都有重大現(xiàn)實(shí)意義［1］。

根據(jù)輸送物料的位移方向和角度，螺旋輸送機(jī)分為水平螺旋輸送機(jī)、垂直螺旋輸送機(jī)和大傾角螺旋輸送機(jī)3種，其中水平和垂直螺旋輸送機(jī)的使用最為廣泛，其設(shè)計(jì)制造和性能參數(shù)的相關(guān)研究也比較成熟。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到生產(chǎn)場(chǎng)地、物料類型等的限制，經(jīng)常需要設(shè)計(jì)為大傾角螺旋輸送機(jī)（角度大于20°）。由于大傾角條件下的螺旋輸送機(jī)的原理不同于水平和垂直螺旋輸送機(jī)，而且目前相關(guān)研究較少，理論也不夠完善，為此，本研究在目前螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)大傾角螺旋輸送機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了探討，并指出其中存在的問題。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取方法

1.1 螺旋直徑的計(jì)算

螺旋直徑是螺旋輸送機(jī)的重要參數(shù)，它與螺旋輸送機(jī)的外形尺寸及結(jié)構(gòu)選型緊密相關(guān)。它的選擇正確與否，直接關(guān)系到螺旋輸送機(jī)的性能。螺旋直徑可按照下式［2］計(jì)算：

式中，D為螺旋直徑，m；Q0為生產(chǎn)要求中的輸送能力，t／h；K為物料特性系數(shù)；ψ為填充系數(shù)；C為傾角系數(shù)，取值見表1［3］；ρ為物料松散密度，t／m3。

表1 傾角系數(shù)表

按照式 （1）計(jì)算得出的D 應(yīng)圓整為下列標(biāo)準(zhǔn)值：0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50、0.60、0.80、1.00、1.25m。其中，輸送能力Q及物料類型由生產(chǎn)要求給定。根據(jù)螺旋輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，螺距應(yīng)根據(jù)對(duì)應(yīng)螺旋直徑成組選擇。

如果輸送物料的粒度較大時(shí)，螺旋直徑還應(yīng)與輸送物料的粒度維持如下關(guān)系：

式中，a為物料的平均粒度，mm；ak為物料的最大粒度，mm。

如果根據(jù)輸送物料的粒度需要選擇較大螺旋直徑，則在維持輸送量不變的情況下，可以選擇較低的螺旋軸轉(zhuǎn)速，以便延長(zhǎng)其壽命。

1.2 螺旋軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算

螺旋軸的轉(zhuǎn)速也是螺旋輸送機(jī)的重要參數(shù)。通常情況下，螺旋軸的轉(zhuǎn)速越高，輸送能力越大，但是實(shí)際并非如此，如果螺旋軸轉(zhuǎn)速過高，則物料就會(huì)因?yàn)殡x心力過大而向外拋，使物料隨著螺旋葉片旋轉(zhuǎn)，以至于無(wú)法輸送物料，而且會(huì)浪費(fèi)大量的能源，因而需要合理地選擇螺旋軸轉(zhuǎn)速。因此，螺旋軸轉(zhuǎn)速不能超過極限值nj，并且轉(zhuǎn)速應(yīng)在限定的范圍內(nèi)盡量較大。

式中，A為物料綜合系數(shù)，取值見表2。其中A值與K值對(duì)應(yīng)，計(jì)算時(shí)應(yīng)成組選用。根據(jù)螺旋輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，按照式 （4）計(jì)算的轉(zhuǎn)速n應(yīng)圓整為下列轉(zhuǎn)速值：20、30、35、45、60、75、90、120、150、190 r／min。

表2 物料特性表

確定出螺旋直徑D及轉(zhuǎn)速n數(shù)值后，還必須對(duì)填充系數(shù)ψ進(jìn)行驗(yàn)算。

式中，t為螺距 （對(duì)應(yīng)螺旋直徑成組選擇），m。

如果按照式 （5）計(jì)算出的ψ值在表2給定的范圍內(nèi)，則圓整值D及n是適當(dāng)?shù)模蝗绻哂诒?的上限，則應(yīng)選擇大一級(jí)的螺旋直徑；如果ψ值小于表2的下限，則應(yīng)降低一級(jí)螺旋軸轉(zhuǎn)速。

1.3 功率計(jì)算

大傾角螺旋輸送機(jī)的功率和物料的提升高度、質(zhì)量、傾斜角度等因素有關(guān)，因此螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率是物料運(yùn)行時(shí)所需的功率、空載時(shí)的功率與傾斜功率之和［4］。所以在相同輸送量的情況下，大傾角螺旋輸送機(jī)一般是水平螺旋輸送機(jī)的輸送功率1.8～3倍［5］。

螺旋輸送機(jī)所需軸功率可用下式計(jì)算：

式中，P0為軸功率，kW；Q為輸送量，t／h；ω0為阻力系數(shù) （表3）；L為螺旋輸送機(jī)長(zhǎng)度 （圖1），m；D為螺旋輸送機(jī)直徑，m；H為傾斜布置時(shí)的垂直高度 （圖1），m。

電動(dòng)機(jī)功率：

式中，η為驅(qū)動(dòng)裝置總效率，一般取0.85～0.9。

表3 物料參數(shù)

1.4 螺旋輸送機(jī)的輸送能力驗(yàn)算

螺旋輸送機(jī)的輸送能力Q可按照下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中，Q為物料流量，t／h；D為螺旋直徑，m；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r／min；t為螺距，m；ρ為物料松散密度，t／m3；ψ為物料填充系數(shù) （表2）；C為輸送機(jī)傾角系數(shù) （表1）。

將式 （1）、 （4）的計(jì)算結(jié)果代入到式 （8）算出螺旋輸送機(jī)的輸送能力Q，再與實(shí)際生產(chǎn)要求的輸送量Q0進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)Q≥Q0時(shí)即設(shè)計(jì)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，否則不滿足要求，須重新計(jì)算直至滿足為止。

圖1 螺旋輸送機(jī)布置簡(jiǎn)圖

2 存在的不足

在現(xiàn)有的計(jì)算理論下，大傾角螺旋輸送機(jī)是按照水平螺旋輸送機(jī)的計(jì)算公式配合相關(guān)系數(shù)來(lái)計(jì)算的，而二者的輸送原理卻不盡相同，勢(shì)必會(huì)造成較大誤差。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于表1中的傾角系數(shù)只是作為粉狀物料輸送的參考數(shù)據(jù)，對(duì)于其他特性物料還沒有較權(quán)威的數(shù)據(jù)可參考，通常情況下是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，所以理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐有較大誤差。因此，有必要對(duì)傾角系數(shù)表進(jìn)行完善。

（2）隨著傾斜角度的變大，物料的填充系數(shù)會(huì)減小，因此螺旋輸送機(jī)的輸送能力減小，進(jìn)而輸送效率降低，而現(xiàn)有理論計(jì)算公式中，對(duì)不同傾角下的填充系數(shù)尚沒有權(quán)威的數(shù)據(jù)可供參考。實(shí)踐中，往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)填充系數(shù)進(jìn)行選取，這也是造成實(shí)際與理論有較大誤差的一個(gè)重要原因。

（3）螺旋軸在達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，物料顆粒會(huì)產(chǎn)生徑向跳躍、碰撞，造成物料的擾動(dòng)，增加功耗，影響物料的輸送效率，因此造成較大誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

大傾角螺旋輸送機(jī)的使用越來(lái)越廣泛，其理論上的不足亟待完善，本研究?jī)H對(duì)目前存在的一些問題做了一定的探討。由于大傾角螺旋輸送機(jī)輸送物料的多樣性及工作條件的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)時(shí)，要從物料的特性、輸送原理等方面入手，并且還要對(duì)同一型號(hào)的螺旋輸送機(jī)盡可能多地進(jìn)行試驗(yàn)，這樣才能在現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論下，設(shè)計(jì)出較符合實(shí)際要求的大傾角螺旋輸送機(jī)。

［1］徐余偉.螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和確定 ［J］.面粉通訊，2008，（3），21－24；

［2］《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》編輯委員會(huì).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：492－554；

［3］任 進(jìn).門莊妍.大傾角螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)的選擇 ［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，1995，（2）：37－39；

［4］中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.螺旋輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 7679－95［S］.

［5］張 鵬，韓純玉，張 鎮(zhèn).大傾角螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)制造 ［J］.中國(guó)科技信息，2011，（22）：115－118.