无级变速螺旋给料器的设计

无级变速螺旋给料器的设计
摘要：螺旋给料器是一种常用的没有挠性牵引构件的连续输送机械，是现代化生产不可缺少的重要机械设备之一。

广泛应用于各行业，如建材、化工、电力、冶金、煤炭、粮食等行业。

适用于水平和倾斜输送粉状、粒状和小块状物料。

不适用于输送易变质的、粘性大的、易结块的物料。

螺旋给料器由料槽、螺旋体、轴承及驱动装置组成。

螺旋体由两端轴承和中间悬挂轴承支承，由驱动装置驱动。

无级变速是指通过改变交流电频率来调节电机的转速，从而改变速度的快慢。

而在调速的过程中，具有冲击小、平缓的进行换速，是一种理想的高效率、搞性能的调速手段。

能够满足工程生产中的要求，还能够减轻工人的劳动强度，提高生产率，实现物料输送过程的机械化和自动化。

此次设计使用优化思想和方法，通过对给料器完整的设计计算使得输送量和效率得到较合理的匹配，输送性能和传输能力的主要参数分析和使用与改善在生产上的实用合理性。

课题对螺旋给料器的设计研究的方法、理论分析结合起来，对整机进行全面的性能、参数的影响深入研究。

根据选型要求，设计参数选择的原则和方法鉴定确定该机为LS型螺旋给料器。

优化螺旋叶片，结合实际完成的工作目标经过计算后采用右旋弯曲母线螺旋面满面式叶片，确定最合理的填充系数即进料量、螺距大小等。

采用变频调速器或调速电机，使螺旋给料器应用中提高劳动生产率、改善质量、提高设备自动化程度等。

关键词：无极变速螺旋给料器变频器
Design of continuously variable speed screw feeder
Abstract:Screw feeder is a common continuous conveyor that has not flexible traction, it is one of the important and indispensable manchinery and equipment .Widely used in warious industries, such as building materials, chemicals, power, metallurgy, coal, grain etc. Apply to horizontal and inclined conveying powder, granular and small bulk materials. Does not apply to transport perishable, viscous, easy caking materials. Screw feeder make up of trough, spirocheres, bearings and drive components. Spirochete is supported of both ends of bearings and the middle suspension of bearings, divern by the dive. Continuously Variable Transmission is adjusted motor speed by changing the frequency of AC, thus changing the speed. In the speed of the process, with the impact of small, gentle to exchange rate, it is an ideal high-efficiency and high-performance speed control means. It can meet the engineering requirements of the production and can also ruduce workers labor intensity, improve productivity, to achieve material handling process mechanization and automation.
The design uses ideas and methods of optimization, through the feeder allows the complete design and calculation of transmission capacity and efficiency of a more reasonable match, transmission performance and transmission capacity of the main parameters of the analysis and use in the production and improvement of practical rationality. Subject to the design research methods of screw conveyor, theoretical analysis combined the performance of the machine to conduct a comprehensive, parameters of in-depth study. According to model selection, design parameters to determine the principles and methods of identification of aircraft for the LS-type screw conveyor. Optimization of spiral blades, combined with the actual completion of work objectives through the calculated use of R-bend helical sounded style blade, to determine the most reasonable fill factor that is feeding quantity, pitch size. With frequency converter or motor, so screw conveyor applications to improve productivity, improve quality, increase the degree of automation equipment.
Keyword: Infinitely variable Spiral Feeder Inverter
目录
1. 引言 (1)
2. 螺旋给料器概述
2.1 螺旋给料器的基本结构 (2)
2.2 螺旋给料器的类型 (3)
2.2.1 水平螺旋给料器 (3)
2.2.2 倾斜螺旋给料器 (3)
2.2.3 垂直螺旋给料器 (4)
2.3 螺旋给料器的特点 (4)
2.4 螺旋给料器的研究现状 (4)
2.5 螺旋给料器的发展趋势 (5)
3. 螺旋给料器工作原理及主要构件的设计和选用
3.1 水平螺旋给料器的工作原理 (6)
3.2. 螺旋体 (7)
3.2.1 螺旋叶片 (7)
3.2.2 螺旋轴 (11)
3.2.3 轴承 (12)
3.2.4 机槽 (13)
3.2.5 驱动装置 (17)
4. 水平给料器工作过程分析
4.1 物料的运动分析和叶片的设计 (19)
5. 总体设计计算
5.1 被输送物料的名称及特性 (27)
5.2 选型要求 (27)
5.3 螺旋给料器的设计计算 (27)
5.3.1 确定螺旋直径 D (30)
5.3.2 确定螺旋转速 n (30)
6. 总体尺寸设计
6.1 LS 螺旋给料器的外形及尺寸 (31)
6.2 附件尺寸 (31)
6.2.1 进出料口 (31)
7. 无级变速器
7.1 变频调速器 (33)
7.1.1 变频调速器的基本原则 (34)
7.1.2 变频调速器的工作原理 (35)
7.2 变频调速器的选型 (37)
7.2.1 变频调速器的选用原则 (37)
7.3 变频调速器的特点 (41)
7.3.1 变频调速器优点 (41)
7.3.2 变频调速器的缺点 (45)
结论 (47)
参考文献 (48)
致谢 (49)
1. 引言
本次设计课题是无级变速螺旋给料器，刚接触时，脑海中找不到与之相对应的图片、资料，所以，很茫然。

为了能更好的了解这个课题，我查看了一些相关书籍，也在网上找到了一些相关的资料。

但是都只是一般介绍，没有很细的资料。

另外，由于在学校中很少与在实际生产运用中的机器接触，即使通过书籍见过相关描述，也不能很好的了解和描绘那些图片，所以，在这样的情况下，只能摸索着前进。

当然了，通过对书本和网上的资料进行整理，慢慢了解并开始着手设计。

螺旋给料器的构造及其工作原理均与螺旋输送机相似，不同之处主要是螺旋给料器的输送距较短。

所以了解螺旋给料器，可以通过了解螺旋输送机来分析。

螺旋给料器是一种常用的没有挠性牵引构件的连续输送机械，是现代化生产和物流运输不可缺少的重要机械设备之一。

广泛应用于各行业，如建材、化工、电力、冶金、煤矿炭、粮食等行业，适用于水平或倾斜输送粉状、粒状和小块状物料，如煤粉、灰、渣、水泥、粮食等，物料温度小于200℃。

螺旋给料器不适于输送易变质的、粘性大的、易结块的物料。

旋转的螺旋叶片将物料推移而进行螺旋给料器输送，使物料不与螺旋给料器叶片一起旋转。

旋转力是物料自身重力和螺旋给料器机槽内壁对物料的摩擦阻力。

螺旋给料器旋转轴上焊的螺旋叶片，叶片的面型根据输送物料的不同有满面式面型、带式面型、月牙式面型和锯齿式面型等型式。

螺旋给料器的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推轴承以随物料给螺旋的轴向反力，在机长较长时，应加中间吊挂轴承。

螺旋给料器有水平式、倾斜式和垂直式三种。

根据不同的设计要求选择合适的类型。

本次课题设计的要求是螺旋输送机直径为300mm，螺旋输送机长度为2600mm，采用变频调速器或调速电机实现无极调速，电机功率为1.5KW。

根据对资料的分析，确定输送的物料为煤粉，选择的是LS型螺旋输送机。

在这个快速发展的今天，传统的设计方法已经很难满足设计要求，但是若运用优化设计方法，可以减小误差以致满足设计要求。

所以，在传统的方法上，结合优化设计方法和现代常用的各种二维、三维软件，便于设计，使设计简单化。

我国在螺旋给料器这方面和外国的研究发展还存在一定的差距，所以在设计的过程中要使设计方案不但满足工程上的需要，还要减轻工人的劳动强度，提高生产率，最好是能应用在多方面，而不是单一化的机床设计。

基于这样想法，开始了本次课题设计。

2. 螺旋给料器的概述
螺旋给料器是一种常用的没有挠性牵引构件的连续输送机械。

输送机械有很多类型，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。

连续运输机械按照用途分为通用输送机械、专用输送机械和辅助输送设备；按照输送的对象可分为输送散粒物料、输送成件物品和输送人员三类；按照安装形式可分为固定式，移动式和移置式三类；按照输送机的传动特点和结构形式的不同可分为有挠性牵引构件的和无挠性牵引构件的两类;按照连续输送机械输送机理可分为机械式和流体式两类；此外输送机械还可分为辊式、链式、轮式、胶带式、滑板式及悬挂式等多种。

螺旋输送机在我国研制较早，是一种重要而又具有代表性的旋转类型的连续运输机械。

在各种不同类型的连续运输机械中，螺旋输送机是属于没有挠性牵引构件的连续输送机，利用工作构件即螺旋体的旋转运动,使物料向前运送。

螺旋给料器适用于短距离输送物料，应用螺旋给料器可以将物料在一定的输送线路上，从装载地点到卸载地点以恒定的或变化的速度进行输送，还可以形成连续的物流或脉动性的物流，即从最初的供料到最终的卸料之间可以形成一种物料的输送流程。

螺旋给料器可沿水平、倾斜（小于或等于20°）或垂直方向上输送物料，主要分为水平螺旋给料器和垂直螺旋给料器。

这两种机型也是最常用的。

螺旋给料器根据结构分为：单螺旋给料器和双螺旋给料器，前者使用较多。

螺旋给料器的安装方式有固定式和移动式两种，大部分螺旋给料器采用固定式。

其他型式的螺旋给料器有很多种类，例如有螺旋管给料器，可弯曲螺旋给料器，大倾角螺旋给料器，成件物品螺旋给料器，热交换式螺旋给料器，微粉螺旋给料器，新型冷却螺旋给料器，对转螺旋给料器，复式给料器，双向给料器，变螺距给料器，变直径给料器等。

各种型式的螺旋给料器在工程实际中都得到了很广泛的应用。

2.1 螺旋给料器的基本结构
螺旋给料器的基本结构如图2-1所示。

它由料槽、螺旋体、轴承及驱动装置组成。

螺旋体由两端轴承和中间悬挂轴承支承，由驱动装置驱动。

螺旋给料器工作时，物料由进料口进入料槽，在旋转螺旋叶片的推动下，沿着料槽作轴向移动，直至卸料排出。

螺旋给料器的基本机型有水平式螺旋给料器、倾斜式螺旋给料器和垂直式螺旋给料器。

水平式螺旋给料器是最常用的一种型式。

垂直式螺旋给料器用于短距离提升物料，但必须有水平螺旋喂料，以保证必要的进料压力。

此外，还有许多其他型式的兼有工艺过程和特殊作用的螺旋给料器。

图2-1 螺旋给料器基本结构
2.2 螺旋给料器的类型
2.2.1 水平螺旋给料器
水平螺旋给料器多采用“U”形槽体（也可采用圆筒槽体）、较低的螺旋转速及固定安装的结构，见图2-1。

给料器工作时，物料从给料器的进料口加入槽体，被输送到槽体的出料口或在任一希望的中间位置经槽体底部的出料口卸出。

2.2.2 倾斜螺旋给料器
输送倾角≤20o的螺旋给料器，一般与水平螺旋给料器的结构相同。

输送倾角为20o—90o的螺旋输送机，一般采用短螺距螺旋及圆筒壮槽体，螺旋体的转速也需增加，其结构如同垂直螺旋给料器，
2.2.3 垂直螺旋给料器
垂直螺旋给料器可垂直提升一般的散状物料，物料颗粒大小一般≤12mm。

垂直螺旋给料器的槽体为封闭的圆筒，螺旋体的转动可采用底部驱动或顶部驱动。

垂直螺旋给料器的优点是结构简单，所占空间位置小，制造成本底；缺点是输送量小，输送高度一般不超过8m。

2.3 螺旋给料器的特点
（1）螺旋给料器是在化工、建材、冶金、煤矿、粮食等部门中广泛应用的一种输送设备，主要用于输送粉状、粒状和小块状物料。

它不适宜输送易变质的、粘性大的和易结块的物料。

（2）螺旋给料器使用的环境温度为-20～50℃；物料温度小于200℃；给料器的倾角β≤20℃；输送长度一般小于40m，最长不超过70m。

（3）螺旋给料器与其他输送设备相比较，具有结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、可以中间多点装料和卸料、输送方向可逆向、操作安全方便以及制造成本低等优点。

它的缺点是螺旋体特别是螺旋叶片及料槽易磨损，输送量较低，消耗功率大以及物料在运输过程易破碎。

2.4 螺旋给料器的研究现状
螺旋给料器在各个行业都得到了广泛的应用，因此促进了其研究和发展。

螺旋给料器由于其结构简单，操作维护简便，在输送物料场合得到了广泛的应用，但是其输送效率却比较低。

目前，螺旋给料器的设计工作仍主要是使用传统的经验设计方法进行，存在的缺点是效率低，周期长以及难以提高设备性能。

为了攻克这方面缺点，国内对这方面的研究情况也比较多。

螺旋给料器的输送效率高低与螺旋叶片结构尺寸和叶片与物料之间的摩擦系数有关，对输送某种物料而言，其摩擦系数为一定值，那么主要的就是螺旋叶片结构尺寸对输送效率高低的影响。

如何使得螺旋输送机获得最佳的输送效率，就有必要对螺旋叶片结构尺寸进行优化。

对螺旋给料器存在的输送功率问题，许多专家学者做过很多这方面的研究工作。

一般来讲，按照通用计算公式算出的螺旋输送机螺旋轴功率往往小于实际的需要值，对于这个实际的问题，武汉食品工业学院的庞美荣和王春维根据调查和实例，对螺旋
轴进行了理论分析，提出了推荐计算公式，并将推荐计算公式和通用计算公式结合起来，进行计算比较对照，得出推荐计算公式与实际需要符合得很好这样的结论。

螺旋给料器的选型问题。

在水平螺旋给料器的选型设计中，主要是根据输送物料性质、输送量、输送机类型、输送距离和输送倾角来确定螺旋体的尺寸、螺旋转速和功率。

正确地选型设计汁算是选择设备的关键。

采用手工设计效率低、易出错。

随着计算机的发展把这一过程交给计算机完成，从而实现计算机对水平螺旋给料器的选型设计。

华东理工大学机械工程学院李英和武汉工业学院许诺，刘光蓉，对螺旋输送机的选型问题，结合计算机技术做了有效的工作，他们建立了水平螺旋给料器选型设计的数学模型，在VisualC十+6.0平台下，利用面向对象的程序设计，实现了水平螺旋输送机计算机选型设计。

参数输入、参数输出和图形显示设计在同一界面上，采用自动、标准和人工三种方式对中间计算所得参数进行圆整、取值，使用方便。

对于新型螺旋给料器的研究，也取得了很多的进展。

大倾角螺旋给料器是替代由斗式提升机和水平螺旋转送机所组成的联合水泥输送系统，作为混凝土搅拌站配套的水泥计量斗的喂料设备，其结构简单，运转可靠，造价低廉，维修方便，取得了较快的发展和应用。

大倾角螺旋给料器是采用变螺距螺旋叶片，下端加料区段螺距较小，上面输送区段螺距较大，这样能使加料区段的充填系数φ =1,输送区段也能得到最佳的充填系数φ = 0.5- 0.7，从而能使输送机输送的比能容降低40%-50%，而且还可防止高流动物料在输送时倒流。

总之,现在对于螺旋给料器的研究越来越受到各界的重视，而且国外也有了很多研究成果。

但国内的研究成果与国外相比，还有一定的差距，还有很大的发展空间。

2.5 螺旋给料器的的发展趋势
螺旋给料器未来的发展方向：
1.大运量、高速度、长使用寿命。

高速度即意味着高生产率，减少单位时间生产成本.磨损是限制螺旋给料器寿命的主要原因，减少物料与螺旋之间的摩擦系数，增加螺旋轴的耐磨性，改善物料的性能，可以较大程度提高给料器的使用寿命。

2.低能源消耗及降低能量消耗。

螺旋给料器的能源绝大部分都消耗在摩擦损失上。

因此降低能源消耗是研究和设计螺旋给料器急待解决的难题和发展方向。

3.智能化发展。

未来的螺旋给料器应与电脑密切联系，适合程序控制、智能操作。

物料的装卸、机器安装与维护都应能实现智能化管理。

4.空间可弯曲输送。

为了克服水平和垂直螺旋给料器由于构造上的限制而只能直线输
送物料的不足，近年来出现了可弯曲螺旋给料器，弹簧给料器等。

另外其他各种给料器也应为了实现空间可弯曲输送研制新的机型。

5.组合复合化输送，向着大型化发展。

使用螺旋给料器，结合各种连续给料器械，来完成复杂的物料输送。

大型化包括大输送能力、单机长度和大输送倾角等几个方面。

6.扩大使用范围。

目前，螺旋给料器的使用范围受到限制，要扩大其使用范围，研究能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热易爆、易结团、粘性物料的螺旋给料器。

7.环保意识设计，减少污染，实现绿色设计的目标。

传统的连续运输机械是敞开状态下输送物料的，在输送粉状、颗粒状物料时，物料散落飞扬，严重影响周围的环境，特别是在输送水泥、化肥、矿石、煤炭、谷物等粉末易飞扬物料时尤显严重。

为了解决这个问题，人们应当提前研制多种形式的环保型给料器，而螺旋给料器对于解决这个难题，无疑具有很大的优势和发展空间。

3. 螺旋给料器工作原理及主要构件的设计和选用
3．1 水平螺旋给料器的工作原理
水平螺旋给料器是一种常见的没有挠性牵引构件的输送机械，在建材，化工，冶金，煤矿，粮食等行业中得到了广泛的应用。

它借助旋转的螺旋叶片将物料推移向前而进行输送，可在水平或倾斜（小于或等于20°）方向上输送物料，主要用来输送粉状、粒状和小块状物料。

水平螺旋给料器的工作原理是由带有螺旋叶片的螺旋轴在一封闭的料槽内旋转，当物料进入固定的料槽内时，由于物料的重力及其与料槽内壁间的摩擦力作用，堆积在料槽下部的物料不随螺旋体转动，而只在旋转的螺旋叶片推动下向前移动，如同不旋转的螺母沿着转动的螺杆做平移运动一样，达到输送物料的目的。

水平螺旋给料器主要由料槽、螺旋体、轴承和驱动装置等构成。

料槽采用带有平盖的半圆形断面，半圆部分的内径要比螺旋体稍大，两者的间隙一般7-l0mm.料槽开有进料口和卸料口，为便于改变装料和卸料的位置，还设有中间进料口和中间卸料口，不用时将闸门关上。

螺旋体由电动机通过减速装置带动。

螺旋体支承在首尾端轴承和中间轴承上。

物料卸料口的末端轴承为止推轴承，以承受作用在螺旋体上的轴向力。

中间轴承多为悬挂式。

由于螺旋叶片在安置中间轴承处要间断，所以轴承的尺寸要尽
量小，以使螺旋工作面的间隙尽可能小，便于物料顺利通过和减小物料通过螺旋体间隙时的运行阻力。

螺旋输送机的主要特点有：结构比较简单紧凑；工作可靠、维修不太复杂、成本低；料槽是封闭的，便于输送易飞扬的、炽热的及气味强烈的物料，减少了对环境的污染；输送物料可以在线路上任意一点装载，也可以在许多点卸载；输送是可逆的，可以同时向两个方向(集向中心或远离中心)输送物料；输送过程中可以进行混和、搅拌等作业；料槽刚度较大，能够很好地承受一定的弯矩作用。

使用螺旋给料器输送散粒物料，也存在一定的缺点。

首先，由于物料对螺旋体及料槽的摩擦和物料的搅拌，使得单位功率消耗较大；其次，容易引起物料的破碎及磨损，特别是螺旋体和料槽有强烈的磨损；另外，螺旋给料器对超载很敏感，易产生堵塞现象。

为了防止螺旋给料器过载，可使给料器进料段的螺旋叶片的螺距小于其他部分的螺距；防止过载的另一种方法是螺距相同，但采用两个或更多的进料口，都可以很好的决这个问题。

提高螺旋给料器输送能力，其进料段研究的中心问题是提高物料加入量，可以采用的四种结构形式是：渐扩叶片，可加大推进力；增加渐扩管，可减少进料阻力；既采用渐扩叶片，又增加渐扩管；采用具有弯曲母线的双头螺旋。

这些方法提高物料加入量效果都取得了很好的效果。

3.2 螺旋体
螺旋体是由螺旋轴和焊接在轴上的螺旋叶片组成。

3.2.1 螺旋叶片
螺旋叶片是螺旋给料器的主要工件，材料为3-6mm厚的钢带或钢板冲压或轧制而成，然后焊或用螺钉固定在螺旋轴上的。

常用的种类有满面式（螺旋面）、带式、月牙式和锯齿式四种。

如下图图3—2所示。

图3—2 叶片常用的种类
（a）满面式（b）带式
（c）月牙式（d）锯齿式
图3—2中（a）满面式螺旋叶片主要用来输送干燥后的粒状、粉状及有粘附性的物料。

这种螺旋叶片的一边紧贴在轴上，形成完整的螺旋面，由于其构造简单，而且输送力强，生产率高，是应用最广的一种。

实体螺旋面称为S制法，其螺旋节距GX 型为叶片直径的0.8倍，LS型见《运输机械设计选用手册》表15-5。

图3—2中（b）带式螺旋叶片多用于输送较大粒状、块状和稍带粘性的物料。

由于粘性物料易于粘附在实面螺旋叶片及轴上，而带状叶片和轴之间留有空间，因此可避免物料粘附和堆积。

这种叶片对物料有较强的搅拌作用，但生产率较低。

也可用于两种物料的混合。

这种螺旋叶片的一边通过杆件与轴相连，形成带式的螺旋面。

带式螺旋面又称D制法，其螺旋节距与螺旋叶片直径相同。

图3—2中（c）月牙式螺旋叶片适用于输送潮湿发粘和易于挤压成块的物料。

这种螺旋叶片将一片片的月牙状的叶片按照输送方向，以一定距离用螺钉固定在螺旋轴上形成螺旋，其角度按物料的推进速度和方向能很方便地加以调节，它具有很强烈的
搅拌作用，其螺旋节距约为螺旋叶片直径的1.2倍。

图3—2中（d ）锯齿式螺旋叶片适用于输送粘性大的和腐蚀性强的物料，如油脚等。

它还具有搅伴和松散作用。

但应用较少。

通过对资料的分析和研究，此次课程设计采用的是LS 型螺旋叶片，用来输送的物料是煤粉，故采用的螺旋叶片的型式为实体螺旋面。

根据原始数据D=300mm ，则初步计算螺旋轴直径
D 0.35~0.2d ）（= (3-1)
取系数为0.25，计算得出d=75mm ，不需要圆整。

由于采用的是LS 型螺旋叶片，故由《运输机械设计选用手册》表15-5 LS 型螺旋给料器的规格与输送能力中，可以查得LS250与LS315的螺距都为直径的大小，所以，在这里取LS300的螺距s=300mm 。

螺旋叶片上任一点的法线与螺旋轴线的夹角称该点的螺旋升角。

螺旋升角α由下式确定。

)/(tan 1D s πα-= (3-2)
式中：s ——螺距（m ）
D 1——该点所在螺旋线的直径（m ）
所以，螺旋叶片的外侧升角α外和内侧升角α内分别为
()()︒=⨯==65.617.304.13/.30tan /s tan 1-1-D πα外
()()︒=⨯== 1.8685075.04.13/.30tan /s tan 1-1-D πα内
式中：D ——螺旋体的外径（m ）
d ——螺旋轴的外径（m ）
因为D>d ，故α内>α外，即螺旋叶片的外侧升角α外最小，内侧升角α内最大。

图3-3是实体螺旋叶片的展开图
图3—3实体螺旋叶片近似展开图
螺旋给料器的螺旋叶片有左旋与右旋两种旋向，决定螺旋旋向方法参见《运输机
械设计选用手册》图15-2所示。

图3—4螺旋旋向图及螺旋给料器的六种常见的结构布置形式在工业上螺旋给料器的螺旋叶片通常采用厚度为2mm——12mm的35钢及45钢制成。

在使用过程中，螺旋叶片尤其是叶片的外缘磨损较快，为了增加叶片的耐磨性，可对其进行热处理，使叶片表面硬化。

螺旋体的形成通常是先用钢板制成分段螺旋叶片，再将分段的螺旋叶片彼此对焊
在一起，并将其焊接固定在螺旋轴上，即组成螺旋体。

螺旋体的制作方法主要有以下
几种。