关于大倾角螺旋输送机设计参数的探讨

张 闯，贾宏禹，王 波，万 强，张自然 （长江大学机械工程学院，湖北荆州434023）

螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的连续输送机械，主要用于输送各种粉状、颗粒状和小块物料，在某些生产作业过程中还能实现混合搅拌等工艺的处理，因其具有结构简单、密封性能好、操作安全方便及成本低等优点，已广泛应用于采矿、化工、建材、冶金、机械制造、轻纺织、粮食等行业，是工业生产和物料运输方面比较重要的机器设备。螺旋输送机的广泛使用对于提高劳动生产效率，提高机器生产自动化能力都有重大现实意义［1］。

根据输送物料的位移方向和角度，螺旋输送机分为水平螺旋输送机、垂直螺旋输送机和大倾角螺旋输送机3种，其中水平和垂直螺旋输送机的使用最为广泛，其设计制造和性能参数的相关研究也比较成熟。但是在实际生产中，由于受到生产场地、物料类型等的限制，经常需要设计为大倾角螺旋输送机（角度大于20°）。由于大倾角条件下的螺旋输送机的原理不同于水平和垂直螺旋输送机，而且目前相关研究较少，理论也不够完善，为此，本研究在目前螺旋输送机的设计基础上对大倾角螺旋输送机的主要设计参数进行了探讨，并指出其中存在的问题。

1 设计参数的选取方法

1.1 螺旋直径的计算

螺旋直径是螺旋输送机的重要参数，它与螺旋输送机的外形尺寸及结构选型紧密相关。它的选择正确与否，直接关系到螺旋输送机的性能。螺旋直径可按照下式［2］计算：

式中，D为螺旋直径，m；Q0为生产要求中的输送能力，t／h；K为物料特性系数；ψ为填充系数；C为倾角系数，取值见表1［3］；ρ为物料松散密度，t／m3。

表1 倾角系数表

按照式 （1）计算得出的D 应圆整为下列标准值：0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50、0.60、0.80、1.00、1.25m。其中，输送能力Q及物料类型由生产要求给定。根据螺旋输送机标准，螺距应根据对应螺旋直径成组选择。

如果输送物料的粒度较大时，螺旋直径还应与输送物料的粒度维持如下关系：

式中，a为物料的平均粒度，mm；ak为物料的最大粒度，mm。

如果根据输送物料的粒度需要选择较大螺旋直径，则在维持输送量不变的情况下，可以选择较低的螺旋轴转速，以便延长其寿命。

1.2 螺旋轴转速的计算

螺旋轴的转速也是螺旋输送机的重要参数。通常情况下，螺旋轴的转速越高，输送能力越大，但是实际并非如此，如果螺旋轴转速过高，则物料就会因为离心力过大而向外抛，使物料随着螺旋叶片旋转，以至于无法输送物料，而且会浪费大量的能源，因而需要合理地选择螺旋轴转速。因此，螺旋轴转速不能超过极限值nj，并且转速应在限定的范围内尽量较大。

式中，A为物料综合系数，取值见表2。其中A值与K值对应，计算时应成组选用。根据螺旋输送机标准，按照式 （4）计算的转速n应圆整为下列转速值：20、30、35、45、60、75、90、120、150、190 r／min。

表2 物料特性表

确定出螺旋直径D及转速n数值后，还必须对填充系数ψ进行验算。

式中，t为螺距 （对应螺旋直径成组选择），m。

如果按照式 （5）计算出的ψ值在表2给定的范围内，则圆整值D及n是适当的；如果高于表2的上限，则应选择大一级的螺旋直径；如果ψ值小于表2的下限，则应降低一级螺旋轴转速。

1.3 功率计算

大倾角螺旋输送机的功率和物料的提升高度、质量、倾斜角度等因素有关，因此螺旋输送机的驱动功率是物料运行时所需的功率、空载时的功率与倾斜功率之和［4］。所以在相同输送量的情况下，大倾角螺旋输送机一般是水平螺旋输送机的输送功率1.8～3倍［5］。

螺旋输送机所需轴功率可用下式计算：

式中，P0为轴功率，kW；Q为输送量，t／h；ω0为阻力系数 （表3）；L为螺旋输送机长度 （图1），m；D为螺旋输送机直径，m；H为倾斜布置时的垂直高度 （图1），m。

电动机功率：

式中，η为驱动装置总效率，一般取0.85～0.9。

表3 物料参数

1.4 螺旋输送机的输送能力验算

螺旋输送机的输送能力Q可按照下式进行验算：

式中，Q为物料流量，t／h；D为螺旋直径，m；n为螺旋轴转速，r／min；t为螺距，m；ρ为物料松散密度，t／m3；ψ为物料填充系数 （表2）；C为输送机倾角系数 （表1）。

将式 （1）、 （4）的计算结果代入到式 （8）算出螺旋输送机的输送能力Q，再与实际生产要求的输送量Q0进行验算，当Q≥Q0时即设计参数满足设计要求，否则不满足要求，须重新计算直至满足为止。

图1 螺旋输送机布置简图

2 存在的不足

在现有的计算理论下，大倾角螺旋输送机是按照水平螺旋输送机的计算公式配合相关系数来计算的，而二者的输送原理却不尽相同，势必会造成较大误差。主要表现在以下几个方面：

（1）由于表1中的倾角系数只是作为粉状物料输送的参考数据，对于其他特性物料还没有较权威的数据可参考，通常情况下是根据经验选取，所以理论设计与实践有较大误差。因此，有必要对倾角系数表进行完善。

（2）随着倾斜角度的变大，物料的填充系数会减小，因此螺旋输送机的输送能力减小，进而输送效率降低，而现有理论计算公式中，对不同倾角下的填充系数尚没有权威的数据可供参考。实践中，往往是根据经验对填充系数进行选取，这也是造成实际与理论有较大误差的一个重要原因。

（3）螺旋轴在达到一定的转速后，物料颗粒会产生径向跳跃、碰撞，造成物料的扰动，增加功耗，影响物料的输送效率，因此造成较大误差。

3 结语

大倾角螺旋输送机的使用越来越广泛，其理论上的不足亟待完善，本研究仅对目前存在的一些问题做了一定的探讨。由于大倾角螺旋输送机输送物料的多样性及工作条件的复杂性，在设计相关参数时，要从物料的特性、输送原理等方面入手，并且还要对同一型号的螺旋输送机尽可能多地进行试验，这样才能在现有设计理论下，设计出较符合实际要求的大倾角螺旋输送机。

［1］徐余伟.螺旋输送机设计参数的选择和确定 ［J］.面粉通讯，2008，（3），21－24；

［2］《运输机械设计选用手册》编辑委员会.运输机械设计选用手册 ［M］.北京：化学工业出版社，1998：492－554；

［3］任 进.门庄妍.大倾角螺旋输送机设计与参数的选择 ［J］.内蒙古公路与运输，1995，（2）：37－39；

［4］中华人民共和国机械工业部.螺旋输送机标准JB／T 7679－95［S］.

［5］张 鹏，韩纯玉，张 镇.大倾角螺旋输送机的设计制造 ［J］.中国科技信息，2011，（22）：115－118.