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液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)
Hirokazu Araya ,Masayuki Kagoshima
日本機(jī)械工程研究實(shí)驗(yàn)室Kobe Steel, Ltd., Nishi-ku, Kobe Hyogo 651 2271,
2000年7月27日
摘要
開(kāi)發(fā)出了一種應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，即使是不熟練的操作者也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。構(gòu)造出了具有控制器的液壓挖掘機(jī)的精確數(shù)學(xué)控制模型，同時(shí)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研發(fā)出了其控制算法，并將其應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通過(guò)正反饋及前饋控制、非線性補(bǔ)償、狀態(tài)反饋和增益調(diào)度等各種手段獲得較高的控制精度和穩(wěn)定性能。自然雜志2001 版權(quán)所有
關(guān)鍵詞：施工機(jī)械；液壓挖掘機(jī)；前饋；狀態(tài)反饋；操作
1．引言
液壓挖掘機(jī)，被稱(chēng)為大型鉸接式機(jī)器人，是一種施工機(jī)械。采用這種機(jī)器進(jìn)行挖掘和裝載操作，要求司機(jī)要具備高水平的操作技能，即便是熟練的司機(jī)也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的疲勞。另一方面，隨著操作者年齡增大，熟練司機(jī)的數(shù)量因而也將會(huì)減少。開(kāi)發(fā)出一種讓任何人都能容易操控的液壓挖掘機(jī)就非常必要了[1-5]。
液壓挖掘機(jī)之所以要求較高的操作技能，其理由如下。
1.液壓挖掘機(jī)的操作，至少有兩個(gè)操作手柄必須同時(shí)操作并且要協(xié)調(diào)好。
2.操作手柄的動(dòng)作方向與其所控的臂桿組件的運(yùn)動(dòng)方向不同。
例如，液壓挖掘機(jī)的反鏟水平動(dòng)作，必須同時(shí)操控三個(gè)操作手柄（動(dòng)臂，斗柄，鏟斗）使鏟斗的頂部沿著水平面（圖1）運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，操作手柄的操作表明了執(zhí)行元件的動(dòng)作方向，但是這種方向與工作方向不同。
如果司機(jī)只要操控一個(gè)操作桿，而其它自由桿臂自動(dòng)的隨動(dòng)動(dòng)作，操作就變得非常簡(jiǎn)單。這就是所謂的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。
開(kāi)發(fā)這種半自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須解決以下兩個(gè)技術(shù)難題。
1. 自動(dòng)控制系統(tǒng)必須采用普通的控制閥。
2. 液壓挖掘機(jī)必須補(bǔ)償其動(dòng)態(tài)特性以提高其控制精度。
現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)一種控制算法系統(tǒng)來(lái)解決這些技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)在實(shí)際的液壓挖掘機(jī)上試驗(yàn)證實(shí)了該控制算法的作用。而且我們已采用這種控制算法，設(shè)計(jì)出了液壓挖掘機(jī)的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。具體闡述如下。
2．液壓挖掘機(jī)的模型
為了研究液壓挖掘機(jī)的控制算法,必須分析液壓挖掘機(jī)的數(shù)學(xué)模型。液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗柄、鏟斗都是由液壓力驅(qū)動(dòng)，其模型如圖2所示。模型的具體描述如下。
2.1 動(dòng)態(tài)模型[6]
假定每一臂桿組件都是剛體，由拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程可得以下表達(dá)式： 其中
g是重力加速度；θi鉸接點(diǎn)角度；τi是提供的扭矩；li組件的長(zhǎng)度；lgi轉(zhuǎn)軸中心到重心之距；mi組件的質(zhì)量；Ii是重心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(下標(biāo)i=1-3;依次表示動(dòng)臂，斗柄，鏟斗)。
2.2 挖掘機(jī)模型
每一臂桿組件都是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸的流量是滑閥控制的，如圖3所示?？勺魅缦录僭O(shè)：
1.液壓閥的開(kāi)度與閥芯的位移成比例。
2.系統(tǒng)無(wú)液壓油泄漏。
3.液壓油流經(jīng)液壓管道時(shí)無(wú)壓力損失。
4.液壓缸的頂部與桿的兩側(cè)同樣都是有效區(qū)域。
在這個(gè)問(wèn)題上，對(duì)于每一臂桿組件，從液壓缸的壓力流量特性可得出以下方程：
當(dāng)
時(shí)；
其中，Ai是液壓缸的有效橫截面積;hi是液壓缸的長(zhǎng)度;Xi是滑芯的位置；Psi是供給壓力;P1i是液壓缸的頂邊壓力；P2i是液壓缸的桿邊壓力；Vi是在液壓缸和管道的油量；Bi是滑閥的寬度；γ是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系數(shù)。
2.3 連桿關(guān)系
在圖1所示模型中，液壓缸長(zhǎng)度改變率與桿臂的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系如下：
(1)動(dòng)臂
(2)斗柄
(3)鏟斗
當(dāng) 時(shí)，
2.4 扭矩關(guān)系
從2.3節(jié)的連桿關(guān)系可知，考慮到液壓缸的摩擦力，提供的扭矩τi如下
其中，Cci是粘滯摩擦系數(shù);Fi是液壓缸的動(dòng)摩擦力。
2.5 滑閥的反應(yīng)特性
滑閥動(dòng)作對(duì)液壓挖掘機(jī)的控制特性產(chǎn)生會(huì)很大的影響。因而，假定滑閥相對(duì)參考輸入有以下的一階延遲。
其中，是滑芯位移的參考輸入；是時(shí)間常數(shù)。
3 角度控制系統(tǒng)
如圖4所示，θ角基本上由隨動(dòng)參考輸入角θγ通過(guò)位置反饋來(lái)控制。為了獲得更精確的控制，非線性補(bǔ)償和狀態(tài)反饋均加入位置反饋中。以下詳細(xì)討論其控制算法。
3.1 非線性補(bǔ)償
在普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使用如伺服閥這一類(lèi)新的控制裝置。在半自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)自控與手控的協(xié)調(diào)，必須使用手動(dòng)的主控閥。這一類(lèi)閥中，閥芯的位移與閥的開(kāi)度是非線性的關(guān)系。因此，自動(dòng)控制操作中，利用這種關(guān)系，閥芯位移可由所要求的閥的開(kāi)度反推出來(lái)。同時(shí)，非線性是可以補(bǔ)償?shù)模▓D5）。
3.2 狀態(tài)反饋
建立在第2節(jié)所討論的模型的基礎(chǔ)上，若動(dòng)臂角度控制動(dòng)態(tài)特性以一定的標(biāo)準(zhǔn)位置逼近而線性化（滑芯位移X 10，液壓缸壓力差P 110，動(dòng)臂夾角 θ10），則該閉環(huán)傳遞函數(shù)為
其中，Kp是位置反饋增益系數(shù)；
由于系統(tǒng)有較小的系數(shù)a1,所以反應(yīng)是不穩(wěn)定的。例如，大型液壓挖掘機(jī)SK-16中。X10是0，給出的系數(shù)a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反饋放大系數(shù)Ka，因而閉環(huán)（圖4 的上環(huán)）的傳遞函數(shù)就是
加入這個(gè)因素,系數(shù)S就變大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn)，利用加速度反饋來(lái)提高反應(yīng)特性效果明顯。
但是，一般很難精確的測(cè)出加速度。為了避免這個(gè)問(wèn)題，改用液壓缸力反饋取代加速度反饋（圖4的下環(huán)）。于是，液壓缸力由測(cè)出的缸內(nèi)的壓力計(jì)算而濾掉其低頻部分[7，8]。這就是所謂的壓力反饋。
4 伺服控制系統(tǒng)
當(dāng)一聯(lián)軸器是手動(dòng)操控，而其它的聯(lián)軸器是因此而被隨動(dòng)作控制時(shí)，這必須使用伺服控制系統(tǒng)。例如，如圖6所示，在反鏟水平動(dòng)作控制中，動(dòng)臂的控制是通過(guò)保持斗柄底部Z（由θ1與θ2計(jì)算所得）與Zr 的高度。為了獲得更精確的控制引入以下控制系統(tǒng)。
4.1 前饋控制
由圖1計(jì)算Z，可以得到
將方程（8）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到以下關(guān)系式，
右邊第一個(gè)式子看作是表達(dá)式（反饋部分）將替換成1，右邊第二個(gè)式子是表達(dá)式（前饋部分）計(jì)算當(dāng)θ2手動(dòng)地改變時(shí)，θ1的改變量。
實(shí)際上，用不同的△θ2值可確定1。通過(guò)調(diào)整改變前饋增益Kff，可實(shí)現(xiàn)最佳的前饋率。
采用測(cè)量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代測(cè)斗柄的角速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)斗柄的角速度與操作手柄的位置近似成比例。
4.2 根據(jù)位置自適應(yīng)增益調(diào)度
類(lèi)似液壓挖掘機(jī)的鉸接式機(jī)器人，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益穩(wěn)定的控制機(jī)器是困難的。為了解決這個(gè)難題，根據(jù)位置的自適應(yīng)增益調(diào)度并入反饋環(huán)中（圖6）。如圖7所示，自適應(yīng)放大系數(shù)（KZ或Kθ）作為函數(shù)的兩個(gè)變量，2和Z 、2表示斗柄的伸長(zhǎng)量，Z是表示鏟斗的高度。
5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論
反鏟水平動(dòng)作控制的模擬實(shí)驗(yàn)是將本文第4節(jié)所描述的控制算法用在本文第2節(jié)所討論的液壓挖掘機(jī)的模型上。（在SK-16大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。）圖8表示其中一組結(jié)果。控制系統(tǒng)啟動(dòng)5秒以后，逐步加載擾動(dòng)。圖9表示使用前饋控制能減少控制錯(cuò)誤的產(chǎn)生.
6 半自動(dòng)控制系統(tǒng)
建立在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，半自動(dòng)控制系統(tǒng)已制造出來(lái)，應(yīng)用在SK-16型挖掘機(jī)上試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可驗(yàn)證其操作性。這一節(jié)將討論該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。
6.1 結(jié)構(gòu)
圖10的例子中，控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、人機(jī)接口和液壓系統(tǒng)組成。
控制器是采用16位的微處理器，能接收來(lái)自動(dòng)臂、斗柄、鏟斗傳感器的角度輸入信號(hào)，控制每一操作手柄的位置，選擇相應(yīng)的控制模式和計(jì)算其實(shí)際改變量，將來(lái)自放大器的信號(hào)以電信號(hào)形式輸出結(jié)果。液壓控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的液壓力與電磁比例閥的電信號(hào)成比例，主控閥的滑芯的位置控制流入液壓缸液壓油的流量。
為獲得高速度、高精度控制，在控制器上采用數(shù)字處理芯片，傳感器上使用高分辨率的磁編碼器。除此之外，在每一液壓缸上安裝壓力傳感器以便獲得壓力反饋信號(hào)。
以上處理后的數(shù)據(jù)都存在存儲(chǔ)器上，可以從通信端口中讀出。
6.2 控制功能
控制系統(tǒng)有三種控制模式，能根據(jù)操作桿
和選擇開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換。其具體功能如下。
（1）反鏟水平動(dòng)作模式：用水平反鏟切換開(kāi)關(guān)，在手控斗柄推動(dòng)操作中，系統(tǒng)自動(dòng)的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)斗柄操作桿開(kāi)始操控時(shí)，其參考位置是從地面到斗柄底部的高度。對(duì)動(dòng)臂操作桿的手控操作能暫時(shí)中斷自動(dòng)控制，因?yàn)槭挚夭僮鞯膬?yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。
（2）鏟斗水平舉升模式：用鏟斗水平舉升切換開(kāi)關(guān)，在手控動(dòng)臂舉升操作中，系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟斗。保持鏟斗角度等于其剛開(kāi)始舉升時(shí)角度以阻止原材料從鏟斗中泄漏。
（3）手控操作模式：當(dāng)既沒(méi)有選擇反鏟水平動(dòng)作模式，也沒(méi)有選擇鏟斗水平舉升模式時(shí)，動(dòng)臂，斗柄，鏟斗都只能通過(guò)手動(dòng)操作。
系統(tǒng)主要采用C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，以構(gòu)建穩(wěn)定模組提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)能準(zhǔn)確工作。核實(shí)本文第3、4節(jié)所闡述的控制算法的作用，如下所述。
7.1 單個(gè)組件的自動(dòng)控制測(cè)試
對(duì)于動(dòng)臂、斗柄、鏟斗每一組件，以±5o的梯度從最初始值開(kāi)始改變其參考角度值，測(cè)量其反應(yīng)，從而確定第3節(jié)所描述的控制算法的作用。
7.1.1 非線性補(bǔ)償?shù)淖饔?
圖11 表明動(dòng)臂下降時(shí)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)殡娨合到y(tǒng)存在不靈敏區(qū)，當(dāng)只有簡(jiǎn)單的位置反饋而無(wú)補(bǔ)償時(shí)（圖11中的關(guān)）穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤仍然存在。加入非線性補(bǔ)償后（圖11中的開(kāi)）能減少這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生。
7.1.2 狀態(tài)反饋控制的作用
對(duì)于斗柄和鏟斗，只需位置反饋就可獲得穩(wěn)定響應(yīng)，但是增加加速度或壓力反饋能提高響應(yīng)速度。以動(dòng)臂為例，僅只有位置反饋時(shí)，響應(yīng)趨向不穩(wěn)定。加入加速度或壓力反饋后，響應(yīng)的穩(wěn)定性得到改進(jìn)。例如，圖12表示動(dòng)臂下降時(shí)，采用壓力反饋補(bǔ)償時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
7.2 反鏟水平控制測(cè)試
在不同的控制和操作位置下進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)，觀察其控制特性，同時(shí)確定最優(yōu)控制參數(shù)（如圖6所示的控制放大系數(shù)）。
7.2.1 前饋控制作用
在只有位置反饋的情況下，增大放大系數(shù)Kp，減少△Z錯(cuò)誤，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)，例如圖13所示的“關(guān)”，也就是Kp不能減小。采用第4.1節(jié)所描述的斗柄臂桿前饋控制能減少錯(cuò)誤而不致于增大Kp。如圖示的“開(kāi)”。
7.2.2 位置的補(bǔ)償作用
當(dāng)反鏟處在上升位置或者反鏟動(dòng)作完成時(shí)，反鏟水平動(dòng)作趨于不穩(wěn)定。不穩(wěn)定振蕩可根據(jù)其位置改變放大系數(shù)Kp來(lái)消除，如第4.2節(jié)所討論的。圖14 表示其作用，表明反鏟在離地大約2米時(shí)水平動(dòng)作結(jié)果。與不裝補(bǔ)償裝置的情況相比較，圖中的關(guān)表示不裝時(shí)，開(kāi)的情況具有補(bǔ)償提供穩(wěn)定響應(yīng)。
7.2.3 控制間隔的作用
關(guān)于控制操作的控制間隔的作用，研究結(jié)果如下：
1.當(dāng)控制間隔設(shè)置在超過(guò)100ms時(shí)，不穩(wěn)定振蕩因運(yùn)動(dòng)的慣性隨位置而加劇。
2.當(dāng)控制間隔低于50ms時(shí)，其控制操作不能作如此大提高。
因此，考慮到計(jì)算精度，控制系統(tǒng)選定控制間隔為50ms。
7.2.4 受載作用
利用控制系統(tǒng)，使液壓挖掘機(jī)執(zhí)行實(shí)際挖掘動(dòng)作，以研究其受載時(shí)的影響。在控制精度方面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與不加載荷時(shí)有很大的不同。
8 結(jié)論
本文表明狀態(tài)反饋與前饋控制組合，使精確控制液壓挖掘機(jī)成為可能。同時(shí)也證實(shí)了非線性補(bǔ)償能使普通控制閥應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中。因而應(yīng)用這些控制技術(shù)，允許即使是不熟練的司機(jī)也能容易和精確地操控液壓挖掘機(jī)。
將這些控制技術(shù)應(yīng)用在其它結(jié)構(gòu)的機(jī)器上，如履帶式起重機(jī)，能使普通結(jié)構(gòu)的機(jī)器改進(jìn)成為可讓任何人容易操控的機(jī)器。
參考文獻(xiàn)
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LS螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)
摘要 ：LS型螺旋輸送機(jī)是采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,等效采用ISO1050-75標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)制造符合ZBJ1005.1-2-88專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)新穎，是我國(guó)九十年代替代GX型螺旋輸送機(jī)的換代產(chǎn)品。LS型螺旋輸送機(jī)的應(yīng)用范圍：螺旋機(jī)被廣泛地使用在各種工業(yè)部門(mén)，如建材、電力、化工、冶金、煤炭、機(jī)械、輕工、糧食及食品行業(yè)。
LS螺旋輸送機(jī)對(duì)輸送物料的要求，粉狀、粒狀和小塊狀物料。如：水泥、煤粉、糧食、化肥、灰渣、砂子等，物料溫度不得超過(guò)200℃，螺旋機(jī)不宜輸送易變質(zhì)的、粘性大的、易結(jié)塊的物料。因?yàn)檫@些物料在輸送時(shí)在一螺旋上，并隨之旋轉(zhuǎn)而不向前移動(dòng)，或者在吊軸承處形成物料的積塞而會(huì)粘結(jié)使螺旋機(jī)不能正常工作。LS螺旋機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)在-20℃~50℃之間，允許稍微傾斜使用，最大傾角不得超過(guò)20℃。
本次LS螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)主要分析了粉狀物料輸送的相關(guān)參數(shù)。 要求被輸送物料的名稱(chēng)及特性來(lái)設(shè)計(jì)，按螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，我們選擇了單端驅(qū)動(dòng)。查閱了相關(guān)資料，才完成圖紙模型到圖紙數(shù)據(jù)，這都是強(qiáng)有力的效果。
關(guān)鍵詞：LS螺旋輸送機(jī) 物料 應(yīng)用范圍 技術(shù)參數(shù)。
指導(dǎo)老師簽名：
1
目 錄
1. 引言…………………………………………………………………………………1
2. 螺旋輸送機(jī)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)和選用………………………………………1
2.1 螺旋輸送機(jī)的一般結(jié)構(gòu)…………………………………………………………1
2.1.1 螺旋輸送機(jī)的類(lèi)型………………………………………………………………2
2.1.2 螺旋輸送機(jī)的特點(diǎn)………………………………………………………………3
2.2 螺旋輸送機(jī)的主要構(gòu)件…………………………………………………………4
2.2.1 螺旋體……………………………………………………………………………4
2.2.2 軸承………………………………………………………………………………9
2.2.3 機(jī)槽………………………………………………………………………………11
2.2.4 驅(qū)動(dòng)裝置…………………………………………………………………………15
3. 水平螺旋輸送機(jī)的工作過(guò)程分析…………………………………………17
3.1 物料的運(yùn)動(dòng)分析和葉片的設(shè)計(jì)…………………………………………………17
3.1.1 物料的運(yùn)動(dòng)分析…………………………………………………………………17
3.1.2 葉片的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………21
4. 總體設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………26
4.1 原始資料…………………………………………………………………………26
4.1.1 被輸送物料的名稱(chēng)及特性………………………………………………………26
4.1.2 選型要求…………………………………………………………………………26
4.2 螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………26
4.2.1 確定螺旋直徑……………………………………………………………………26
4.2.2 確定螺旋轉(zhuǎn)速……………………………………………………………………27
4.2.3 功率的計(jì)算………………………………………………………………………27
4.2.3 電機(jī)的選擇………………………………………………………………………28
5. 總體尺寸設(shè)計(jì)……………………………………………………………………29
5.1 LS螺旋輸送機(jī)的外形及尺寸……………………………………………………29
5.1.1 長(zhǎng)度與組合………………………………………………………………………30
5.2 附件尺寸…………………………………………………………………………30
5.2.1 進(jìn)料口……………………………………………………………………………30
5.2.2 出料口……………………………………………………………………………32
6. 用solidworks對(duì)連接軸進(jìn)行有限元分析………………………………33
7. 結(jié)論…………………………………………………………………………………38
8. 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………39
9. 致謝…………………………………………………………………………………40
附錄A 英文資料
附錄B 中文翻譯
南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
1 引言
螺旋輸送機(jī)俗稱(chēng)“絞龍”，是一種無(wú)撓性牽引構(gòu)件的連續(xù)輸送設(shè)備，它借助旋轉(zhuǎn)螺旋輸送葉片的推力將物料沿著機(jī)槽進(jìn)行輸送。螺旋輸送機(jī)被廣泛地使用在各種工業(yè)部門(mén)，如建材、電力、化工、冶金、煤炭、機(jī)械、輕工、糧食及食品行業(yè)。螺旋輸送機(jī)對(duì)輸 滾動(dòng)，滑輪軸承互換結(jié)構(gòu)，并設(shè)防塵密封裝置，密封件用尼龍用塑料，因而其密封性好，耐磨性強(qiáng)，阻力小，壽命長(zhǎng)?；瑒?dòng)軸瓦有需加潤(rùn)滑劑的鑄銅瓦，合金而磨鑄鐵瓦和銅基石墨少油潤(rùn)滑瓦，出料端設(shè)有清掃裝置，整機(jī)噪聲低，適應(yīng)性強(qiáng)，操作維修方便，進(jìn)出料口位置布置靈活。
LS型螺旋輸送機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍:
LS型螺旋輸送機(jī)是采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,等效采用ISO1050-75標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)制造符合ZBJ1005.1-2-88專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)新穎，是我國(guó)九十年代替代GX型螺旋輸送機(jī)的換代產(chǎn)品。
LS型螺旋輸送機(jī)與GX型相比，其頭部、尾部軸承移至殼體外，吊軸承采用滾動(dòng)，滑輪軸承互換結(jié)構(gòu)，并設(shè)防塵密封裝置，密封件用尼龍用塑料，因而其密封性好，耐磨性強(qiáng)，阻力小，壽命長(zhǎng)?；瑒?dòng)軸瓦有需加潤(rùn)滑劑的鑄銅瓦，合金而磨鑄鐵瓦和銅基石墨少油潤(rùn)滑瓦，出料端設(shè)有清掃裝置，整機(jī)噪聲低，適應(yīng)性強(qiáng)，操作維修方便，進(jìn)出料口位置布置靈活。
LS型螺旋輸送機(jī)的應(yīng)用范圍：螺旋機(jī)被廣泛地使用在各種工業(yè)部門(mén)，如建材、電力、化工、冶金、煤炭、機(jī)械、輕工、糧食及食品行業(yè)。
LS螺旋輸送機(jī)對(duì)輸送物料的要求，粉狀、粒狀和小塊狀物料，如：水泥、煤粉、糧食、化肥、灰渣、砂子等，物料溫度不得超過(guò)200℃，螺旋機(jī)不宜輸送易變質(zhì)的、粘性大的、易結(jié)塊的物料。因?yàn)檫@些物料在輸送時(shí)會(huì)粘結(jié)在一螺旋上，并隨之旋轉(zhuǎn)而不向前移動(dòng)，或者在吊軸承處形成物料的積塞而使螺旋機(jī)不能正常工作。LS螺旋機(jī)的工作環(huán)境應(yīng)在-20℃~50℃之間，允許稍微傾斜使用，最大傾角不得超過(guò)20℃。
2 螺旋輸送機(jī)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)和選用
2.1螺旋輸送機(jī)的一般結(jié)構(gòu)
螺旋輸送機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它由料槽、螺旋葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成的螺旋體、兩端軸承、中間懸掛軸承及驅(qū)動(dòng)裝置所組成。螺旋體由兩端軸承和中間懸掛軸承支承，由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，物料由進(jìn)料口進(jìn)入料槽，在旋轉(zhuǎn)螺旋葉片的推動(dòng)下，沿著料槽作軸向移動(dòng)，直至卸料排出。
螺旋輸送機(jī)的基本機(jī)型有水平螺旋輸送機(jī)、垂直螺旋輸送機(jī)以及處于兩者之間的傾斜螺旋輸送機(jī)。此外，還有許多其他型式的兼有工藝過(guò)程和特殊作用的螺旋輸送機(jī)。
2.1.1螺旋輸送機(jī)的類(lèi)型
1. 水平螺旋輸送機(jī)
水平螺旋輸送機(jī)多采用“U”形槽體（也可采用圓筒槽體）、較低的螺旋轉(zhuǎn)速及固定安裝的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1-1。輸送機(jī)工作時(shí)，物料從輸送機(jī)的一端加入槽體，被輸送到槽體的另一端或在任一希望的中間位置經(jīng)槽體底部的開(kāi)口卸出。
2. 傾斜螺旋輸送機(jī)
輸送傾角≤20o的螺旋輸送機(jī)，一般與水平螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)相同。輸送傾角為20o—90o的螺旋輸送機(jī)，一般采用短螺距螺旋及圓筒壯槽體，螺旋體的轉(zhuǎn)速也需增加，其結(jié)構(gòu)如同垂直螺旋輸送機(jī)，如圖1-2。
3. 垂直螺旋輸送機(jī)
垂直螺旋輸送機(jī)可垂直提升一般的散狀物料，物料顆粒大小一般≤12mm。垂直螺旋輸送機(jī)的槽體為封閉的圓筒，螺旋體的轉(zhuǎn)動(dòng)可采用底部驅(qū)動(dòng)或頂部驅(qū)動(dòng)。垂直螺旋輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所占空間位置小，制造成本底；缺點(diǎn)是輸送量小，輸送高度一般不超過(guò)8m。
2.1.2螺旋輸送機(jī)的特點(diǎn)
螺旋輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，易于維修，機(jī)槽密閉性較好，可以多點(diǎn)進(jìn)料和多點(diǎn)卸料，一臺(tái)輸送機(jī)可同時(shí)向兩個(gè)方向輸送物料，在輸送過(guò)程中還可以進(jìn)行物料的混合、攪拌、松散、加熱和冷卻等工藝過(guò)程。
螺旋輸送機(jī)的主要缺點(diǎn)：在輸送過(guò)程中，由于物料與機(jī)槽及螺旋體的摩擦以及螺旋體對(duì)物料的攪拌翻動(dòng)，致使機(jī)槽和螺旋葉片易于磨損，同時(shí)對(duì)物料具有一定的破碎作用，且輸送功率消耗較大。螺旋輸送機(jī)對(duì)超載敏感，需要均勻進(jìn)料，否則容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。當(dāng)螺旋輸送機(jī)傾斜或垂直布置時(shí)，其功率將大大下降；輸送長(zhǎng)度受到限制。
螺旋輸送機(jī)適宜輸送粉狀、顆粒狀和小塊狀物料，不適宜輸送長(zhǎng)纖維狀、堅(jiān)硬大塊狀、易黏結(jié)成塊及易破碎的物料（特殊型式的螺旋輸送機(jī)也可以輸送成件物品，如袋、包、箱等）。螺旋輸送機(jī)主要用于距離不太長(zhǎng)的水平輸送，或小傾角輸送，少數(shù)情況亦用于大傾角和垂直輸送。水平輸送長(zhǎng)度一般小于40m，最長(zhǎng)不超過(guò)70m。傾斜輸送高度一般不超過(guò)15m。垂直輸送高度一般不大于8m。它的某些變形常被用作喂料、計(jì)量、攪拌、烘干、仁殼分離、卸料以及連續(xù)加壓等設(shè)備。
2.2螺旋輸送機(jī)的主要構(gòu)件
2.2.1螺旋體
螺旋體是由螺旋軸和焊接在軸上的螺旋葉片組成。
根據(jù)輸送工藝的要求，螺旋葉片有多種形式，常用的有滿(mǎn)面式、帶式、齒式、和槳式四種。如圖2-1所示
圖2-1a所示為滿(mǎn)面式螺旋葉片。螺旋葉片的一邊緊貼在軸上，形成完整的螺旋面。這種葉片的構(gòu)造簡(jiǎn)單，輸送能力強(qiáng)，適宜輸送散落性較好的、干燥的顆粒狀或粉狀物料，是使用最廣泛的葉片形式。
最常用的螺旋葉片為正螺旋面（又稱(chēng)直母線螺旋面）。正螺旋面的母線是一條垂直于螺旋軸的直線。當(dāng)該直線繞軸線作均勻轉(zhuǎn)動(dòng)且沿軸向作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所形成的曲面為等距正螺旋面。若該直線沿軸向變速移動(dòng)，所形成的曲面為變距螺旋面。當(dāng)母線與軸線不垂直時(shí)所形成的螺旋面稱(chēng)為非正螺旋面（又稱(chēng)彎曲母線螺旋面）。采用母線為曲線的螺旋葉片可以提高螺旋輸送機(jī)的輸送效率，但是由于此種葉片難以制作，因而很少采用。
圖2-1b所示為帶式螺旋葉片。螺旋葉片的一邊通過(guò)桿件與軸相連，形成帶式的螺旋面。這種葉片適宜輸送小塊狀的或粘滯性的物料。由于粘性物料易于粘附在實(shí)面螺旋葉片及軸上，而帶狀葉片和軸之間留有空間，因此可避免物料粘附和堆積。這種葉片對(duì)物料有較強(qiáng)的攪拌作用，但生產(chǎn)率較低。
滿(mǎn)面式螺旋葉片構(gòu)造簡(jiǎn)單，輸送能力強(qiáng)，適宜輸送散落性較好的、干燥的顆粒狀或粉狀物料，是使用最廣泛的葉片形式。初步選用滿(mǎn)面式螺旋葉片。
根據(jù)原始數(shù)據(jù)D=500mm，則初步計(jì)算螺旋軸直徑
d=(0.2—0.35)D
取系數(shù)為0.2，計(jì)算得d=100mm
螺旋葉片的螺距s可根據(jù)輸送機(jī)的布置形式、輸送物料的特性以及螺旋直徑來(lái)選取，通常采用推薦的標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)螺旋直徑時(shí)，
s=(0.8—1.2)D
因此，螺距s可寫(xiě)成通式s=kD。取k=0.8，計(jì)算得s=400mm
螺旋葉片上任一點(diǎn)的法線與螺旋軸線的夾角稱(chēng)該點(diǎn)的螺旋升角。螺旋升角α由下式確定。
式中：s——螺距（m）
D1——該點(diǎn)所在螺旋線的直徑（m）
所以，螺旋葉片的外側(cè)升角α外和內(nèi)側(cè)升角α內(nèi)分別為
式中：D——螺旋體的外徑（m）
d——螺旋軸的外徑（m）
因?yàn)镈>d，故α內(nèi)>α外，即螺旋葉片的外側(cè)升角α外最小，內(nèi)側(cè)升角α內(nèi)最大。圖2-2是滿(mǎn)面式螺旋葉片的展開(kāi)圖。
根據(jù)螺旋葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上盤(pán)繞方向的不同，可將螺旋葉片分為左旋和右旋兩種。一種簡(jiǎn)單判斷螺旋旋向的方法如2-3圖所示。面對(duì)螺旋葉片，如果螺旋葉片的邊緣順右臂傾斜則為右螺旋，順左臂傾斜則為左螺旋。物料的輸送方向是由螺旋葉片的旋向及轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)決定的。物料的輸送方向可采用左、右手定則來(lái)判別。右螺旋用左手判別，左螺旋用右手判別。彎曲的四指表示軸的旋轉(zhuǎn)方向，而拇指所指方向即為物料的輸送方向。如圖2-3所示。在同一軸上盤(pán)繞兩種旋向的螺旋葉片，可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)方向的物料輸送。
在工業(yè)上螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片通常采用厚度為2mm——12mm的35號(hào)及45號(hào)鋼制成。在使用過(guò)程中，螺旋葉片尤其是葉片的外緣磨損較快，為了增加葉片的耐磨性，可對(duì)其進(jìn)行熱處理，使葉片表面硬化。
螺旋輸送體的形成通常是先用鋼板制成分段螺旋葉片，再將分段的螺旋葉片彼此對(duì)焊在一起，并將其焊接固定在螺旋軸上，即組成螺旋體。螺旋體的制作方法主要有以下幾種。
纏繞成形法：將帶鋼纏繞在螺旋形模具的空隙內(nèi)強(qiáng)制成形。纏繞時(shí)葉片外緣容易產(chǎn)生裂紋，葉片橫截面容易發(fā)生彎曲，而且每種規(guī)格的葉片都要有專(zhuān)用的模具。
冷軋成形法：將帶鋼通過(guò)冷軋機(jī)上一對(duì)錐形軋輥的輾壓，形成連續(xù)多圈的環(huán)狀件，再令其通過(guò)螺旋分導(dǎo)裝置，則成為具有左（右）旋向并有一定螺距的螺旋葉片。這種方法制作的葉片其根部較厚，外邊緣較薄。
拉制成形法：先將鋼板沖裁成帶缺口發(fā)平面圓環(huán)，再經(jīng)過(guò)沖壓或錘鍛加工成一定螺距的螺旋葉片，然后將若干個(gè)這樣的螺旋葉片焊接或鉚接的、成一串連續(xù)的螺旋面。用此方法生產(chǎn)的螺旋葉片整體厚度相同，但制造效率低而勞動(dòng)強(qiáng)度較大。
根據(jù)實(shí)際需求，螺旋葉片我們采用左旋方式，葉片采用厚度為8mm的45號(hào)鋼制成。在使用過(guò)程中，因葉片的外緣磨損較快，為了增加葉片的耐磨性，對(duì)螺旋葉片進(jìn)行熱處理。
螺旋輸送機(jī)的軸一般采用空心軸（鋼管）制成。這是因?yàn)檩S體承受相同扭矩的情況下，空心軸所需的材料和重量都要比實(shí)心軸節(jié)省，且相互之間的連接也較方便。為了便于制造和裝配，螺旋體一般制成2——4m長(zhǎng)的節(jié)段，使用時(shí)將各節(jié)段連接起來(lái)。在軸與軸的連接處和安裝軸承處需使用一小段實(shí)心軸，其聯(lián)接方法如2-4圖所示。即在聯(lián)接處將實(shí)心軸伸入空心軸內(nèi)，再在空心軸外面套一段長(zhǎng)約150mm的套筒，然后再用螺栓按相互垂直方向?qū)Υ┨淄才c兩軸緊固。當(dāng)采用此種聯(lián)結(jié)時(shí)，螺旋葉片應(yīng)與套筒連接在一起。另一種聯(lián)結(jié)方法是將實(shí)心軸伸入空心軸內(nèi)，再用幾只相適應(yīng)的螺釘或銷(xiāo)釘固定。此種方法主要用于快速螺旋輸送機(jī)螺旋軸的連接。
螺旋軸的直徑d與所傳遞的扭矩有關(guān)。單純輸送礫石一般采用滿(mǎn)面式螺旋葉片的輸送機(jī)，其螺旋軸的直徑常根據(jù)下述關(guān)系式確定。（摘自《機(jī)械設(shè)計(jì)》）
d=(0.2~0.35)D
式中，D——螺旋直徑（mm）。
當(dāng)螺旋直徑D較大時(shí)應(yīng)取該范圍的下限，反之取該范圍的上限，但選用后仍應(yīng)對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核。幾種常用螺旋軸的系列尺寸見(jiàn)下表2-1
表2-1 水平螺旋輸送機(jī)螺旋體與螺旋軸的系列尺寸
螺旋體直徑D(mm)
100
160
200
250
315
400
500
螺旋軸直徑d(mm)
30
36
42
48
60
70
100
在正常情況下冷軋鋼的軸是可以滿(mǎn)足的；當(dāng)輸送有腐蝕性或污染的物料也可采用不銹鋼軸。輸送機(jī)采用無(wú)潤(rùn)滑的鐵制懸掛軸承時(shí)要用淬火的聯(lián)結(jié)軸。而表面淬火的懸掛軸承要求配用表面淬火的軸。
根據(jù)介紹，我們?cè)O(shè)計(jì)的螺旋輸送機(jī)的軸材料選用45號(hào)鋼，采用空心軸（鋼管）制成，這樣軸體承受相同扭矩的情況下，空心軸所需的材料和重量都要比實(shí)心軸節(jié)省，且相互之間的連接也較方便。為了便于制造和裝配，螺旋體選用2m、4m、4m長(zhǎng)的三節(jié)段，使用時(shí)將各節(jié)段連接起來(lái)。在軸與軸的連接處和安裝軸承處需使用一小段實(shí)心軸，其聯(lián)接方法如2-4圖所示。
螺旋軸的直徑d與所傳遞的扭矩有關(guān)。單純輸送礫石一般采用滿(mǎn)面式螺旋葉片的輸送機(jī)，其螺旋軸的直徑常根據(jù)下述關(guān)系式確定。
d=(0.2~0.35)D
式中，D——螺旋直徑（mm）。
由于螺旋直徑D較大時(shí)應(yīng)取該范圍的下限，我們選取0.2，得d=80mm。空心軸壁厚δ=20mm，β=d1/d=(d-2δ)/d=40mm/80mm=0.5。則
由前面的總體計(jì)算我們可知，P=4.67KW，則軸的扭矩為
則軸的最大切應(yīng)力為
所以螺旋軸滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
2.2.2軸承
螺旋輸送機(jī)的軸承根據(jù)其安裝位置和作用，可分為頭部軸承、尾部軸承和中間懸掛軸承三種。
頭部軸承又稱(chēng)首端軸承，位于輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)端（卸料端）。頭部軸承除了承受徑向載荷外，還要承受軸向載荷，因此該端采用止推軸承。這樣的布置可使螺旋軸承受拉力，其工作條件比承受壓力好。因?yàn)檩S向壓力會(huì)使螺旋軸受壓而發(fā)生撓曲。頭部軸承的結(jié)構(gòu)如2-5圖所示。螺旋加料機(jī)和某些短的螺旋輸送機(jī)也可采用加料端驅(qū)動(dòng)，此時(shí)螺旋處于受壓狀態(tài)。
尾部軸承又稱(chēng)末端軸承，通常采用雙列向心球面軸承，主要承受徑向載荷和少量的軸向載荷。頭部和尾部軸承常用凸緣安裝式，軸承裝于殼體兩端的端蓋外側(cè)，以便檢修和更換。
對(duì)于長(zhǎng)度在3m以上的螺旋輸送機(jī)，為了避免螺旋軸受力彎曲，每隔2m左右應(yīng)設(shè)置一中間懸掛軸承。由于螺旋葉片在懸掛軸承處必須斷開(kāi)，為了防止物料在此處堵塞，懸掛軸承的斷面尺寸和長(zhǎng)度尺寸都應(yīng)盡量小。懸掛軸承一般采用滑動(dòng)軸承，其軸襯由青銅、減磨鑄鐵、青銅及巴氏合金、硬質(zhì)合金及硬鐵、油浸木材或其他耐磨 材料制成。在某些情況下，也可采用滾動(dòng)軸承進(jìn)行可靠的密封。在各種情形中，軸承都要裝設(shè)潤(rùn)滑油杯以進(jìn)行潤(rùn)滑。常用懸掛軸承的結(jié)構(gòu)如2-6圖所示
圖2-6
在設(shè)計(jì)時(shí)中間懸掛軸承我們選用滾動(dòng)軸承。
懸掛軸承安裝在機(jī)槽兩側(cè)壁上緣的角鋼上，通過(guò)螺栓及兩個(gè)螺母并緊。懸掛軸承座在支承角鋼上應(yīng)可以縱向移動(dòng)，保持浮動(dòng)狀態(tài)，不得使懸掛軸承座固定在支承角鋼上。當(dāng)輸送磨磋性較大的物料時(shí)，接近中間懸掛軸承處的螺旋面承受的推力較大，所以應(yīng)將該部分的螺旋面加厚。
很多情況下都要求對(duì)霎時(shí)間頭部和尾部設(shè)置軸的防塵密封。采用密封壓蓋及槽體端部密封來(lái)防止槽體里的粉塵進(jìn)入軸承或防止水分沿軸進(jìn)入槽內(nèi)。
采用密封的滾動(dòng)懸掛軸承，軸蓋上有防塵密封結(jié)構(gòu)，常用在不易加油，不加油或油對(duì)物料有污染的地方，密封效果好，壽命長(zhǎng)，輸送物料溫度≤80℃。為滑動(dòng)軸承，設(shè)有防塵密封裝置，有鑄銅瓦、合金耐磨鑄鐵瓦等，常用在輸送物料溫度較高（>80℃）或輸送液態(tài)物料。
2.2.3機(jī)槽
螺旋輸送機(jī)的機(jī)槽主要有U字型和圓筒型兩種。圖2-7所示是水平螺旋輸送機(jī)機(jī)槽的形式。帶有角鋼法蘭的截面為U字型的鋼制螺旋槽體是最常用的，U字型機(jī)槽一般用2——10mm的薄鋼板制成，其兩側(cè)壁垂直，底部呈半圓形，兩側(cè)壁的上端邊沿焊有縱向角鋼，用以固定蓋板及增強(qiáng)機(jī)槽的剛性，同時(shí)也用以固定懸掛軸承。機(jī)槽半圓的內(nèi)徑應(yīng)大于螺旋葉片的半徑，使其形成4——8mm的間隙。為了便于制造和安裝，每節(jié)機(jī)槽長(zhǎng)約2——4m，節(jié)邊用角鋼加固并做成法蘭邊，以便用螺栓連接。機(jī)槽總長(zhǎng)度超過(guò)3.5m時(shí)，為了避免其彎曲下垂，應(yīng)每隔2——3m設(shè)置一支架承托。折邊法蘭的U型槽體，頂部法蘭是由同一塊鋼板折邊加工而成的槽體，這樣制成的槽體重量輕而堅(jiān)固。活動(dòng)底的U型槽體快速、方便地清理輸送機(jī)內(nèi)部的場(chǎng)合，該槽體由上部剛性的槽鋼與下部半圓形截面槽體所構(gòu)成，半圓形槽體的一邊為鉸接，另一邊則采用彈簧卡子夾緊或其他形式的快開(kāi)聯(lián)結(jié)裝置。帶有夾套的槽體在其夾套上焊有換熱介質(zhì)的進(jìn)出口管，這種槽體廣泛用于加熱、冷卻或干燥被輸送的物料。矩形槽體適合于磨琢性強(qiáng)的物料。允許物料滯留在槽底，這樣可以防止物料和槽底的直接摩擦。
為了對(duì)機(jī)槽進(jìn)行封閉，機(jī)槽上部安裝有薄鋼板制成的蓋板。蓋板用螺栓固定在槽體上端的角鋼法蘭上，或用彈簧卡子緊夾在槽體上。蓋板可以開(kāi)啟，以便對(duì)機(jī)槽進(jìn)行必要的檢查。對(duì)要求防塵的頂蓋還要在蓋板下加墊密封。在蓋板上開(kāi)有進(jìn)料口，在機(jī)槽底部開(kāi)有卸料口，進(jìn)料口和卸料口常做成方形（有時(shí)也采用圓形進(jìn)料口），以便安裝料管和平板閘門(mén)，如圖2-8所示。閘門(mén)控制常用手推式、齒條式及電動(dòng)推桿式幾種。
根據(jù)設(shè)計(jì)需要我們采用U字型。因?yàn)閹в薪卿摲ㄌm的截面為U字型的鋼制螺旋槽體是最常用的。由于運(yùn)輸?shù)[石的螺旋輸送機(jī)對(duì)機(jī)槽的損傷較大，所以機(jī)槽由10mm的薄鋼板制成，其兩側(cè)壁垂直，底部呈半圓形，兩側(cè)壁的上端邊沿焊有縱向角鋼，用以固定蓋板及增強(qiáng)機(jī)槽的剛性，同時(shí)也用以固定懸掛軸承。為了便于制造和安裝，所設(shè)計(jì)的機(jī)槽為4m、4m、2m三節(jié)，為了避免其彎曲下垂，從輸送端每隔4m設(shè)置一支架承托。其具體尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)總體設(shè)計(jì)。因?yàn)闄C(jī)槽較長(zhǎng)，采用折邊法蘭的U型槽體?；顒?dòng)頂蓋的與槽體的聯(lián)結(jié)為簧卡子夾緊，蓋板可以開(kāi)啟，這樣便于需要時(shí)較快地打開(kāi)頂蓋。
圖2-8
進(jìn)、出料口一般在全機(jī)安裝固定后，根據(jù)工藝需要現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)口焊接。注意不要進(jìn)、出料口位置安排在兩端的軸承處和中間懸掛軸承處，也不要安裝在機(jī)槽的支腳處和接頭法蘭處。
圓筒型機(jī)槽又稱(chēng)機(jī)筒，一般采用薄壁無(wú)縫鋼管制成，也可用2——4mm厚的鋼板卷制并在接縫處連續(xù)焊接而成，或使用硬質(zhì)塑料管。折邊法蘭對(duì)開(kāi)管狀槽體是由兩個(gè)半圓形的帶有折邊法蘭的槽體用螺栓連在一起而構(gòu)成的管狀槽體。圓筒型機(jī)槽的內(nèi)徑要比螺旋直徑大些，它們之間的縫隙為5——10mm。圓筒型機(jī)槽的密封性好、剛度大，用于垂直螺旋輸送機(jī)和要求嚴(yán)格密封的場(chǎng)所。
螺旋輸送機(jī)的機(jī)槽在進(jìn)行安裝時(shí)，一定要注意對(duì)中和找直，否則，工作時(shí)由于劇烈而周期的撓曲應(yīng)力，會(huì)發(fā)生軸的斷裂，軸承的使用壽命也將大大減弱。
常用的螺旋輸送機(jī)進(jìn)料布置如圖2-9所示。
固定進(jìn)料時(shí)，可采用裝料設(shè)施以便可靠地調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料量。裝料設(shè)施可采用管狀槽體的螺旋給料機(jī)，使物料在預(yù)定速度下從料倉(cāng)中將物料輸出，或采用旋轉(zhuǎn)葉輪給料機(jī)，以一定的轉(zhuǎn)速排出物料，其給料量由轉(zhuǎn)速確定。具有多點(diǎn)進(jìn)料的螺旋輸送機(jī)，必須有靈活可靠的進(jìn)料調(diào)節(jié)裝置。在給定時(shí)間里僅需打開(kāi)一個(gè)進(jìn)料口時(shí)，應(yīng)限制閘門(mén)或開(kāi)關(guān)裝置在最大開(kāi)度時(shí)不至于使輸送機(jī)超載。當(dāng)需要開(kāi)啟多個(gè)進(jìn)料口同時(shí)進(jìn)料時(shí)，必須小心地調(diào)節(jié)限制每一個(gè)進(jìn)料口的流量，以使其總量不要超過(guò)輸送機(jī)的設(shè)計(jì)能力。直接由固定儲(chǔ)倉(cāng)進(jìn)料的螺旋輸送機(jī)，若沒(méi)有流量調(diào)節(jié)裝置，則將大大地增加超載的危險(xiǎn)。進(jìn)料時(shí)由于物料塊度或顆粒的慣性作用會(huì)產(chǎn)生沖擊，有碰壞或磨損設(shè)備的可能，為此可在進(jìn)口溜槽中安裝折流擋板或緩沖腔來(lái)加以克服。
由于我們的螺旋輸送機(jī)用于礫石輸送，且輸送量大，所以采用較大的進(jìn)料口，以保證最大的輸送能力。
常用的螺旋輸送機(jī)卸料布置見(jiàn)圖2-10所示。
標(biāo)準(zhǔn)卸料是最廣泛采用的卸料布置，采用標(biāo)準(zhǔn)卸料口來(lái)約束物料的卸出并直接將物料送入后續(xù)的設(shè)備或儲(chǔ)存裝置。終端卸料的卸料口位于螺旋輸送機(jī)槽體的最末端。閘板卸料采用手輪或鏈輪操縱的齒條及小齒輪平閘板，進(jìn)行有選擇地定量卸料、閘板的操作方向可與輸送機(jī)的軸呈平行或垂直。無(wú)接管的卸料口是在輸送機(jī)槽體底部直接開(kāi)口。開(kāi)底卸料是在輸送機(jī)槽體的底部按任意要求的長(zhǎng)度開(kāi)口卸出物料，用于向料斗、料倉(cāng)的卸料及布料。槽體端部卸料是指物料直接通過(guò)輸送機(jī)槽體端部的開(kāi)口卸出，螺旋由局部端板支承，軸承安裝在端部的法蘭上，當(dāng)輸送機(jī)填充系數(shù)超過(guò)0.45時(shí)將不能采用這種卸料方法。端部敞開(kāi)卸料時(shí)，輸送機(jī)尾節(jié)螺旋采用標(biāo)準(zhǔn)的懸掛軸承支承。
根據(jù)實(shí)際情況，選用標(biāo)準(zhǔn)的卸料布置，為防止物料滿(mǎn)溢，在卸料口和槽體端部間裝設(shè)一節(jié)與主螺旋呈相反方向的螺旋，以防止物料在最后卸料口前的堆積。
2.2.4驅(qū)動(dòng)裝置
螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)、減速器及聯(lián)軸器組成。圖2-11所示是水平螺旋輸送機(jī)常見(jiàn)的幾種傳動(dòng)布置形式。圖2-11a所示的是電動(dòng)機(jī)及減速器組合驅(qū)動(dòng)方式，由Y型電機(jī)與ZQ型減速器組成，有左裝和右裝兩種裝配形式。圖2-11b所示是電動(dòng)機(jī)及軸裝減速器組合驅(qū)動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)安裝在托架上。螺旋輸送機(jī)的速度可通過(guò)調(diào)節(jié)不同直徑的三角皮帶輪而改變。當(dāng)螺旋輸送機(jī)輸送物料量比較穩(wěn)定時(shí)，傳動(dòng)裝置可直接連接到螺旋輸送機(jī)的軸上，從而使結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，如圖2-11c所示的齒輪減速電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)的形式。如果螺旋輸送機(jī)進(jìn)料量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)超載運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)裝置可采用鏈條或三角皮帶與輸送機(jī)的軸連接，如圖2-11d所示螺旋輸送機(jī)的傳動(dòng)軸通過(guò)鏈傳動(dòng)連到減速器，減速器可以裝在各種不同的位置上，因此布置比較靈活。這種布置可以通過(guò)調(diào)換不同直徑的鏈輪來(lái)改變輸送機(jī)的速度使其滿(mǎn)足操作要求。功率較大的螺旋輸送機(jī)，可通過(guò)液力偶合器傳動(dòng)，這樣既可均勻地吸收物料量波動(dòng)的影響，又可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)及設(shè)備瞬時(shí)超載及停機(jī)的影響。
由于所設(shè)計(jì)的輸送機(jī)運(yùn)載量大，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如進(jìn)料量不穩(wěn)定，超載運(yùn)行 等情況，因此我們選用齒輪減速電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)的形式。
3 水平螺旋輸送機(jī)的工作過(guò)程分析
3.1物料的運(yùn)動(dòng)分析和葉片的設(shè)計(jì)
3.1.1 物料的運(yùn)動(dòng)分析
當(dāng)螺旋體傳動(dòng)時(shí)，進(jìn)入機(jī)槽的物料受到螺旋葉片的法向推力，該推力的徑向分量和葉片對(duì)物料的摩擦力將物料繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；而物料的重力和機(jī)槽對(duì)物料的摩擦力又阻止物料繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)螺旋葉片對(duì)物料法向推力的軸向分量克服了機(jī)槽對(duì)物料的摩擦力及法向推力的徑向分量，物料不和螺旋一起旋轉(zhuǎn)，只沿料槽向前運(yùn)移。其情況猶如被持住不能轉(zhuǎn)動(dòng)的螺母在旋轉(zhuǎn)的螺桿上作直線運(yùn)動(dòng)一樣。但是物料顆粒在輸送過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)由于受旋轉(zhuǎn)螺旋的影響并非作單純的直線運(yùn)動(dòng)，而是一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)螺旋升角為α并在展開(kāi)狀態(tài)時(shí)，螺旋線用一條斜直線表示。則旋轉(zhuǎn)螺旋面作用于半徑為r（距螺旋軸線之距離）處的物料顆粒A上的力為P合。由于摩擦的原因，P合之方向與螺旋線的法向方向偏離了φ角。此力可分解為切向分力P切和法向分力P法，如圖所示。圖中φ角是由物料對(duì)螺旋面的摩擦角ρ及螺旋表面粗糙程度決定的。對(duì)于一般沖壓而成或經(jīng)過(guò)很好加工的螺旋面，可以不考慮螺旋表面粗糙程度對(duì)φ角的影響，此時(shí)則認(rèn)為φ≈ρ。
物料顆粒A在P合作用下，在料槽中進(jìn)行著一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即具有圓周速度v側(cè)和軸向速度v軸，其合成速度為v合，圖表示了其速度的分解。
若螺旋的轉(zhuǎn)速為n，處于螺旋面上的被研究物料顆粒A的運(yùn)動(dòng)速度，由圖中三角形ABC可得
因?yàn)?
所以
圓周速度為
以摩擦系數(shù)μ=tanρ代入上式，得到圓周速度
由于
因此，將上述各式代入并經(jīng)過(guò)換算后，便可求得物料顆粒的圓周速度計(jì)算公式，
式中：s——螺旋的螺距(m)
n——螺旋的轉(zhuǎn)速(r/min)
r——所研究的物料顆粒離軸線的半徑(m)
μ面——物料與螺旋面的摩擦系數(shù)μ面=tanρ
若使公式對(duì)r求一次導(dǎo)數(shù)，并令其值，便可求得存在v圓最大值的半徑為
同樣，根據(jù)圖3-2的速度分解關(guān)系，可得物料顆粒的軸向輸送速度的計(jì)算公式：
圖3-3表示了對(duì)于幾種不同螺距的速度v圓和v軸隨半徑而變化的曲線圖。由圖中可知，對(duì)于處于直線OB1B2B3m以右的r值的母線螺旋而上的被輸送物料，其圓周速度v圓在半徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)并不是常數(shù)，因此，在其運(yùn)移過(guò)程中要產(chǎn)生物料之間的相對(duì)滑動(dòng)。在靠近螺旋軸的物料之圓周速度要比外層的大，但該處的軸向輸送速度卻顯著降低。所以使內(nèi)層的物料較快地繞軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，較早地到達(dá)表面，這就產(chǎn)生了一個(gè)附加料流。它不僅對(duì)物料的輸送起著不良的影響，同時(shí)也增加了功率的消耗。但在靠近螺旋外側(cè)的物料，其軸向輸送速度要大于圓周速度。
為了避免直母線螺旋面的上述問(wèn)題，而又能獲得物料的最大軸向速度，因而采用如圖3-4所示的彎曲母線螺旋面。這種螺旋面在靠近螺旋軸處的升角為正α，而在靠近槽壁處的升角為負(fù)α。這樣在靠近螺旋軸的區(qū)域處將具有指向槽壁的徑向速度，增加了內(nèi)層物料對(duì)外層物料的壓力和摩擦力，致使螺旋軸附近的附加料流適當(dāng)?shù)販p小。但在靠近槽壁處，由于具有升角負(fù)α的螺旋面，亦具有指向螺旋軸線的圓周速度，則使該處物料對(duì)料槽槽壁的壓力降低，乃至消除，從而減落或避免了由此引起的能量消耗和物料軸向輸送速度的降低。
水平螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，物料在機(jī)槽底部并偏向轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一側(cè)，該物料面與水平形成的夾角φ為物料的倒塌角，如圖3-5所示。在此面上物料處于力的平衡，當(dāng)物料面轉(zhuǎn)角φ>φd時(shí)，物料沿倒塌角下滑，形成倒塌現(xiàn)象。倒塌下來(lái)的物料一部分不斷翻起在落下，一部分越過(guò)軸并落到軸的另一側(cè)，即下一個(gè)螺距中，形成附加料流。因此，當(dāng)輸送機(jī)工作時(shí)，應(yīng)使物料面的轉(zhuǎn)角不大于物料的倒塌角，即
式中：φ0——物料在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的內(nèi)摩擦角（o）
φd——螺旋輸送機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)物料面形成的倒塌角（o）
φ——物料面的轉(zhuǎn)角（o）
3.1.2葉片的設(shè)計(jì)
在螺旋輸送機(jī)工作過(guò)程中，物料面的轉(zhuǎn)角與填充系數(shù)即進(jìn)料量、螺距大小及螺旋面的型式等因素有關(guān)。
螺旋輸送機(jī)工作時(shí)，機(jī)槽中物料的填充系數(shù)ψ（即進(jìn)料量）影響輸送過(guò)程和能量消耗。圖3-6是輸送礫石時(shí)，對(duì)于不同填充系數(shù)的物料層堆積的情況及其滑移面。當(dāng)裝滿(mǎn)系數(shù)較小時(shí)（即ψ=5％），物料堆集的高度低矮且大部分靠近槽壁而具有較低的圓周速度，物料運(yùn)動(dòng)的滑移面幾乎平行于輸送方向，見(jiàn)圖3-6a。物料顆粒在軸向的運(yùn)動(dòng)要比圓周方向顯著得多。所以，這時(shí)垂直于輸送方向的附加料流很少，單位能量消耗也較低。但是，當(dāng)填充系數(shù)提高（ψ=13％或ψ=40％）時(shí)，則物料的滑移面將變陡，見(jiàn)圖3-6b、c。此時(shí)，物料在圓周方向的運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，在輸送方向的運(yùn)動(dòng)減弱，附加料流增大，導(dǎo)致輸送速度的降低和附加能量的消耗。因而，對(duì)于水平螺旋輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，物料的填充系數(shù)并不能無(wú)限增加，一般取填充系數(shù)ψ＜45％。各種散粒物料的填充系數(shù)可參考化學(xué)工業(yè)出版社出版的1999版《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)下冊(cè)》P335表15-1。
圖3-6
填充系數(shù)主要與被輸送物料的性質(zhì)有關(guān)。輸送細(xì)粉、易流動(dòng)且沒(méi)有磨琢性或有輕微磨琢性的散狀固體物料時(shí)（如面粉、谷物等），填充系數(shù)可達(dá)到0.45；如果被輸送的物料易于粘結(jié)或具有中等程度磨琢性的細(xì)?；蛐K，則填充系數(shù)限制在0.3左右。如果與此同時(shí)物料還有一定程度的磨琢性，螺旋的轉(zhuǎn)速就要減少。對(duì)于磨琢性的及大物料（如礦石等），填充系數(shù)將進(jìn)一步地限制，大約只能取0.15。
螺距的大小也直接影響物料的輸送過(guò)程，如果填充系數(shù)不變，當(dāng)螺距不同時(shí)，則物料的滑移面亦隨之改變。如果改變了填充系數(shù)，則必導(dǎo)致物料運(yùn)動(dòng)速度分布的變化。所以，應(yīng)從考慮螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量間的適當(dāng)分布關(guān)系等兩個(gè)條件，來(lái)確定最合理的螺距尺寸。
從圖3-2可得出物料顆粒A所受螺旋面在軸向方向上的作用力為
為了使P軸>0，則必須滿(mǎn)足
根據(jù)前面的討論得知，最小的半徑r=d/2（其中d為螺旋軸的直徑）初所得的螺旋升角α是最大的，則軸向輸送方向的作用力P軸最小。根據(jù)這個(gè)條件，最大的許用螺距值應(yīng)由下面兩式求得
若以k1=d/D（D為螺旋的外徑）代入上式，則得
確定最大的許用螺距時(shí)，必須滿(mǎn)足的第二個(gè)條件是建立在使物料顆粒具有最合理的速度各分量間的關(guān)系的基礎(chǔ)上。亦即應(yīng)使物料顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時(shí)又使螺旋面上各點(diǎn)的軸向輸送速度大于圓周速度，如圖3-2所示。螺距的大小將影響速度各分量的分布。當(dāng)螺距增加時(shí)，雖說(shuō)軸向輸送速度增大，但是會(huì)出現(xiàn)圓周速度不恰當(dāng)?shù)姆植记闆r；相反，當(dāng)螺距較小時(shí)，速度各分量的分布情況較好，但是軸向輸送速度卻較小。于是，根據(jù)在螺旋圓周處的v圓≤v軸的條件，并利用公式可得
又因?yàn)榇藭r(shí)2r=D（螺旋圓周處），故得求螺距的第二個(gè)條件為
分析了填充系數(shù)及螺距對(duì)物料輸送過(guò)程的影響后，可以指出，對(duì)于較大的裝滿(mǎn)系數(shù)，應(yīng)取最小的螺距值；反之，對(duì)于較小的裝滿(mǎn)系數(shù)，螺距可偏于取最大值。
由前述知，在螺旋面同一母線上各點(diǎn)的升角α不同。葉片外緣點(diǎn)處升角α外最小，向內(nèi)升角逐漸增大，至葉片內(nèi)緣點(diǎn)處即靠近螺旋軸處的升角α內(nèi)最大。由此得知，螺旋葉片同一差別越大，各點(diǎn)處物料轉(zhuǎn)角φ的差別越大，在較大的半徑范圍內(nèi)物料轉(zhuǎn)角大于其倒塌角，形成更多的附加料流。從螺距對(duì)物料運(yùn)輸速度各分量分布的影響也可知，螺距增大，在靠近螺旋軸處物料的v圓顯著增加，且在較大的半徑范圍內(nèi)v圓>v軸，使較多物料的轉(zhuǎn)角大于其倒塌角，形成更多的附加料流。
圖3-7a繪出了水平螺旋輸送機(jī)的容積生產(chǎn)率V與螺旋軸直徑d、物料與螺旋葉片摩擦系數(shù)tanφ1間的關(guān)系。該圖是在螺旋直徑D保持不變時(shí)，s/D=1的情況繪制的。由圖可知，水平螺旋輸送機(jī)的容積生產(chǎn)率是隨螺旋軸直徑d及物料與葉片間的摩擦系數(shù)f1=tanφ1的增大而下降的。而圖3-7b則繪出了水平螺旋輸送機(jī)的容積生產(chǎn)率與s/D的比值及物料與螺旋葉片間的摩擦系數(shù)的關(guān)系。由圖可知，s/D比值的適宜范圍是0.8—1.25，在此范圍之外，生產(chǎn)率則明顯下降；此外，物料與螺旋葉片間摩擦系數(shù)的大小對(duì)產(chǎn)量也有較大的影響，特別是當(dāng)s/D比值較大時(shí)，隨著f1=tanφ1的增大，產(chǎn)量下降得很厲害。例如，當(dāng)s/D=2時(shí)，若f1=0.3，則V=950；若f1=0.9，則V=0，即此時(shí)物料只隨螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而其軸向運(yùn)動(dòng)停止。因此，除適宜選擇s/D比值外，還應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇螺旋葉片的材料及其光滑程度，以盡量減小物料與螺旋葉片間的摩擦系數(shù)。
通過(guò)以往試驗(yàn)得知，螺旋在一定的轉(zhuǎn)速內(nèi)，對(duì)物料顆粒運(yùn)動(dòng)的影響并不顯著。但是當(dāng)超過(guò)一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，物料受到過(guò)大的切向力而被拋起，開(kāi)始產(chǎn)生垂直于輸送方向的徑向跳躍，從而對(duì)輸送過(guò)程產(chǎn)生不利影響。因此，螺旋的最大許用轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)被輸送物料的最低跳躍高度來(lái)確定。但是，由于至今尚缺乏有關(guān)各種物料的許用最低跳躍高度的資料，因此在實(shí)用計(jì)算中，用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定螺旋的最大許用轉(zhuǎn)速：
式中，D 螺旋直徑（m）
A 物料特性系數(shù)，由化學(xué)工業(yè)出版社出版的1999版《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)下冊(cè)》P335表15-1查出
從式可知，螺旋的最大許用轉(zhuǎn)速是螺旋輸送機(jī)直徑的函數(shù)，同時(shí)也和輸送物料性質(zhì)及填充系數(shù)有關(guān)。在滿(mǎn)足輸送量要求的情況下，應(yīng)選用較低的轉(zhuǎn)速，以減小物料對(duì)螺旋葉片及機(jī)殼磨損，延長(zhǎng)使用壽命。
4 總體設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1原始資料
4.1.1被輸送物料的名稱(chēng)及特性
（1）物料：面粉
（2）面粉為干的、無(wú)磨琢性、無(wú)腐蝕物料
4.1.2選型要求
（1）輸送能力Q=40 t/h
（2）水平輸送，輸送長(zhǎng)度L為15米
4.2螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于該機(jī)用于純運(yùn)輸，因而選用實(shí)體螺旋面型葉片；根據(jù)選型要求，確定該機(jī)為L(zhǎng)S型螺旋輸送機(jī)
4.2.1確定螺旋直徑D
式中 Q 輸送能力
K 物料特性系數(shù)，常用物料K值見(jiàn)表5-1
Ψ 填充系數(shù)，見(jiàn)表5-2
C 傾角系數(shù)，見(jiàn)表5-3
表5-1常用物料
物料的粒度
物料的磨琢性
物料的典型例子
特性系數(shù)
K
綜合系數(shù)
A
粉狀
無(wú)磨琢性
半磨琢性
面粉、石墨、石灰、純堿
0.0415
75
粉狀
磨琢性
干爐粉、水泥、石膏粉、白粉
0.565
35
粉狀
無(wú)磨琢性
半磨琢性
谷物、鋸木屑、泥煤
0.0490
50
粒狀
磨琢性
造型土、型砂、沙成粒的爐渣
0.0600
30
固體
粘性、易結(jié)塊
含水的糖、淀粉質(zhì)的團(tuán)
0.010
20
表5-2填充系數(shù)
物料特性
易流動(dòng)，磨損很少
少量磨損且為顆粒至小塊狀
磨損性、侵蝕性大
ψ
0.45
0.33
0.15
表5-3傾角系數(shù)
傾斜度
0o
≦5o
≦10o
≦15o
≦20o
C
1.0
0.90
0.80
0.70
0.65
4.2.2確定螺旋轉(zhuǎn)速n
螺旋轉(zhuǎn)速在滿(mǎn)足輸送能力的條件下不宜過(guò)高，以免物料受過(guò)大的切向力而被拋起，以致無(wú)法向前輸送。因此。螺旋軸轉(zhuǎn)速n不能超過(guò)某一極限轉(zhuǎn)速nj
式中 A——物料綜合系數(shù)
根據(jù)要求計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)速n圓整為下列轉(zhuǎn)速：20、30、35、45、60、75、90、120、150、190r/min，并且要用螺旋直徑D和轉(zhuǎn)速n圓整后的數(shù)值，對(duì)填充系數(shù)Ψ進(jìn)行驗(yàn)算。
圓整n=45 r/min，驗(yàn)算Ψ。
4.2.3功率的計(jì)算
螺旋輸送機(jī)所需軸功率
P0=(kw)
式中 Q —輸送量，t/h
—阻力系數(shù)，見(jiàn)表5-4
L—螺旋輸送機(jī)長(zhǎng)度，m
D—螺旋輸送機(jī)直徑，m
H—傾斜布置時(shí)的垂直高度，m
表5-4物料阻力系數(shù)
物料特征
物料的典型例子
物料阻力系數(shù)
ωo
干的，無(wú)磨琢性
糧食、谷物、鋸木屑、煤粉、面粉
1.2
濕的，無(wú)磨琢性
棉子、麥芽、糖塊、石英粉
1.5
半磨琢性
純堿、塊煤、食鹽
2.5
磨琢性
卵石、砂、水泥、焦炭
3.2
強(qiáng)磨琢性或粘性
爐灰、造型土、石灰、硫、砂糖
4.0
P0=(kw)=40*(1.2*15+0)/367
≈2 kw
電動(dòng)機(jī)功率P可按下式計(jì)算：P=KP0/ (kw)
式中 —驅(qū)動(dòng)裝置總效率，一般取=0.85-0.9，這里取=0.88
K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，一般為1.2-1.4 這里取K=1.4
P=1.4*2/0.88≈3.2(kw)
4.2.4電機(jī)的選擇
方案
平動(dòng)
機(jī)型號(hào)
額定功率(kw)
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
電機(jī)質(zhì)量
總傳動(dòng)比
同步
滿(mǎn)載
1
Y132M-4
7.5
1500
1440
81
41.14
2
Y160L-8
7.5
750
720
145
20.57
5 總體尺寸設(shè)計(jì)
5.1LS螺旋輸送機(jī)的外形及尺寸
圖5-1
表5-5 摘自《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》
規(guī)格
h
h1
l
C3
B
F
L0
P
Q
T1
T2
X
Y
d
e
LS100
140
63
2500
100
180
50
1000～ 3000
60
190
120
110
232
170
25
42
LS125
160
75
2500
130
210
50
1000～3000
60
220
130
130
252
170
30
58
LS160
180
90
2500
160
244
50
1000～3000
60
250
150
150
254
176
35
58
LS200
200
112
2500
200
304
50
1000～3000
60
285
180
180
285
182
40
82
LS250
250
140
3000
250
356
50
1000～3500
60
330
210
220
292
188
50
82
LS315
280
180
3000
320
420
100
1000～3500
60
380
250
250
322
190
60
105
LS400
355
224
3000
400
530
100
1000～3500
60
430
300
280
406
212
70
140
LS500
400
280
4000
500
632
100
1500～5000
100
500
360
340
441
218
80
170
LS630
500
355
4000
630
768
150
1500～5000
100
570
430
420
528
240
100
210
LS800
630
450
4000
800
998
150
1500～5000
100
710
530
520
542
260
120
210
LS1000
710
560
4500
1000
1212
200
1500～5500
100
810
640
630
616
272
140
250
LS1250
800
710
4500
1250
1462
200
1500～5500
100
1000
880
760
671
284
170
300
5.1.1長(zhǎng)度與組合
其組合為：頭節(jié)L01=3m選1個(gè)，中間節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)L02=3m選3個(gè)，中間節(jié)的選配節(jié)L02=2m選2個(gè)，尾節(jié)L03=3m選1個(gè)。
5.2附件尺寸
5.2.1進(jìn)料口
見(jiàn)下圖5-2，表5-6
圖5-2
表5-6 摘自《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》
型號(hào)規(guī)格
A × A'
B × B'
C × C'
T1
δ
n
d
質(zhì)量
kg
LS100
100×100
160×160
136×136
120
2
4
10
0.7
LS125
125×125
185×185
161×161
130
2
4
10
0.8
LS160
160×160
220×220
196×196
150
3
8
10
1.1
LS200
200×200
280×280
248×248
180
3
8
10
1.6
LS250
250×250
330×330
298×298
210
3
8
12
2.8
LS315
315×315
395×395
363×363
250
3
8
12
3.4
LS400
400×400
500×500
456×456
300
4
8
12
5.0
LS500
500×500
600×600
558×558
360
4
8
12
8.3
LS630
630×630
730×730
688×688
430
5
16
14
10.2
LS800
800×800
960×960
888×888
530
5
16
14
16.6
LS1000
1000×1000
1160×1160
1090×1090
640
6
20
18
29.9
LS1250
1250×1250
1410×1410
1338×1338
880
6
22
18
53.8
5.2.2出料口
圖5-3
表5-7 摘自《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》
型號(hào)規(guī)格
A × A'
B × B'
C × C'
T2
δ
R
n
d
質(zhì)量
kg
LS100
100×100
160×160
136×136
110
2
59.5
4
10
0.8
LS125
125×125
185×185
161×161
130
2
74.5
4
10
1.0
LS160
160×160
220×220
196×196
150
3
93
8
10
1.3
LS200
200×200
280×280
248×248
180
3
113
8
10
2.2
LS250
250×250
330×330
298×298
220
3
138
8
12
4.5
LS315
315×315
395×395
363×363
250
3
171.5
8
12
6.7
LS400
400×400
500×500
456×456
280
4
216.5
8
12
8.7
LS500
500×500
600×600
558×558
340
4
267.5
8
12
16.6
LS630
630×630
730×730
688×688
420
5
335
16
14
24.4
LS800
800×800
960×960
888×888
520
5
421
16
14
42.4
LS1000
1000×1000
1160×1160
1090×1090
630
6
526
20
18
88.6
LS1250
1250×1250
1410×1410
1338×1338
760
6
651
22
18
120.2
6．用solidworks對(duì)連接軸進(jìn)行有限元分析
有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元，有限元分析是將物體劃分成有限個(gè)單元，這些單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，單元看作是不可變形的剛體，單元之間的力通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞，然后利用能量原理建立各單元矩陣；在輸入材料特性、載荷和約束等邊界條件后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物體變形、應(yīng)力和溫度場(chǎng)等力學(xué)特性的計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，顯示變形后物體的形狀及應(yīng)力分布圖。
Solidworks該軟件采用了有限元素方法 (FEM)。FEM 是一種用于分析工程設(shè)計(jì)的數(shù)字方法。FEM 由于其通用性和適合使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此已被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。FEM 將模型劃分為許多稱(chēng)作單元的簡(jiǎn)單小塊形狀，從而有效地用許多需要同時(shí)解決的小問(wèn)題來(lái)替代一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。
零件的CAD模型 劃分為小塊(單元)的模型
單元共享被稱(chēng)為節(jié)的共同點(diǎn)，將模型劃分為小塊的過(guò)程稱(chēng)為網(wǎng)格化。對(duì)于所有可能的支持情形和載荷情形，每個(gè)單元的行為都是非常清楚的，有限元素方法使用具有不同形狀的單元。單元中任意一點(diǎn)的響應(yīng)都是從單元節(jié)處的響應(yīng)插入的，每個(gè)節(jié)均由許多參數(shù)完整描述，具體取決于所用的分析類(lèi)型和單元。例如，節(jié)的溫度完整描述了節(jié)在熱分析中的響應(yīng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，節(jié)的響應(yīng)通常由三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)操作完整描述，這些就稱(chēng)作自由度 (DOF)，使用 FEM 進(jìn)行分析就稱(chēng)作有限元素分析 (FEA)。
四面單元。紅點(diǎn)代表節(jié)。單元的邊線可以是曲線，也可以是直線
該軟件會(huì)生成控制每個(gè)單元的行為的方程式，其中考慮了每個(gè)單元與其它單元之間的聯(lián)系，這些方程式將響應(yīng)與已知的材料屬性、約束和載荷相關(guān)聯(lián)，接下來(lái)，該程序?qū)⑦@些方程式組織成一大組需同時(shí)求解的代數(shù)方程式，然后求解未知量。例如，在應(yīng)力分析中，解算器找到每個(gè)節(jié)上的位移，然后該程序計(jì)算應(yīng)變，并最終計(jì)算出應(yīng)力。
COSMOSWorks是一個(gè)與 SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，它提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。COSMOSWorks憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得您能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問(wèn)題。COSMOSWorks提供了多種捆綁包，可滿(mǎn)足您的分析需要，它節(jié)省了搜索最佳設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
進(jìn)行分析所需的步驟取決于算例類(lèi)型?？梢詧?zhí)行以下步驟來(lái)完成算例：
1、生成算例并定義其分析類(lèi)型和選項(xiàng)。網(wǎng)格定義了可供使用的單元類(lèi)型。
2、如果需要，請(qǐng)為算例定義參數(shù)。參數(shù)可以是模型尺寸、材料屬性、力值或任何其它輸入。
3、定義材料屬性。如果在 CAD 系統(tǒng)中定義了材料屬性，則不需要執(zhí)行這一步,疲勞算例和優(yōu)化算例使用參考的算例來(lái)獲得材料定義。
4、指定約束和載荷。您可以使用參數(shù)而非數(shù)值。疲勞算例和優(yōu)化算例使用參考的算例來(lái)獲得約束和載荷。掉落測(cè)試算例不允許定義在設(shè)定過(guò)程之外指定的約束和載荷。
5、對(duì)于使用曲面的外殼網(wǎng)格，請(qǐng)使用外殼。
6、對(duì)于橫梁網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)構(gòu)件）算例，請(qǐng)定義橫梁。
7、對(duì)于混合的網(wǎng)格算例，請(qǐng)定義外殼和實(shí)體。
8、定義全局、零部件和局部接觸設(shè)定。您也可以使用查找相觸面組功能查找接觸面。
9、網(wǎng)格化模型，以便將模型劃分為許多稱(chēng)作單元的小塊。疲勞算例和優(yōu)化算例使用參考算例中的網(wǎng)格。
10、如果需要，可以定義多達(dá) 100 個(gè)設(shè)計(jì)情形。
11、運(yùn)行算例或設(shè)計(jì)情形。
12、查看結(jié)果。
下面以頭軸為例來(lái)描述在螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中的有限元分析（靜態(tài)）過(guò)程：
1、 定義算例類(lèi)型為靜態(tài)
2、 定義材料屬性為普通碳鋼
3、 定義約束類(lèi)型為固定，部位如軸承對(duì)它的約束
4、 劃分網(wǎng)格
5、 定義輸入扭矩和反作用扭矩為872.233N?m
6、 單擊運(yùn)行按鈕讓其進(jìn)行分析
分析結(jié)果如下：
圖6-1有限元靜態(tài)分析結(jié)果應(yīng)力圖
圖6-2有限元靜態(tài)分析結(jié)果應(yīng)變圖
為了更加清楚地看到各點(diǎn)應(yīng)力變化情況，我們使用軟件中的探測(cè)功能對(duì)頭軸取點(diǎn)如下圖：
圖6-3對(duì)頭軸取點(diǎn)探測(cè)
其結(jié)果如下：
圖6-4對(duì)頭軸取點(diǎn)探測(cè)結(jié)果
從上圖可以看出，在軸上各點(diǎn)處的應(yīng)力基本一樣，而在螺栓孔處和靠近軸肩處應(yīng)力變得較大，這是應(yīng)力集中的結(jié)果。通過(guò)應(yīng)力圖6-1可知，從軸的有鍵槽端到有螺栓孔端的應(yīng)力基本是呈直線增大趨勢(shì)，有鍵槽端最小，有螺栓孔端最大；通過(guò)應(yīng)變圖6-2可知，從軸的有螺栓孔端到軸中間，應(yīng)變逐漸變小，在軸肩處達(dá)到最大，從軸肩再到有鍵槽端應(yīng)變又逐漸變小。
7 結(jié)論
通過(guò)前期對(duì)畢業(yè)課題的研究與分析，使我對(duì)LS螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、制造等有了新的認(rèn)識(shí)。也通過(guò)理論與實(shí)踐的結(jié)合，親手設(shè)計(jì)了一款螺旋輸送機(jī)。在遵守前人的經(jīng)驗(yàn)理論和保證其基本功能，現(xiàn)有的技術(shù)手段的同時(shí)，本設(shè)計(jì)在局部地方稍做了一定的修改。畢業(yè)設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)書(shū)的要求。
為期三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近尾聲，回顧整個(gè)畢設(shè)過(guò)程，我覺(jué)得受益匪淺。在對(duì)LS400水平螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，理論與實(shí)際相結(jié)合，加深了理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)了理論在實(shí)際上的應(yīng)用。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)以前學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)做進(jìn)一步的系統(tǒng)的復(fù)習(xí)和總結(jié)，比如加深了我對(duì)軸類(lèi)零件的設(shè)計(jì)和軸承、電機(jī)等零部件選用方法的了解，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也是對(duì)自己的工作和學(xué)習(xí)能力的檢驗(yàn)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中自己充分感受到了實(shí)際工作中的艱辛，但與此同時(shí)，也獲益良多，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅使自己鞏固了以前所學(xué)的知識(shí)，也使自己開(kāi)闊了視野，接觸到了更為豐富的理論知識(shí)，也使自己敢于、樂(lè)于與鉆研更高深的知識(shí)，為以后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)中，使我對(duì)自己的能力有了更好的了解。重要是在這次設(shè)計(jì)中，鍛煉了本人的毅力、恒心，進(jìn)一步地端正了自己的學(xué)習(xí)和工作態(tài)度，使我意識(shí)到，只有具有了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和虛心的精神才能在學(xué)術(shù)上更上一層樓。
在設(shè)計(jì)中本人認(rèn)真復(fù)習(xí)了有關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，螺旋輸送機(jī)是自己原先在課堂上從未接觸的，因此向封立耀指導(dǎo)老師詢(xún)問(wèn)和自己查找了許多相關(guān)資料。設(shè)計(jì)過(guò)程中本人曾經(jīng)多次遇到疑難問(wèn)題，但在封老師的認(rèn)真指導(dǎo)和啟發(fā)下，都一一得到了解決，使我能順利地、準(zhǔn)時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需要通過(guò)使用來(lái)對(duì)其設(shè)計(jì)思路、產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)然，作為設(shè)計(jì)者我認(rèn)為在以下幾個(gè)方面有待改進(jìn)：1、LS型螺旋機(jī)現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)尺寸版本較多，應(yīng)進(jìn)一步統(tǒng)一與完善。例如同一機(jī)型除主要性能參數(shù)外，應(yīng)從用戶(hù)使用出發(fā)，對(duì)機(jī)殼、葉片、頭尾軸承型號(hào)及金屬板厚度作出限制和規(guī)范，提高機(jī)組使用壽命；2、通過(guò)一定的措施，取消中間懸掛軸承，以避免中間懸掛軸承處出現(xiàn)的物料堆積現(xiàn)象，從而提高輸送能力；3、應(yīng)根據(jù)輸送不同物料來(lái)配置螺旋葉片材料和相應(yīng)熱處理工藝規(guī)范，克服葉片磨損問(wèn)題，現(xiàn)行LS型螺旋葉片普遍采用的Q235鋼板不能滿(mǎn)足多種輸送材料的要求。由于本人能力限制，設(shè)計(jì)中難免有許多不足之處，希望各位老師同學(xué)予以批評(píng)指正。
8 參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
【1】孫桓等.機(jī)械原理.高等教育出版社，2001
【2】濮良貴等.機(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社，2001
【3】《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》編委會(huì).運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，1999
【4】李啟炎．Solidworks 2003三維設(shè)計(jì)教程．機(jī)械工業(yè)出版社，2003
【5】徐灝等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1995
【6】Shigley J E,Uicher J J.Theory of machines and mechanisms.New York:McGraw-Hill Book Company,1980
9 致謝
致謝
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，從選題，方案論證，到課題的分析以及論文撰寫(xiě)都是在封立耀老師的悉心指導(dǎo)下完成的。封立耀老師常常在百忙之中抽出時(shí)間耐心細(xì)致地指導(dǎo)；對(duì)我遇到的許多問(wèn)題不厭其煩的進(jìn)行講解，和我們?cè)谝黄鸾獯鹞覀兊膯?wèn)題，直至我們弄