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32 砖 瓦 世 界 2008.7 32 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 32 研究与探讨 1 螺旋输送机工作原理 砖瓦生产中的螺旋输送机主要用于原料的输 送和混合， 一般采用实体螺旋叶片、 无吊挂轴承、 等 螺距的单头普通螺旋输送机。其结构如图 1 所示， 它由一根装有螺旋叶片的转轴和料槽组成。转轴通 过轴承安装在料槽两端轴承座上， 转轴一端的轴头 与驱动装置相联。料槽顶面和槽底开有进、 出料口。 其工作原理是 物料从进料口加入， 当转轴转动时， 物料受到螺旋叶片法向推力的作用， 该推力的径向 分力和叶片对物料的摩擦力， 有可能带着物料绕轴 转动， 但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦 力的缘故， 才不与螺旋叶片一起旋转， 而在叶片法 向推力的轴向分力作用下， 沿着料槽轴向移动。 螺旋转输送机在输送物料过程中， 物料的运动 由于受旋转螺旋的影响， 其运动并非是单纯的沿轴 线作直线运动， 而是在一复合运动中沿螺旋轴作一 个空间运动。设螺旋输的螺旋为标准的等螺距等 直径、 螺旋面升角为 α 的单头螺旋。当螺旋面的升 角 α 在展开的状态时， 螺旋线用一条斜直线来表示。 下面以距离螺旋轴线 r 处的物料颗粒 M 作为研究 对象， 进行运动分析 图 2。 旋转螺旋面作用在物料颗粒 M 上的力为 P， 由 于物料与叶片的摩擦关系， P 力的方向与螺旋面的 法线方向偏离了 β 角。β 角的大小由物料对螺旋面 的摩擦角 ρ 及螺旋面的表面粗糙程度决定， 对于一 般热压或用冷轧钢板拉制的螺旋面， 可忽略其表面 粗糙程度对 β 角的影响， 即认为 βρ。P 力可分解 为法向分力 P1， 和径向分力 P2。物料颗粒 M 在 P 力的作用下， 在料槽中进行着一个复合运动， 既沿 轴向移动， 又沿径向旋转， 如图 3 所示， 既有轴向速 度 Vl， 又有圆周速度 V2， 其合速度为 V。 当螺旋体以角速度 ω 绕轴回转时， 距离螺旋叶 片任一半径 r 处的 O 点物料颗粒 M 的运动速度可 由速度三角形求解。叶片上 O 点的线速度 Vo就是 物料颗粒 M 牵连运动的速度， 可用矢量 OA 表示， 方向为沿 O 点回转的切线方向； 物料颗粒 M 相对 于螺旋面的相对滑动速度， 平行于 O 点的螺旋线切 线方向， 可用矢量 AB 表示。若不考虑叶片摩擦， 则 物料颗粒 M 绝对运动的速度 V。应是螺旋面上 O 点的法线方向， 可用矢量 OB 表示。由于物料与叶 片有摩擦， 物料颗粒 M 自 O 点的运动速度 V 的方 向应与法线偏转摩擦角 ρ。对 V 进行分解， 则可得 到物料颗粒自 O 点移动的轴向速度 Vl和圆周速度 V2。其中， Vl就是料槽中物料的轴向输送速度， 而 V2则是对物料输送的阻滞和干扰。 根据物料颗粒 M 运动速度图的分析， 可得到物 料轴向移动的速度为 V1＝ Vcosαρ 螺旋输送机设计参数选择 徐余伟 （武汉理工大学关山校区， 湖北武汉 430074 ） 摘要 介绍了制砖用螺旋输送机的工作机理， 分析了螺旋输送机的主要参数对其使用性能和输送能力的影响， 阐明了 螺旋输送机各设计参数的选择和确定原则及方法。 关键词 螺旋输送机； 工作机理； 参数选择； 设计 1-进料口 2-槽体 3-螺旋轴 4-卸料口 图 1 螺旋输送机结构示意图 4 32 1 33 2008.72008.7 砖 瓦 世 界 33 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 33 研究与探讨 由于 V1Vn/cosρ， VnV0sinα ∴ V1V0sin cos cosαρ 1 而 V0ω r 60 S nS 由于 cosα1/ 2 1/2Sr， tanαS/2πr 所以 1 式又可写成 2 同理可得圆周速度 3 式中， S螺旋螺距 mm； n螺旋转速 r/min； f物料与叶片问的摩擦系数， ftanρ， ρ 为叶片与物料的摩擦角 ； α螺旋面升角 。 由式 2 及式 3， 可得出物料在料槽内轴向移 动速度 V1和圆周速度 V2随半径 r 而变化的曲线图 图4。 由图4可见， V2在半径长度范围内是变化的， 在螺旋轴后随半径的增加而减小， 因此， 物料在螺 旋内的移动过程中要产生相对滑动， V1在半径长度 范围内也变化， 并随半径的增加而增加。可见， 靠近 螺旋轴的物料的 V2比外层的大、 而 V1却比外层的 要小； 反之， 靠近螺旋外侧的物料 V1大、 V2小。这 将使内层物料较容易随螺旋轴转动， 因而产生一个 附加的物料流。螺旋在一定的转数之前， 这种附加 的物料流对物料运动的影响并不显著。但是， 当超 过一定的转数时， 物料就会产生垂直于输送方向的 跳跃的翻滚， 起搅拌而不起轴向的推进作用。这不 仅会降低物料的输送效率， 加速设备构件的磨损， 而且会增大螺旋功率的消耗。因此， 为了避免这种 现象的产生， 螺旋的转数不得超过它的临界转速。 2 螺旋输送机主要设计参数 2.1 输送量 输送量是衡量螺旋输送机能力的一个重要指 标， 一般根据生产需要给定， 但它与其他参数密切 相关。在输送物料时， 螺旋轴径所占据的截面虽然 对输送能力有一定的影响， 但对于整机而言所占比 例不大， 因此， 螺旋输送机的物料输送量可粗略按 下式计算 Q3600F λ V1 ε 式中， Q螺旋输送机输送量 t/h； F料 槽内物料层横截面积 m2， FφD2π/4 ， 其中， φ 为填 充系数， 见表 1， D 为螺旋叶片直径 mm； λ物 料的单位容积质量 t/m3， 它同原料的种类、 湿度、 切 料的长度以及净化方式、 效果等多种因素有关， 其 值查阅相关的手册； ε倾斜输送系数， 考虑到螺 旋输送机倾斜布置时对物料的输送效果的影响， 倾 斜输送系数见表 1。 在实际工作中， 通常不考虑物料轴向阻滞的影 响， 因此物料在料槽内的轴向移动速度 V1≈Sn/60。 ∴ Q47D2S n φ λ ε 4 由上式可以看出， ， 螺旋输送机的物料输送量 与 D、 S、 n、 φ、 λ、 ε 有关， 当物料输送量 Q 确定后， 可 以调整螺旋外径 D、 螺距 S、 螺旋转速 n 和填充系数 φ 四个参数来满足 Q 的要求。 2.2 螺旋轴转速 螺旋轴的转速对输送量有较大的影响。一般 说来， 螺旋轴转速加快， 输送机的生产能力提高， 转 速过小则使输送机的输送量下降。但转速也不宜 过高， 因为当转速超过一定的极限值时， 物料会因 图 2 物料受力分析 图 3 物料运动速度分析 轴线 轴线 34 砖 瓦 世 界 2008.7 34 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 34 研究与探讨 为离心力过大而向外抛， 以致无法输送。所以还需 要对转速 n 进行一定的限定， 不能超过某一极限值。 当位于螺旋外径处的物料颗粒不产生垂直于 输送方向的径向运动时， 则它所受惯性离心力的最 大值与其自身重力之间应有如下关系 mω2maxr ≤ mg 即 2πnmaxr/60 ≤gr 考虑到不同的输送物料的影响 则 πnmaxr/30 ≤ Kmr ∴ 5 式中， K物料的综合系数， 见表 2； g重 力加速度 m/s2； nmax螺旋的最大转速， 即临界 转速 r/min。 令， 则式 5 可转化为常见的经 验公式 6 式中 A物料的综合特性系数， 见表 2。 因此， 螺旋输送机的螺旋转速应根据物料输送 量、 螺旋直径和物料的特性而定， 在满足输送量要 求的前提下， 螺旋转速不宜过高， 更不允许超过它 的临界转速， 即 n ≤ nmax 7 式中， n螺旋的实际转速 r/min。 2.3 螺旋叶片直径 螺旋叶片直径是螺旋输送机的重要参数， 直接 关系到输送机的生产量和结构尺寸。一般根据螺 旋输送机生产能力、 输送物料类型、 结构和布置形 式确定螺旋叶片直径。 将式 6 代入式 4， 并设 SK1D， K1为螺旋螺 距与直径的比例系数， 一般取 K10.8， 则式 4 为 ∴ 令 则 8 式中， K物料综合特性系数。 物料综合特性系数为经验数值。一般说来， 根 据物料性质， 可将物料分成 4 类。第 1 类为流动性 好、 较轻且无磨琢性的物料； 第 2 类为无磨琢性但流 动性较第 1 类差的物料； 第 3 类为粒度尺寸及流动 性同第 2 类接近， 但磨琢性较大的物料； 第 4 类为流 动性差且磨琢强烈的物料。 各种物料的K值见表2。 图 4 螺旋面上速度的变化曲线 表 1 倾斜输送系数 倾斜角度 / 0510152030405060708090 倾斜输送系数 ε10.970.940.92 0.880.820.760.700.640.580.520.46 填充系数 φ0.50.46 0.460.420.400.380.360.350.350.320.320.30 表 2 物料综合特性系数 物料的块度物料的磨琢性举例填充系数 φK 值A 值 粉 状半磨琢性石 灰0.30.40.041575 粉 状磨琢性硫铁矿粉0.250.30.056535 粉 状无磨琢性锯木屑0.250.350.049050 粉 状磨琢性炉渣粒0.250.30.060030 小块状 a60 mm磨琢性硫铁矿石0.1250.20079515 35 2008.72008.7 砖 瓦 世 界 35 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 35 研究与探讨 螺旋叶片的直径通常制成标准系列， D100、 120、 150、 200、 250、 300、 400、 500 和 600mm， 目前发 展到 D1000mm， 最大可达 1250mm。为限制规格 过多过乱， 国际标准化组织在系统研究、 试验的基 础上制订了螺旋输送机标准草案， 规定螺旋直经采 用 R10 基本系列优先数系。根据式 8 计算出来的 D 值应尽量圆整成标准直径 mm。 2.4 螺距 螺距不仅决定着螺旋的升角， 还决定着在一定 填充系数下物料运行的滑移面， 所以螺距的大小直 接影响着物料输送过程。输送量 Q 和直径 D 一定 时， 螺距改变， 物料运动的滑移面随着改变， 这将导 致物料运动速度分布的变化。通常螺距应满足下 列两个条件 即考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及 速度各分量间的适当分布关系两个条件， 来确定最 合理的螺距尺寸。 从图 2 可知， 物料颗粒 M 所受螺旋面在轴向的 作用力 Pt为 PtPcosαβ ≈ Pcosαρ 为使 Pt0， 必须满足 απ/2-ρ， 因为在 rmind/2 处的 α 最大 d 为螺旋轴直径 ， Pt最小， 所以许用螺 距可由下式求得 Smax≤ πdtanπ/2-ρ 或 Smax≤ πd/f 若令 k1d/D， 则 Smax≤ πk1D/f 式中， f物料与叶片间的摩擦系数； k1螺 旋轴直径系数， k10.30.6。 另外， 螺距的大小将影响速度各分量的分布。 当螺距增加时， 虽然轴向输送速度增大， 但是会出 现圆周速度不恰当的分布情况； 相反， 当螺距较小 时， 速度各分量的分布情况较好， 但是轴向输送速 度却较小。在确定最大的许用螺距时， 必须满足的 第二个条件是建立在使物料颗粒具有最合理的速 度各分量间的关系的基础上， 即应使物料颗粒具有 尽可能大的轴向输送速度， 同时又使螺旋面上各点 的轴向输送速度大于圆周速度。即 V2≤ V1， 由此 可得 9 整理得 S ≤ 2rtan π/4-ρ， 因此在 2rD 处 在 螺旋外径处 ， 故可将上式写成 S max≤ 2πDtanπ/4-ρ 所以螺距 S 应满足以下两个条件 10 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 续运输机设计手册。 通常可按下式计算螺距 SK1D 11 对于标准的输送机， 通常螺距为 K10.81.0； 当 倾斜布置或输送物料流动性较差时 K1≤ 0.8 ； 当水 平布置时， K1 0.81.0。 2.5 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。 根据物料的运动分析， 要保证物料在料槽中的 轴向移动， 螺旋轴径处的轴向速度 V1要大于 0， 即 螺旋内升角 α2V2， 由式 9 整理可得 S f f d⋅ − ≥1 1 13 根 据 式 9 计 算， 当 f 取 0.3， S0.81D 时， d ≥ 0.470.59D； 当 f 值增加时， d/D 值还要增加。 也就是说， 根据式 13 计算得出的轴径相当大， 这 势必降低有效输送截面。为保证足够有效的输送 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， 成本增加。所以， 螺旋轴径与螺 距的关系应是输送功能与结构的关系， 在满足输送 要求的前提下尽可能使结构紧凑。由于螺旋输送 机的填充系数较低， 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 36 砖 瓦 世 界 2008.7 36 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 36 研究与探讨 可。 一般轴径计算公式为 d0.20.35D 14 2.6 填充系数 物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能 量的消耗有很大影响。当填充系数较小时， 物料堆 积高度较低， 大部分物料靠近螺旋外侧， 因而具有 较高的轴向速度和较低的圆周速度， 物料在输送方 向上的运动要比圆周方向显著得多， 运动的滑移面 几乎平行于输送方向， 这时垂直于输送方向的附加 物料流减弱， 能量消耗降低； 相反， 当填充系数较高 时， 物料运动的滑移面很陡， 其在圆周方向的运动 将比输送方向的运动强， 这将导致输送速度的降低 和附加能量的消耗。因而， 填充系数适当取小值较 有利， 一般取 φ50。此外， 倾斜角度的大小对填 充系数也有一定的影响。各种物料的填充系数 φ 值可参考表 1。 2.7 倾斜角度 螺旋输送机的倾斜角度对于螺旋输送机输送 过程的生产率和功率消耗都有影响， 一般它是以一 个影响系数的形式来体现的， 倾斜输送系数见表 1。 螺旋输送机输送能力将随着倾斜角度的增加而迅 速降低， 同时， 螺旋输送机布置时倾斜角度也将影 响物料的输送效果。另外倾斜角度的大小还会影响 填充系数， 其对填充系数的影响如表 1。倾斜角度 越大， 允许的填充系数越小， 螺旋输送机的输送能 力越低。因此， 在满足使用条件的前提下， 螺旋输 送机尽量避免倾斜布置， 最好采用水平布置； 若工 艺需要采用用倾斜布置， 为了提高输送效率， 倾斜 角度也不宜太大， 一般倾斜角度 γ1020。若一级 不能满足要求， 可采用多级倾斜布置， 以减少损耗。 2.8 传动功率 螺旋输送机的驱动功率， 是用于克服物料输送 过程中的各种阻力消耗的能量， 主要包括以下几个 部分 1 使被运物料提升高度 H 水平或倾斜 所 需的能量； 2 被运物料对料槽壁和螺旋面的摩擦引 起的能量消耗； 3 物料内部颗粒间的相互摩擦引起 的能量消耗； 4 物料沿料槽运动造成在止推轴承处 摩擦引起的能量消耗； 5 中间轴承和末端轴承处摩 擦引起的能量消耗。从另外的角度， 也可以这样分 物料与料槽间摩擦消耗的功率； 物料与螺旋叶片间 摩擦消耗的功率； 轴承处摩擦消耗的功率； 提升物 料及物料颗粒间相互运动消耗的功率。 这样， 螺旋输送机的电动机驱动功率， 就由机 构运动过程中所产生的阻力来决定。阻力主要由 以下几个部分组成 1物料与料槽之间的摩擦阻力； 2 物料对螺旋的摩擦阻力； 3 物料倾斜向上输送 时的阻力； 4 物料悬挂轴承下的堆积阻力； 5 物料 被搅拌所产生的阻力； 6 轴承的摩擦阻力。在计算 功率的时候， 为简便起见， 可以总结螺旋输送机功 率为以下几个主要部分。即总的轴功率 P 应包括 物料运行需要功率 P1， 空载运转所需功率 P2， 以及 由于倾斜引起的附加功率 P3三个部分， 并且 P1QLμ/367； P2DL/20； P3QHsinβ/367； ∴ PP1P2P3QLμ/367DL/20QHsinβ/367 15 式中， P 螺旋输送机的驱动功率 kW； Q输送量 t/h； L输送距离 m； H倾斜 高度 m； D螺旋外径 m； μ物料运行阻力 系数。 电动机驱动功率为 P N 16 式中， ξ表示功率储备系数， 一般取为 1.21.4 ； η电动机传动效率， η ≤ 0.9， 一般为了 方便取 0. 9 计算。 对于连续运行系统中的螺旋输送机， 由于整个 系统连续作业， 且自动化程度很高， 任何一个部位 发生故障都会影响整个系统的正常运转。因此， 这 种场合使用的输送机应有较大的功率储备。 3 结束语 螺旋输送机是一种连续的物料输送机械， 由于 连续运输机在工作原理、 结构特点、 输送物料的方 法和方向以及其他一系列特性上各有不同， 因此种 类繁多。在螺旋输送机设计中， 主要是根据输送物 料性质、 输送量、 输送距离、 输送倾角、 螺旋转速确 定螺旋输送机的生产率和功率。设计参数主要有 两类， 一类为设计常量， 它是根据客观规律， 具体条 件所确定的已知数据或者是预先给定的参数。另 一类为设计变量， 它是设计中可变化的需要确定的 结构参数。由于制砖原料多种多样， 而且原料的特 性随原料的种类、 产地、 湿度以及备料净化方式及 效果等各种因素的不同而改变， 因此， 在确定螺旋 输送机的主要参数时， 要从其输送机理、 物料的特 性等方面入手， 尽可能进行多种试验， 取得一些设 计参数， 才能设计出符合物料特性的螺旋输送机。 37 2008.72008.7 砖 瓦 世 界 37 科技纵横 S C I E N C E T E C H N O L O G Y 37 研究与探讨 螺旋输送机对于减轻繁重的体力劳动， 提高劳 动生产率， 实现物料输送过程的机械化和自动化， 都具有重要的现实意义。未来螺旋输送机发展方向 和趋势是 1 大运量、 高速度、 使用寿命长； 2 低能 源消耗及降低能量消耗； 3 智能化发展； 4 空间可 弯曲输送； 5 组合复合化输送， 向着大型化发展； 6 扩大使用范围； 7 环保意识设计， 减少污染， 实现绿 1 前言 我国是一个多地震的国家， 地震灾害直接造成 大量房屋倒塌。从地震灾害的统计数据中看， 倒塌 的房屋中大多数是缺少抗震加固措施的普通民宅。 受经济、 技术条件制约， 目前许多农村地区的建筑 物很难达到基本抗震设防要求， 因此找到一种既经 济又有实用价值的建筑抗震设计、 施工方案， 对改 善农居建筑物的抗震水平非常重要。本文在此提 出的建筑新方案， 就是为解决这一问题提供参考建 议。该方案的主要特征是应用一种新结构的空心 砌块砖， 并结合相应的实施工艺在墙体中布设上下 贯通的拉丝， 通过拉丝的紧固作用能较大程度地提 高建筑物的整体性强度， 从而实现改善民用建筑物 的抗震性能， 达到防震减灾的目的。 2 新结构砌块砖的形状及特征 本文提及的新结构砌块砖是由外墙砖、 内墙砖 和墙角砖构成的一套组合砖， 其中的墙角砖又有顺 时针向和逆时针向之分。 2.1 外墙砖 其长、 宽、 高为 450mm270mm240mm， 该砖 的外部形状、 内腔结构都与现行的长方体砌块空心 砖有较大的差别 （见图 1 ） 。具体特征 ①砌块砖的 前端有长 6cm、 宽 2cm 的凸沿， 后端有长 6.2cm、 宽 2.2cm 的凹槽。砖体在垒放时要求方向一致， 凸沿 要对齐凹槽。通过凸沿对凹槽的镶嵌咬合保持砖 体间横向的稳定。 ②砌块砖左右两侧各有高 1.5cm、 宽 5cm 的凸 起边沿， 与此形成对应的是左右两侧的底端也分别 呈现出凹口边沿。上下层砖体通过上凸沿和下凹 口的相互嵌紧对合作用， 可以将上下层砖块卡紧。 ③砌块砖的内部结构是三个横向的空腔体， 其 中中间的空腔体仅有1cm宽， 两侧的空腔结构较宽， 为 5.0cm， 空腔体如此设计是为了在施工中让拉丝 穿过中间腔体， 固定在墙体中。 砖块这样设计的目的是保证每个砌块砖之间 左右、 上下都能啮合， 再加上垂直向拉丝的作用， 可 以实现各墙体间整体性固结， 同时在墙体内侧空腔 体中填充保温材料有利于墙体的密封保温。 用新结构砌块砖建抗震民宅 范雷彪 （包头市地震局） 色设计的目标。 参考文献 [1] 朱斌昕 . 粮食装卸输送机械 [M]. 北京 中国财政经济出版 ,1984. 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