關于大傾角螺旋輸送機設計參數的探討

張 闖，賈宏禹，王 波，萬 強，張自然 （長江大學機械工程學院，湖北荊州434023）

螺旋輸送機是一種常用的不具有撓性牽引構件的連續輸送機械，主要用于輸送各種粉狀、顆粒狀和小塊物料，在某些生產作業過程中還能實現混合攪拌等工藝的處理，因其具有結構簡單、密封性能好、操作安全方便及成本低等優點，已廣泛應用于采礦、化工、建材、冶金、機械制造、輕紡織、糧食等行業，是工業生產和物料運輸方面比較重要的機器設備。螺旋輸送機的廣泛使用對于提高勞動生產效率，提高機器生產自動化能力都有重大現實意義［1］。

根據輸送物料的位移方向和角度，螺旋輸送機分為水平螺旋輸送機、垂直螺旋輸送機和大傾角螺旋輸送機3種，其中水平和垂直螺旋輸送機的使用最為廣泛，其設計制造和性能參數的相關研究也比較成熟。但是在實際生產中，由于受到生產場地、物料類型等的限制，經常需要設計為大傾角螺旋輸送機（角度大于20°）。由于大傾角條件下的螺旋輸送機的原理不同于水平和垂直螺旋輸送機，而且目前相關研究較少，理論也不夠完善，為此，本研究在目前螺旋輸送機的設計基礎上對大傾角螺旋輸送機的主要設計參數進行了探討，并指出其中存在的問題。

1 設計參數的選取方法

1.1 螺旋直徑的計算

螺旋直徑是螺旋輸送機的重要參數，它與螺旋輸送機的外形尺寸及結構選型緊密相關。它的選擇正確與否，直接關系到螺旋輸送機的性能。螺旋直徑可按照下式［2］計算：

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

表1 傾角系數表

按照式 （1）計算得出的D 應圓整為下列標準值：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及物料類型由生產要求給定。根據螺旋輸送機標準，螺距應根據對應螺旋直徑成組選擇。

如果輸送物料的粒度較大時，螺旋直徑還應與輸送物料的粒度維持如下關系：

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速，以便延長其壽命。

1.2 螺旋軸轉速的計算

螺旋軸的轉速也是螺旋輸送機的重要參數。通常情況下，螺旋軸的轉速越高，輸送能力越大，但是實際并非如此，如果螺旋軸轉速過高，則物料就會因為離心力過大而向外拋，使物料隨著螺旋葉片旋轉，以至于無法輸送物料，而且會浪費大量的能源，因而需要合理地選擇螺旋軸轉速。因此，螺旋軸轉速不能超過極限值nj，并且轉速應在限定的范圍內盡量較大。

式中，A為物料綜合系數，取值見表2。其中A值與K值對應，計算時應成組選用。根據螺旋輸送機標準，按照式 （4）計算的轉速n應圓整為下列轉速值：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及轉速n數值后，還必須對填充系數ψ進行驗算。

式中，t為螺距 （對應螺旋直徑成組選擇），m。

如果按照式 （5）計算出的ψ值在表2給定的范圍內，則圓整值D及n是適當的；如果高于表2的上限，則應選擇大一級的螺旋直徑；如果ψ值小于表2的下限，則應降低一級螺旋軸轉速。

1.3 功率計算

大傾角螺旋輸送機的功率和物料的提升高度、質量、傾斜角度等因素有關，因此螺旋輸送機的驅動功率是物料運行時所需的功率、空載時的功率與傾斜功率之和［4］。所以在相同輸送量的情況下，大傾角螺旋輸送機一般是水平螺旋輸送機的輸送功率1.8～3倍［5］。

螺旋輸送機所需軸功率可用下式計算：

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

電動機功率：

式中，η為驅動裝置總效率，一般取0.85～0.9。

表3 物料參數

1.4 螺旋輸送機的輸送能力驗算

螺旋輸送機的輸送能力Q可按照下式進行驗算：

式中，Q為物料流量，t／h；D為螺旋直徑，m；n為螺旋軸轉速，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 （表2）；C為輸送機傾角系數 （表1）。

將式 （1）、 （4）的計算結果代入到式 （8）算出螺旋輸送機的輸送能力Q，再與實際生產要求的輸送量Q0進行驗算，當Q≥Q0時即設計參數滿足設計要求，否則不滿足要求，須重新計算直至滿足為止。

圖1 螺旋輸送機布置簡圖

2 存在的不足

在現有的計算理論下，大傾角螺旋輸送機是按照水平螺旋輸送機的計算公式配合相關系數來計算的，而二者的輸送原理卻不盡相同，勢必會造成較大誤差。主要表現在以下幾個方面：

（1）由于表1中的傾角系數只是作為粉狀物料輸送的參考數據，對于其他特性物料還沒有較權威的數據可參考，通常情況下是根據經驗選取，所以理論設計與實踐有較大誤差。因此，有必要對傾角系數表進行完善。

（2）隨著傾斜角度的變大，物料的填充系數會減小，因此螺旋輸送機的輸送能力減小，進而輸送效率降低，而現有理論計算公式中，對不同傾角下的填充系數尚沒有權威的數據可供參考。實踐中，往往是根據經驗對填充系數進行選取，這也是造成實際與理論有較大誤差的一個重要原因。

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

3 結語

大傾角螺旋輸送機的使用越來越廣泛，其理論上的不足亟待完善，本研究僅對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輸送物料的多樣性及工作條件的復雜性，在設計相關參數時，要從物料的特性、輸送原理等方面入手，并且還要對同一型號的螺旋輸送機盡可能多地進行試驗，這樣才能在現有設計理論下，設計出較符合實際要求的大傾角螺旋輸送機。

［1］徐余偉.螺旋輸送機設計參數的選擇和確定 ［J］.面粉通訊，2008，（3），21－24；

［2］《運輸機械設計選用手冊》編輯委員會.運輸機械設計選用手冊 ［M］.北京：化學工業出版社，1998：492－554；

［3］任 進.門莊妍.大傾角螺旋輸送機設計與參數的選擇 ［J］.內蒙古公路與運輸，1995，（2）：37－39；

［4］中華人民共和國機械工業部.螺旋輸送機標準JB／T 7679－95［S］.

［5］張 鵬，韓純玉，張 鎮.大傾角螺旋輸送機的設計制造 ［J］.中國科技信息，2011，（22）：115－118.