冶煉粉塵螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

韓 芩

(武漢晴川學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430204)

螺旋輸送物料是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種輸送形式，在冶金、化工、煤炭、紡織及糧食行業(yè)都普遍采用。其主要設(shè)備為螺旋輸送機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小巧，密封性能好，方便進(jìn)、出料等特點(diǎn)，可以輸送各種粒狀、塊狀和粉塵等多種形狀的物料［1，2］。螺旋輸送機(jī)主要由電機(jī)、減速器、主軸、螺旋葉片、攪拌箱等部件組成。冶煉粉塵是冶煉過(guò)程中，產(chǎn)生的廢塵，具有粒度小，有粘性等特點(diǎn)。隨著環(huán)保意識(shí)的提高，需要對(duì)其進(jìn)行回收再利用，因此，在冶煉企業(yè)中，需要處理能力大、穩(wěn)定性好的螺旋輸送機(jī)。

在本文中，以某冶煉廠的需求出發(fā)，以螺旋輸送原理為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述了螺栓輸送機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式，并根據(jù)這些計(jì)算公式得出的符合該冶煉廠需求的螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立主軸、螺旋葉片裝配的三維模型，通過(guò)ANSYS Workbench 有限元分析軟件，對(duì)螺旋主軸的強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到了其應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)要求

某冶煉企業(yè)產(chǎn)生的粉塵，是通過(guò)冶煉爐煉出液態(tài)金屬后，附加產(chǎn)生的含大量粉塵的有害氣體，經(jīng)過(guò)特殊處理過(guò)后，冶煉粉塵儲(chǔ)存在一個(gè)密閉容器里，定時(shí)定期通過(guò)螺旋輸送機(jī)將粉塵水平輸送到固定位置，并在螺旋輸送機(jī)內(nèi)部設(shè)置噴水裝置，防止揚(yáng)塵污染環(huán)境。冶煉工藝過(guò)程對(duì)螺旋輸送機(jī)的處理能力要求，見(jiàn)表1。

表1 性能參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

從表1 看出，對(duì)螺旋輸送機(jī)處理量、處理時(shí)間和輸送距離提出了明確要求。初步對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)、出料口間距為3.5 m，主軸兩端采用軸承座支撐，螺旋葉片左旋。螺旋輸送機(jī)主要由電機(jī)、減速器、主軸、螺旋葉片、攪拌箱等部件組成，其除電機(jī)和減速器以外的部門(mén)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 螺旋輸送機(jī)

主軸是采用厚壁鋼管，與螺旋葉片焊接，兩邊是實(shí)心軸頭，靠軸承座支撐著主軸的載荷。螺旋葉片按設(shè)定的螺距連續(xù)焊接在主軸上，螺旋方向根據(jù)物料前進(jìn)的方向來(lái)確定，選取左旋。攪拌箱是設(shè)備的包容部件，使物料在輸送過(guò)程中不易溢出，起著密封的作用。

螺旋葉片是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，對(duì)于輸送能力起著重要作用。一般根據(jù)在主軸上焊接的形式，分為滿面式、帶式、月牙式和鋸齒式。滿面式主要輸送不含水分的粒料、粉料等物料；帶式主要應(yīng)用于粒度較大和稍帶粘性的物料；月牙式是將月牙形狀的葉片，按照輸送方向，一片一片的用螺釘?shù)染嚯x的固定在主軸上，在主軸上形成螺旋狀，其能方便的根據(jù)物料的運(yùn)行速度和方向，改變螺旋角度，主要應(yīng)用于有一定濕度的、有成形要求的物料輸送場(chǎng)合；而鋸齒式是在滿面基礎(chǔ)上，將螺旋葉片做出鋸齒，軸向上看，整個(gè)螺旋葉片就像一個(gè)齒輪，該類型適用于輸送粘性大和腐蝕性強(qiáng)的物料，具有攪動(dòng)和松散作用。由于冶煉粉塵具有粘性、很強(qiáng)的腐蝕的特點(diǎn)，因此，螺旋葉片采用鋸齒式來(lái)設(shè)計(jì)制造，其截面形狀見(jiàn)圖2。

圖2 螺旋葉片截面

物料從攪拌箱上部進(jìn)口處進(jìn)入螺旋輸送狀態(tài)，經(jīng)過(guò)定距離的輸送，物料從出口處下落到指定的位置。在整個(gè)過(guò)程中，可以根據(jù)需要在攪拌槽內(nèi)增設(shè)噴水裝置，外部增設(shè)保溫設(shè)施等等。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋輸送機(jī)的每個(gè)參數(shù)都是需要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定的，上面已經(jīng)給出了需求和結(jié)構(gòu)形式，接下來(lái)主要就是確定相關(guān)參數(shù)。需要確定的相關(guān)參數(shù)主要有螺旋葉片直徑、物料輸送速度、螺距等。

3.1 物料輸送速度

在輸送過(guò)程中，物料既有沿軸向直線運(yùn)動(dòng)，又繞軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［3，4］，其速度分解圖，見(jiàn)圖 3。

圖3 速度分解圖

理想輸送速度：

其中，n 為主軸轉(zhuǎn)速，rpm；P 為螺旋葉片的螺距，m。

垂直于螺旋葉片的速度：

其中，α 為螺旋升角。

實(shí)際工作中，螺旋葉片在旋轉(zhuǎn)中推動(dòng)物料，物料與螺旋葉片之間是有摩擦的，其影響輸送速度。因此考慮摩擦因素后，物料受到螺旋葉片的推動(dòng)速度為：

則實(shí)際上，物料的軸向速度，即輸送速度為：

將式(3)代入式(4)，得

其中，f 為物料與螺旋葉片之間的摩擦系數(shù)。

3.2 輸送量

衡量螺旋輸送機(jī)輸送能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是輸送量，此參數(shù)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求來(lái)給定的。上面已經(jīng)給出，30 min 內(nèi)處理完80 t 的粉塵量，則輸送量Q = 80/0.5 = 160 t/h。

一般螺旋輸送機(jī)的輸送量可以按下式計(jì)算［5］：

其中，Q 為螺旋輸送機(jī)輸送量，t/h；S 為物料輸送過(guò)程中的橫截面積，m3；ρ 為物料密度，t/m3；υf為物料軸向速度，m/s。

φ 為物料填充系數(shù)；D 為螺旋葉片直徑；d 為主軸直徑。

因此，將式(5)、(6)代入式(7)，得：

由上式可以看出，輸送量與多個(gè)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)輸送量Q 一定后，可以通過(guò)調(diào)整螺旋葉片D、螺距P、轉(zhuǎn)速n、填充系數(shù)φ 來(lái)達(dá)到輸送量Q 的要求。

3.3 螺旋葉片直徑

螺旋葉片直徑是螺旋輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，一般是根據(jù)生產(chǎn)需要輸送量、物料種類、結(jié)構(gòu)布置等方面來(lái)確定，也可以由式(7)來(lái)確定。

隨著螺旋輸送機(jī)的大量應(yīng)用，對(duì)于螺旋葉片直徑也逐漸系列化，D = 100，120，150，200，250，300，400，500 和600 mm，目前發(fā)展到D = 1000 mm，最大可達(dá)1 250 mm。根據(jù)以往冶煉粉塵螺旋輸送機(jī)的使用情況，結(jié)合系列化的參數(shù)，選取螺旋清灰機(jī)600 mm。

3.4 螺距

螺距決定著螺旋葉片的升角和物料在輸送過(guò)程中的滑移面，直接影響著物料輸送進(jìn)程。

當(dāng)輸送量Q 和螺旋葉片直徑D 一定時(shí)，螺距改變，物料運(yùn)動(dòng)的滑移面就會(huì)隨著改變。

通常可按下式計(jì)算螺距：P = k1D，對(duì)水平輸送的標(biāo)準(zhǔn)螺旋輸送機(jī)，一般k1= 0.8～1.0；對(duì)于流動(dòng)性較差的物料系數(shù)可以取值k1≤0.8。冶煉粉塵灰具有粘性，流動(dòng)性不強(qiáng)，因此，選k1= 0.7，則螺距為420 mm。

3.5 主軸直徑

主軸直徑的大小與螺距、強(qiáng)度等因素有關(guān)。一般主軸直徑 d 的計(jì)算公式為：d =(0.2～0.35)D。考慮冶煉粉塵的特性主軸軸肩和鍵槽的設(shè)計(jì)，滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求，最終確定主軸選取外徑為195 mm，壁厚25 mm 的圓鋼。

4 強(qiáng)度分析

4.1 有限元模型的建立

采用設(shè)計(jì)功能軟件SolidEdge 對(duì)螺旋輸送機(jī)中的主軸和螺旋葉片的裝配體進(jìn)行實(shí)體建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbench 有限元分析軟件。主軸與螺旋葉片連接處的焊縫，采用打坡口連續(xù)焊接，只要保證焊接質(zhì)量的可靠性，該部位是不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此，在建立有限元模型時(shí)，忽略焊縫對(duì)螺旋輸送器強(qiáng)度和剛度的影響作用，在模型中不予考慮［6］。主軸兩端的主軸頭材質(zhì)采用Q235，其他部位都采用Q345，密度7 850 kg/m3。其有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 有限元模型

4.2 邊界條件加載

主軸和螺旋葉片裝配體受到的載荷主要有自重、物料下落作用力、電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的扭矩以及物料在傳輸過(guò)程中的作用力。有限元模型采用單元類型solid45，豎直方向施加重力加速度，該裝配體施加的重力載荷為1 053 kg。物料下落高度2.6 m 才進(jìn)入螺旋葉片空間，這個(gè)過(guò)程會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生沖擊力7 725 N。電機(jī)功率選取的是55 kW，傳動(dòng)比31，主軸轉(zhuǎn)速47 r/min，因此扭矩為11030.25 N·m。傳輸過(guò)程中，物料會(huì)對(duì)主軸和螺旋葉片產(chǎn)生作用力，物料密度2 000 kg/m3，填充率按最不利的情況考慮，即物料全部填滿整個(gè)腔體，均勻分布在軸向上。

主軸是靠?jī)啥溯S承座支撐，因此，在有限元模型中，軸承座支撐位置采用Cylindrical Support 約束。

4.3 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)有限元分析軟件模擬后，得到主軸和螺旋葉片裝配體的應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖5(a)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在主軸支撐部位，最大應(yīng)力為76.5 MPa。根據(jù)材料屬性，此應(yīng)力是符合設(shè)計(jì)要求的。螺旋葉片在輸送物料過(guò)程中，近似一個(gè)懸臂鋼板，根部與主軸焊接處會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，其應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5(b)。螺旋葉片根部應(yīng)力約為25.5 MPa，頂部應(yīng)力值偏小，整改螺旋葉片設(shè)計(jì)厚度為20 mm，是符合生產(chǎn)要求，并有優(yōu)化空間。

圖5 應(yīng)力分布圖

應(yīng)變最大值為2.7 mm，發(fā)生在主軸中間部位，此處的螺旋葉片變形也是最大的，見(jiàn)圖6。由于主軸跨度有4 m 之多，因此，該工況下產(chǎn)生的擾度，還是在合理范圍。

圖6 繞度分布圖

從上面有限元模擬分析結(jié)果看，依據(jù)螺旋輸送理論，設(shè)計(jì)出來(lái)的主軸和螺旋葉片是能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的。同時(shí)，主軸的截面尺寸，螺旋葉片的厚度等都具有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

5 小結(jié)

以螺旋輸送理論的為基礎(chǔ)，根據(jù)某冶煉企業(yè)實(shí)際需求為要求，得出了螺旋輸送關(guān)鍵部件主軸和螺旋葉片的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)建立了主軸和螺旋葉片裝配體的有限元模型，模擬了在實(shí)際工況下，裝配體的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)的合理性，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。