螺旋输送机输送机理及其主要参数的确定

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 。
图 1 螺旋输送机结构示意图
而
V0
=ω·r
=π30n ·2πSt gα =
Sn 60t gα
∴ V1 = 6S0ncos2α(1 - ftgα)
(1)
由于 cosα=
1
+
1
(
S 2πr
)
2
,t gα=
S 2πr
所以 (1) 式又可写成 :
V1
=
Sn 60
1 ×
-
f ·2πSr
( 2πSr) 2 + 1
(2)
同理可得 :
V2
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φ < 50 %。 各种物料的填充系数φ值可参考表 1 。
_
矢量OA表示 ,方向为沿 O 点回转的切线方
据此 ,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) 。
向 ;物料颗粒 M 相对于螺旋面相对滑动的速
度 ,平行于 O 点的螺旋线切线方向 ,可用矢
_
量AB表示 。当不考虑叶片摩擦时 ,则物料颗
粒 M 绝对运动的速度 Vn 应是螺旋面上 O
半磨琢性
块 煤 0. 2～0. 25
同 上
0. 06
30
大块状 a > 60 mm
磨 琢 性 硫铁矿石 0. 125～0. 2
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同 上
0. 0795
15
表 2
倾斜输送系数
倾斜角度 (°) 0
5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90
倾斜输送系数 1 0. 97 0. 94 0. 92 0. 88 0. 82 0. 76 0. 7 0. 64 0. 58 0. 52 0. 46
2g
,则式 (4) 可转化为常见的经
验公式 :
nmax = A (r/ min)
(5)
D
式中 A ———物料的综合特性系数 ,见表 1 。
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
Q = 47 K1AφcrD2. 5
2. 5
∴ D =
47
1 K1A
·φQcr
物料在料槽中的填充系数对物料的输送
的物料 。各种物料的 K 值见表 1 。
和能量的消耗有很大影响 。当填充系数较小
螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响物 时 ,物料堆积高度较低 ,大部分物料靠近螺旋
料的输送效果 。随着倾斜角度增大 ,输送能 外侧 ,因而具有较高的轴向速度和较低的圆
力即下降 。另外倾斜角度的大小还会影响填 周速度 ,物料在输送方向上的运动要比圆周
当螺旋体以角速度 W 绕轴回转时 ,若在 螺旋叶片任一半径 r 的 O 点处有一物料颗粒 M ,则物料颗粒 M 的运动速度可由图 3 的速 度三角形求解 。叶片上 O 点的线速度 V0 = r
V1 = Vcos (α+ρ)
由于 V = cVosρn Vn = V0·sinα
∴ V1 = V0 csoinαsρcos (α+ρ)
gR
πnmax 30
R
=
K
gR
nmax
=
30 K g πR
=
30 K π
2g D
(4)
式中 K ———物料的综合系数 ,见表 1 ;
D ———螺旋直径 (mm) ;
g ———重力加速度 (m/ s2) ;
nmax ———螺旋的最大转速 , 即临界转 速 (r/ min) 。
3 主要参数的确定
动速度
V
1≈
Sn 60
。
∴ Q = 47D2 Snφrc
(7)
由上式可以看出 ,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 。
3. 1 螺旋直径
将式 (5) 代入式 (7) ,并设 S = K1D ,则式
(7) 为
令
A
=
30
K π
同 上
0. 0490
50
粉 状
磨琢性
炉渣粒 0. 25～0. 3
同 上
0. 06
30
小块状 a < 60 mm
半磨琢性
煤
0. 25～0. 3
同 上
0. 0573
40
小块状 a < 60 mm
磨琢性
干炉渣 0. 2～0. 25 实体螺旋面或带式螺旋面 0. 0645
25
大块状 a > 60 mm
对于螺旋输送机 ,其物料输送量可按下 式计算 :
Q = 3600 FrV1c 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) , F =φπ4 D2 (φ为填充系数) ;
r ———物料的单位容积质量 (t/ m3) ;
c ———倾斜输送系数 ;
V1 ———物料在料槽中的轴向移动速 度 (m/ s) ,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
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 。
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 :
mω2max R ≤mg
即
πnmax 30
R
≤
根据物料颗粒 M 运动速度图的分析 ,物 料轴向移动的速度为 :
图 4 螺距一定时 V1 、V2 变化曲线
由图 4 可见 ,V2 在半径长度范围内是变 化的 ,因此 ,物料在螺旋内的移动过程中要产
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《广东造纸》 1998 年. No. 3
生相对滑动 。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 。
充系数 。倾斜输送系数见表 2 。
表 1
K 值与 A 值表
物料的块度
物料的磨琢性 举 例 填充系数φ
螺旋面型式
K值 A 值
粉 状
半磨琢性
石 灰 0. 3～0. 4
实体螺旋面
0. 0415
75
粉 状
磨 琢 性 硫铁矿粉 0. 25～0. 3
同 上
0. 0565
35
粉 状
无磨性
锯木屑 0. 25～0. 35
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
图 2 螺旋面作用在物料颗粒上的力
《广东造纸》 1998 年. No. 3
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板拉制的螺旋面 ,可忽略其表面粗糙程度对 β角的影响 ,可认为β≈ρ。P 力可分解为法 向分力 P1 和径向分力 P2 。
物料颗粒 M 在 p 力作用下 ,在料槽中进 行着一个复合运动 ,即沿轴向移动 ,又沿径向 旋转 ,如图 3 所示 ,既有轴向速度 V1 ,又有圆 周速度 V2 ,其合速度为 V 。
为使
P轴
>
0
,必须满足α
<
π 2
- ρ,因为
rmin
=
d 2
处的α最大
, P轴
最小 ,所以许用螺距
可由下式求得 :
Smax
≤πdt g
π (2
- ρ)
(10)
此外 ,还应考虑物料运动速度各分量间
的合理分布问题 ,既要使物料具有尽可能大
的轴向输送速度 ,同时 ,又要使各点轴向速度
均大于圆周速度 ,即 V2 ≤V1 ,由此可得 :
1) D 。当倾斜布置或输送物料流动性较差时
P轴 = Pcos (α+β) ≈Pcos (α+ρ)
(9) S ≤0. 8D ;当水平布置时 ,S = (0. 8～1) D 。
3. 3 轴径
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《广东造纸》 1998 年. No. 3
轴径的大小与螺距有关 ,因为两者共同
决定了螺旋叶片的内升角α2 。根据物料的
Sn 60
S
× 2πr
(
S 2πr
)
+f 2+
1
≤Sn 60
1- f
× (
S 2πr
2
S 2πr ) +1
(11)
整理得 :S
≤2πrt
g
π (
4
- ρ)
,因此处
2r
=
D
(在螺旋外径处) ,故可将上式写成 :
S′max
≤πDt g
π 4
-
ρ)
(12)
对于标准的输送机 ,通常螺距为 (0. 8～
所受螺旋面在轴向的作用力 P轴 为
根据式 (8) 计算出来的 D 值应尽量圆整 成下列标准直径 ( mm) : 150 , 200 , 250 , 300 , 400 ,500 ,600 ,700 ,800 ……。 3. 2 螺距
螺距的大小不仅决定着螺旋升角 ,而且 决定着 在 一 定 填 充 系 数 下 物 料 运 行 的 滑 移 面 ,所以螺距的大小也影响物料的输送过程 。 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 。从图 2 可知物料颗粒 M
_
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。现对
V 进行分解 ,则可得到物料颗粒自 O 点移动
的轴向速度 V1 和圆周速度 V2 。因此 ,V1 就 是料槽中物料的输送方向 ,而 V2 则是对物 料输送的阻滞和干扰 。
螺旋输送机输送机理及其主要参数的确定
黄石茂 (华南理工大学工业装备与控制工程系 广州 510641)
摘 要 本文对造纸工业中用于原料及浆料输送的螺旋输送机的输送机理进行了分析探讨 ,为螺 旋输送机的工作参数和结构参数的确定提供了理论依据 。
1 前 言 造纸工业中的螺旋输送机主要用于原料
和浆料的输送 ,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
运动分析 ,可知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α2
<
π 2
-
ρ,又因为
t gρ =
f
, t gα
=πSd ,所以螺距与轴径之间的关系必须满足 的条件之一是 :
d ≥πf S
(13)
实践证明 ,对大多数螺旋输送机来说 ,一
般其螺旋体的结构均能满足式 (13) 的要求 ,
1 - 进料口 2 - 槽体 3 - 螺旋轴 4 - 卸料口
2 物料输送机理分析
设螺旋为标准的等螺距 、等直径 、螺旋面
升角α的单头螺旋 。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 力方向 与螺旋面的法线方向偏离了β角 。β角的大
2. 5
令 K =
1 47 K1A
2. 5
∴ D = K
Q φcr
(8)
式中 K ———物料综合特性系数 。物料综合
量要求的前提下 ,螺旋转速不宜过高 ,更不允 特性系数为经验数值 。一般说来 ,根据物料
许超过它的临界转速 ,即 :
的性质 ,可将物料分成 4 类 。第 1 类为流动
π≤nmax
(6) 性好 、较轻且无磨琢性的物料 ;第 2 类为无磨
式中 n ———螺旋的实际转速 (r/ min) 。
琢性但流动性较第 1 类差的物料 ;第 3 类为
根据物料在料槽中的运动分析 ,可看出 , 粒度尺寸及流动性同第 2 类接近 ,但磨琢性
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较大的物料 ;第 4 类为流动性差且磨琢强烈
要使物料在料槽中输送 ,物料在螺旋面上的
轴向速度
V1
>
0
,即α<
π 2
- ρ,因为
rmin
=
d 2
处的α最大 ( d 为螺旋轴的直径) , V1 最小 ,
所以α2
<
π 2
-
ρ(α2
为螺旋的内升角)
。同时
螺旋的转速不能超过临界转速 。
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
=
Sn 60
S × 2πr
( 2πSr )
+f 2+
1
(3)
式中 S ———螺旋螺距 (mm) ;
n ———螺旋转速 (r/ min) ;
f ———物料与叶片间的摩擦系数 ,f =
tgρρ, 为叶片与物料的摩擦角 (°)
α———螺旋面升角 (°) 。
图 3 物料运动速度
·W ,就是物料颗粒 M 牵连运动的速度 ,可用