浅谈螺旋输送机的设计与计算

浅谈螺旋输送机的设计与计算

1、螺旋输送机的结构与功能

螺旋输送机主要是由螺旋轴、筒体和前后闸门结构组成。螺旋轴的旋转可以将盾构机土仓土料输送到皮带机上运输出去。在应急或者维修情况下，螺旋轴可以缩回，前泥门关闭，这样可以对土仓保压。螺旋输送机的功能主要有：1）输送土仓土料；2）调节螺旋轴的旋转速度，对土仓挖掘面保压，保证掘进过程的安全。

2、螺旋输送机的理论输送能力

螺旋输送机的理论上的出渣能力可以通过以下公式进行计算：Q=π4×D2-d2×P-t×n×60

，容积率η=100%。而在掘进过程中，实际的最大出土量可用以下公式进行计算：（假定是在最大掘进速度下）Q1=π4×Ds2×ν×60。式中：D-螺旋输送机的内径；d-螺旋输送机中心轴的直径；p-螺距；t-螺旋输送机螺旋叶片厚度；n-螺旋输送机的最高转速、盾构机开挖直径、盾构机的最高推进速度。盾构机此次提供的的计算参数为：D=0.8m；d=276mm；P=640mm；t=40mm；n=16rpm、6.3m、0.08m/min。

计算结果：螺旋输送机的理论输送能力Q=280m^3/h （η=100%）、盾构机在最高掘进速度

下的理论出渣量：Q1（100%）=150m3/h、Q1（130%）=195m3/h，得到安全系数为1.43。

3、螺旋输送机的驱动扭矩计算

在计算螺旋输送机驱动单元的输出扭矩的时候，我们考虑到驱动装置需满足如下几个阻

力扭矩：T1：将渣土移过螺旋叶片表面时产生的剪切力的扭矩；T2：渣土潜在移动所需的扭矩；T3：渣土在螺旋槽内表面之间的径向摩擦系数所需的扭矩；T4：克服渣土与螺旋轴表面的摩擦力扭矩；T5：克服渣土与螺旋叶面的摩擦力扭矩；T6：机械阻力扭矩；

计算T1：图1是以推导的形式表示的螺旋叶片表面的说明简图。在此，Ws：螺旋轴向力；F：螺旋扭矩；F1：螺旋叶片表面产生的摩擦力；：螺旋超前角度。

用φ来表示土/砂的内摩擦角，考虑到倾斜面的正常平衡，则：

，由此等式①为：。式中，假设当移动土/砂时产生的剪切力Ws由库伦公式表示，可得：。式中：C-土/砂的内聚力；S1-土/砂产生平均轴向压力。

在螺旋输送机内的土/砂因输送机倾角而下滑，假定S1为当土/砂下滑时引起的应力，并且此应力作用于叶片的有效穿越区A，然后，如图2所示，可得出：。

式中：Wp-每螺距的土/砂重量；：泥土容重。

如果在沿着螺旋叶片半径的某处有一个微下的部件和作用在那里的一个标明为的推

力，则由等式①可得出等式②为：。因此，扭

矩dT1可由等式②算出等式③为：。

现在，将。代入等式③，并且对结果等式以r为积分变量进行积分，则可得到等式④：。式中：。

计算T2：因为螺旋输送机以角度A1p倾斜，所以土/砂会从底下被送下来。用Wp表示每个螺距的土/砂重量，Wp.sin（A1p）则表示其下滑力。这意味着螺旋输送机需要克服这个力。用Wp.sin（A1p）代替等式④中的Ws，可以得到所需的力。考虑叶片个数N，可得出：T2=2∙π∙N∙S1∙Q。

计算T3：用Mu1表示土/砂和螺旋槽之间的摩擦系数，则与螺旋内表面的微小部件相关的摩擦阻力f2可由下式得出：f2=Mu1.S2.r22.dβ.d。式中：S2-土/砂产生的平均轴向应力。因此，有摩擦阻力f2作用在螺旋槽内的表面而产生的摩擦扭矩T3为等式⑤：。

假设S2表示螺旋输送机内的土/砂重量作用在螺旋槽上的力，作为该值的平均值，可得出：S2=Wp.cos（A1p）/2.π.r2Lp

计算T4：用Mu2表示土/砂和螺旋轴外表面之间的摩擦系数，则由第三步和等式⑤的计

算可导出如下结果：T4=0L02πMu2.S3.r12.dβ.dL。如果S3约等于S2，则可得出：。

计算T5：用Mu3表示土/砂和螺旋轴外表面之间的摩擦系数，则作用在一个叶片的摩擦

力f1可表示为：。因此，将叶片的个数考虑进去后，可得出用T5表示螺旋旋转所需的扭矩如下：T5=N2rMu3.S1.2.π.r2.dr=23.π.N.Mu3.S1.r23-r13。

计算T6：可认为下面几项是可能引起扭矩损失的原因：轴承中的摩擦阻力、牵引车

的输送机构中的摩擦阻力、制造中与精确性相关的机械阻力、包括能量损耗在内的其它一些损耗来源，比如声音或热量。

综合以上因素，可得出：T6=0.10 kNm。计算结果：将指定的值代入式中，则可得

到下述结果。这些结果说明，即使考虑到螺旋输送机内土/砂的压力紧固性，或者土/砂留在不见之间的狭窄缝隙内的可能性，所讨论的项目中使用的螺旋输送机的装备扭矩也足以满足这些条件。

T1=15.7 kNm、T2=9.0kNm、T3=4.4 kNm、T4=0.4 kNm、T5=1.1 kNm、T6=0.1 kNm。共计：T=30.7kNm。装备的螺旋输送机扭矩：Ts=146kNm、Ts=146kNm。安全系数：S=4.75。

4、结束语

本文重点提出了螺旋输送机设计过程的计算方法，以验证设计是否能满足螺旋输送机的功能需求。

参考文献：

[1] 洪致育《连续输送机》，机械工业出版社1982年12月

[2] 中国矿业大学. 矿山运输机械. 煤矿工业出版社，1987.1

[3] 周冠南.土压平衡盾构螺旋輸送机排土及保压作用分析[J].隧道建设，2012，32（3）：302-308.