奶牛饲喂装置中螺旋输送器的设计及三维造型

奶牛饲喂装置中螺旋输送器的设计及三维造型
蒙贺伟;坎杂;李亚萍
【摘要】螺旋输送器用于物料输送过程的设计在设计资料中较为常见,但它应用于奶牛饲喂装置时,从设计角度讲有许多特殊性.螺旋输送器的主要尺寸及动力参数设计得是否合理,将直接影响到物料的计量精度.为此,对奶牛饲喂装置中螺旋输送器的设计做了较为详尽的论述,并对其三维造型过程进行了简要的论述.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2008(000)010
【总页数】3页(P61-63)
【关键词】螺旋输送器;饲喂装置;三维造型
【作者】蒙贺伟;坎杂;李亚萍
【作者单位】石河子大学机电学院,新疆,石河子,832000;石河子大学机电学院,新疆,石河子,832000;石河子大学机电学院,新疆,石河子,832000
【正文语种】中文
【中图分类】S817.3;TP391.41
0 引言
在奶牛饲喂装置中, 要实现最终精确饲喂，给料控制是其技术关键之一。

要准确、迅速地进行下料,就要求给料装置能提供均匀、连续的供料，并能够在后续过程中进行精确的控制,以适应精确饲喂的要求。

螺旋输送器具有结构简单和工作可靠等
优点，而且在实际生产应用中易于变频调速，通过对电的选用和控制较容易实现对供料进行准确控制。

因此，选用螺旋输送给料器作为奶牛饲喂装置的给料机构。

应用于奶牛饲喂装置中的螺旋输送器为适应奶牛饲喂的要求,在设计时应从以下几方面入手。

1 设计要求及原则
螺旋输送器的结构尺寸是由所设计的奶牛饲喂机构的称量范围决定的。

在设计中，需要确定的结构尺寸主要有螺旋轴直径、螺旋叶片直径、节距及螺旋轴的转速等,正确地确定这些主要尺寸参数是整个设计的起点。

螺旋输送器应用于奶牛饲喂时,这些主要尺寸的确定直接影响奶牛饲喂的计量精度。

因为在奶牛饲喂的过程中要求对供料进行精确控制，即当饲喂量达到一个标准质量时(现在奶牛饲喂中实际要求误差约为4.3%左右)应立即停止供料。

而物料在输送过程中的惯性和螺旋轴停转时螺旋叶片相对于出料口停止位置的随机性，会使得少部分物料在计量完成后仍然落入到料斗中,这是产生计量误差的主要原因之一。

因此,问题的关键就是要把这个误差控制在一个允许的范围内[1]。

螺旋轴叶片直径越大或节距越长,一个节距螺旋内所存的精料就越多,惯性就越大。

同时,螺旋输送器内螺旋轴叶片与出料口构成空间的随机变化也就越大。

这两个原因就会造成计量完成后因供料未完全终止而引起的计量后误差变化范围过大。

螺旋轴叶片直径过小或节距过小,螺旋输送器的输送能力变小,饲喂的生产率过低。

此外,节距过小,还会导致螺旋输送器对物料的适应性变差。

因此,合理地确定螺旋轴叶片的直径和节距，可以有效地消除饲喂装置的计量误差[2]。

2 主要结构参数设计
2.1 螺旋直径的确定
应用于奶牛饲喂装置的螺旋输送器应能够提供连续、均匀的供料,因此螺旋轴上的叶片应采用满面型螺旋,如图1所示。

图1 螺旋结构尺寸图
当螺旋输送机的生产率Q已知时，先依据其生产率按公式预算出所需螺旋的直径D，然后在其他数值确定后再进行验算。

需注意的是，当输送颗粒状物料时，还应根据物料的粒度选定螺旋直径。

一般来说，输送粒度大的物料时，螺旋直径应取得大些[3]。

螺旋输送机的生产率计算公式为
Q慢=3600Aνρ
(1)
式中 Q慢—螺旋输送机的生产率(t/h);
A—机槽内物料的横断面积(m2);
v—物料的轴向推进速度(m/s);
ρ—物料的体积质量(t/m3)。

螺旋输送机的转速应根据输送量、螺旋直径和物料的特性确定。

在满足输送量的情况下，螺旋转速不宜选得过高，更不能超出最大许用转速nmax。

螺旋输送机的转速满足[4]以下条件，即
(2)
式中A―物料特性系数。

令b=s/D，则D应满足下式
(3)
按上式计算的D值应圆整为系列标准值[5]。

2.2 螺旋节距的确定
确定螺旋节距时,应考虑物料的粒度及实际要求的生产效率。

螺旋轴的节距越大,螺
旋叶片的螺旋角也越大。

一个节距内螺旋叶片与料桶构成的存料空间也越大。

存料空间的变化范围和螺旋轴的停止位置有关，如图2所示。

1.螺旋轴
2.料桶
3.出料口图2 螺旋轴停转时的位置图
在图2中,螺旋轴停转后,螺旋轴上的B-B截面会在一个节距t内的任意位置随机地停止,其位置变化相当于在A-A到C-C截面之间这个节距内随机变化。

这样,由出料口右端横截面与螺旋面所构成的存料空间也是一个随机量,其中A-A、B-B和C-C截面与出料口右侧截面分别形成了3个存料空间的极值面。

A-A和C-C两个截面与出料口右侧截面所形成的存料空间最大。

在这一位置处,因惯性作用,进入料斗的物料最多。

若螺旋轴正好停止在这两个截面位置,则称重装置产生的计量后误差最大; B-B截面与之形成的存料空间最小,产生的计量后误差也最小。

因此,螺旋轴的节距越小, 称重装置产生的计量后误差也越小。

但如果螺旋叶片的节距过小,不但螺旋轴的输送效率变低,而且适应性变差,易造成进料口堵料现象。

在粮油企业中，一般采用s=(0.8～1)d,在特殊情况下也可采用s=(0.5～2.0)d，而且精饲料计量中要尽可能地减少螺旋轴停转后精饲料向计量斗继续下落。

另外，螺旋叶片的节距确定时应考虑精饲料的休止角，经测算，奶牛精饲料的休止角为42.23°。

因此,螺旋叶片节距的计算公式为
t≤D×cos42.23°≈0.74D
(4)
2.3 螺旋轴转速的确定
螺旋轴的转速应在满足实际生产效率的前提下尽可能地降低。

因为螺旋轴转速过高时,螺旋叶片切线速度过高,进料口的物料因叶片的高速抛掷使螺旋输送器内容纳的物料减少，而影响实际进料速度。

螺旋转速的计算公式为
(5)
求出的n值必须满足n≤nmax，最后圆整为下列推荐值：60r/min、70r/min、80r/min、90r/min、100r/min、110r/min、120r/min、140r/min、160r/min 和190r/min。

螺旋直径D和转速n圆整后，验算其装满系数。

如按上式计算的ψ值在推荐范围内，则D与n值圆整得合适。

圆整后计算得出的ψ值允许低于推荐值下限，但不得高于推荐值上限。

若ψ值高于表列数值上限，则应加大螺旋直径；若ψ值低于表列数值下限，则可以降低螺旋的转速，以延长螺旋输送机的使用寿命。

2.4 驱动功率的计算
螺旋输送机的功率取决于物料在输送过程中为克服各种阻力所消耗的能量。

各阻力包括：一是物料与机槽及螺旋叶片之间的摩擦阻力；二是输送过程中物料颗粒之间的摩擦力、被搅拌和挤碎所产生的阻力；三是轴承和传动装置中的阻力；四是物料在倾斜向上输送时其能量增加的直接阻力。

上述诸项能耗中，有的计算繁杂，有的则无法用数学方法进行计算[6]。

经查阅有关资料，给出下列较为合理的功率计算公式。

该公式是等螺距、不变径螺旋输送机在填充系数为1时的满载启动电机功率计算公式[7]。

p电=
(6)
式中 K—电机安全系数；
η—螺旋输送机传动效率；
λ—螺旋输送机公称螺距与直径之比，即t/2r；
f—物料与送料槽壁材料的摩擦系数；
L—送料槽工作长度，即进料口中心线到出料口中心线的距离(m)；
H′—进料口处物料堆积压力的等效计算高度(m)；
l—进料口长度(m)；
W—螺旋输送机的送料量(t/h)；
H—螺旋输送机倾斜布置时，工作长度在垂直平面上的投影高度(m)；
r—送料槽下部半圆筒横截面半径(m)。

另外，电机还有传动损耗等，则实际功率为[6]
P实=KP电/η总
(7)
式中η总—传动装置的总效率,此处为自锁蜗杆油润滑，取η总=0.40;
K—功率贮备系数,一般取K=1.2～1.4。

3 三维造型
1) 利用拉伸特征命令,生成圆柱基体；
2) 在圆柱面上生成螺旋线,螺旋线直径为圆柱基体直径；
3) 在通过轴线的某一平面上做出螺齿的轴截面轮廓,要求该梯形轮廓的底边与圆柱基体中心线的距离等于圆柱基体的半径,尺寸按设计尺寸制定；
4) 用扫描拉伸特征命令,以螺齿梯形为扫描轮廓,以螺旋线为扫描路径,生成螺齿的三维造型[8]；
5) 用特征阵列命令,阵列2个螺齿。

至此制作出螺旋输送器的三维立体模型，如图3所示。

图3 螺旋输送器三维造型图
4 讨论
螺旋输送器在奶牛饲喂装置中应用时,还可采用双螺旋供料,即通过大小螺旋的复合结构向计量斗供料。

大螺旋供料到标准计量斤数的85%左右时,由小螺旋开始供料,可以进一步减轻物料进入到计量斗时的落料冲击,更加有效地降低奶牛饲喂中的实
际计量误差,使奶牛饲喂的计量精度更高[9]。

【相关文献】
[1] 胡勇克.螺旋输送器的原理与设计[J]. 南昌大学学报(工科版),2000(4)：29-33.
[2] 谷文英，过世东.配合饲料工艺学[M].北京.中国轻工业出版社，1999.
[3] 机械工程手册编辑委员会.机械工程手册(第12卷)[M].北京：机械工业出版社出版, 1982.
[4] 舒服华.基于蚁群算法的饲料螺旋输送机优化设计[J].饲料工业,2006(15)：1-4.
[5] 吴宗泽.机械设计课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社, 2001.
[6] 庞美荣.慢速螺旋输送机的功率探讨[J].饲料工业，1994(11)：17-20.
[7] 何朝远.螺旋输送机驱动电机的选择计算[J].玻璃纤维,1998(2)：6-9.
[8] 屈少敏.Solidworks在碾米机螺旋输送器设计中的应用[J]. 河南工业大学学报,2006(1)：72-74.
[9] 谭生禄.原盐计量包装秤中螺旋输送器的设计计算[J].盐业与化工,2007(5)：46-49.。