一种卧床垫料车物料输送机构的设计

党宪斌，杨胜超，陈文斐

一种卧床垫料车物料输送机构的设计

党宪斌，杨胜超，陈文斐

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

随着奶牛养殖场规模的日益扩大，需要一种装载量大、垫料高效的大型垫料车来满足牧场卧床垫料需求。当前国内奶牛场卧床垫料主要是采用装载机或者小型垫料车方式，效率较低，成本较高。文章是基于卡车箱体结构形式，设计一种液压马达驱动，链轮、链条传动的双搅龙垫料输送机构，经过验证，垫料效率得到极大提高，同时搅龙上端减压帽设计，有效降低搅龙输送扭矩，减小发动机使用功率、降低垫料成本。

垫料车；输送机构；搅龙；摩擦阻力

前言

研究表明，定期给奶牛卧床铺垫干燥的细沙、锯末等，并且垫料由外向里呈6°坡型，可增加奶牛躺卧舒适性，有助于奶牛产奶量的提高[1]。国内奶牛卧床垫料方式主要有装载机加人工填平、小型三轮车输送带式、中卡搅龙式、拖拉机牵引搅龙式等，这些垫料方式一般单次装料量小于8m³，单位时间抛料量小于1m³/min，垫料效率较低。

另外，中、大型牧场的牛场过道长度一般大于400m，小型垫料车需要多次装料，往返途中浪费较多能源和时间，更加降低了工作效率，提高了成本。

图1 中大型牧场牛舍

1 卧床垫料车结构简介

本款卧床垫料车主要由底盘和上装组成，垫料为干燥细沙，为了提高作业效率，需增加单次作业的装载量，采用重型卡车底盘。上装箱体采用如3所示的倒梯形结构，主要包括箱体总成输送机构及侧面抛撒机构。

图2 卧床尺寸

输送机构主要通过底盘的分动箱取力，带动液压泵产生高压油，通过液压马达、减速机及链轮组带动水平布置在箱体底部的双搅龙转动，搅龙前端设计有拨料叶片，将物料输送至抛料口。抛料口处有液压马达带动的高速旋转叶片，将物料抛送至指定区域。

图3 卧床垫料车整车布置图

以400m长中型牧场牛舍为例，假设卧床垫料宽度1.4m，垫料厚度2.5cm，单次完成卧床垫料至少需要14m³的垫料，考虑到垫料利用效率，装载容量设计为15m³。按照垫料量1m³/min计算，单趟完成卧床垫料工作仅需15分钟。

2 输送机构设计

如图4所示，输送机构的两根搅龙平行布置于箱体底部，同步、同向转动。搅龙上端有减压帽，防止搅龙正上方沙子直接压在搅龙上，减少搅龙工作时的扭矩。输送机构主要功能是将箱体内沙料输送至箱体左侧抛撒机构入口处，输送状态要求连续、均匀，输送过程包括整体纵向推进和端头侧向拨送，保证箱体内各处沙料按设计轨迹定量、准确的送入抛撒机构。

图4 搅龙箱体内布置方式

根据箱体结构特点，输送方式采用双排LS型螺旋输送机，整套机构主要由螺旋输送机、链轮、减速机和液压马达组成。液压马达提供驱动力，减速机与上端小链轮相连接，下端两个大链轮与搅龙相连接。通过减速机、链轮组实现搅龙转速及扭矩的调整。下图5为输送机构结构形式示意图，图6为链轮布置方式。

图5 输送机构结构

图6 链轮布置

2.1 螺旋输送机计算、选型

按照整车性能参数要求及搅龙安装方式，输送机构的物料输送量要大于1m³/min，即单个搅龙物料输送量Iv=30 m³/h，才能保证抛沙量要求。拟采用双排LS型螺旋输送机输送沙料，输送倾角β=0°，输送机长度L=5.5m，物料温度t≤50℃。

结合《JB/T 7679—2008螺旋输送机》和《连续输送机械设计手册》[2]，参考《LS型螺旋输送机技术参数表》及Iv=30 m³/h，考虑箱体搅龙安装空间，输送搅龙的叶片直径应小于550mm,初步选取LS500型螺旋输送机。查阅《LS型螺旋输送机规格系列》，获知螺旋直径D=500mm，螺距S=400mm，最大推荐主轴转速n=63r/min。

2.1.1螺旋输送机输送量的校核

输送机的输送量主要受主轴转速、螺旋直径及物料填充系数的影响，对上述参数设计进行分析、校核如下：

（1）LS型螺旋输送机的螺旋直径计算、校核

螺旋输送机的直径D，取决于其输送物料的输送量和物料粒度的大小，可按下式计算：

式中：D——螺旋直径（m）；K——物料特性系数，I——质量输送量（t/h）；——物料在输送槽体中的填充系数；——物料的堆积密度（t/m³）；C——螺旋输送机倾角系数。

即计算值0.364m< D（0.5m）；

如输送的物料粒度较大，还需对螺旋直径进行校核，由于该输送物料为细沙，颗粒很小，无需再对螺旋直径进行再校核。综上，此螺旋直径D=500mm，满足实际输送量要求。

（2）LS型螺旋输送机的主轴转速计算、校核

根据《JB/T 7679—2008螺旋输送机》 ：

式中：I—质量输送量（t/h）；—物料的堆积密度（t/ m³）；—物料在输送槽体中的填充系数；D—螺旋直径（m）；S——螺距；n—螺旋主轴转速（r/min）。

就近圆整为主轴转速系列值中的n=20 r/min <36r/ min>，符合标准要求。

以上计算均是基于沙料填充状态=0.33，对螺旋输送机进行选型、校核。本次设计的卧床垫料车是将LS型螺旋输送机全部埋入沙料之下，全埋时取1。在保证输送量不变，选取的螺旋输送机型不变的情况下，根据式（1）、（2）可知，螺旋输送机直径、主轴转速都标准要求。

在保证输送量不变，螺旋输送机直径D不变并且取1时，主轴转速应为n=20×0.33=6.6 r/min，就近圆整为主轴转速系列值中的n=8 r/min。

2.1.2 LS螺旋输送机驱动功率计算、校核

拨料叶片所需扭矩相对于搅龙不大，在计算中不予考虑。主要对搅龙输送功率进行计算。LS螺旋输送机的驱动功率，由物料运行时所需的功率P、空转运行时的功率P和倾斜输送物料的功率P组成。

本车的输送机为水平输送，可知P=0。根据《JB/T 7679—2008螺旋输送机》[2]中螺旋输送机驱动功率计算公式：

本次设计的LS型螺旋输送机全部埋入沙料之下且有一定深度，输送驱动力主要是克服物料运动摩擦阻力f，而f与物料压力成正比，由于沙料流动性好，其内部压力状态类似于静水压力，假设其压力与深度成正比，则f与埋入沙料深度成正比。将螺旋输送机所受压力等效在其质心位置，有螺旋输送机刚好埋入沙料时压力集中高度为h1=500mm/ 2=250mm，现埋入深度为1700mm，h2=1700mm/2=850mm。综上，埋入沙料1700mm时，f2：f1=h2：h1=850/250=3.4，摩擦阻力是一般状态的3.4倍。

LS螺旋输送机的驱动装置的总效率，一般取η=0.8～0.9。此处选取0.9，则两台螺旋输送机所需的实际总功率为21.8kw。

2.2 输送机构所需功率、扭矩计算

已知输送机构的动力传输过程即：液压马达——减速机——链轮——输送机，链轮是液压马达与螺旋输送机之间的传动，作用是调整传动扭矩和速比。链轮输出功率即为螺旋输送机输入功率，即：

机械传动效率：P轮入=P轮出/η，其中传动效率η为0.8～0.9，此处为提高安全系数，取η=0.8，代入上式：

由公式：P = T×ω，功率P一定，则扭矩T与角速度ω成反比。则当LS型螺旋输送机全部埋入沙料之下时主轴转速最低为n=8r/min，此时大链轮所需扭矩最大，则：

依据上装结构空间及所需转速及扭矩要求，大链轮设计输出链轮齿数z为25，分度圆直径为405.32mm，齿顶圆直径为432.6mm，齿根圆直径为376.74mm，为矩形内花键（花键型号10×82H7×92H10×12H11）连接，所配链条型号为32A；小链轮设计输入链轮齿数z为11，分度圆直径为180.31mm，齿顶圆直径为203.49mm，齿根圆直径为151.73，为平键（平键型号22×14×120）连接；所配链条型号为32A。

综合以上计算知，链轮前端需要减速机提供的输出功率为21.8kw，提供的输出扭矩为11449（N·m）。

2.3 输送机构安装连接件强度设计

2.3.1输送机中心轴设计、计算

设计输送机中心轴预采用空心轴，材料采用45钢。查阅《机械设计手册》[3]，轴管直径估算：

式中：d管——轴管直径（mm）；T——轴所传递的扭矩（N·m）；tp—许用扭转切应力（Mpa）；A—系数；α—空心轴的内径与外径之比；代入以上计算参数计算：

为了提高安全系数，将轴管直轴径数值再取1.1倍数，圆整得 d=220mm，壁厚22mm。对轴管扭转强度进行校核，同上取许用扭转切应力[]=35 Mpa，其最大切应力为：

轴管满足强度条件。

端头轴直径估算：

对此轴扭转强度进行校核，同上取许用扭转切应力[] =35 Mpa，其最大切应力为：

端头轴满足强度条件，其它连接件如花键、轴承等参考相关设计标准选型计算。

3 实验验证

通过多次实验测量，满载15m³的沙料，在13分钟完成了抛洒，平均抛沙量达1.15m³/min，大于设计值。通过查看液压马达的转速、排量及液压马达入口处液压油工作压力，计算出液压马达的输入功率P=△Pq=21.6KW，小于链轮前端需要减速机提供的输出功率为21.8kw，主要是因为垫料初期沙子自流，会使搅龙的工作扭矩有所降低。

4 结论

本文基于卧床垫料车，设计了一种箱体底部平行布置双搅龙输送机构，在搅龙工作扭矩计算时，根据沙子流动性较好特点，利用静水压原理，假设搅龙物料运动摩擦阻力f与物料高度成正比，计算出搅龙的工作扭矩及功率。通过后期的试验验证，证明了假设的正确性，本文的分析方法及结论可以为相关设计提供参考。

[1] 罗阳.两种卧床垫料对奶牛趴卧行为及健康状况的影响.[J]中国奶牛,2018(3):14-17.

[2] 王鹰.连续输送机械设计手册.北京:中国铁道出版社,2001.

[3] 成大仙.机械设计手册.北京:化学工业初版,2007.

Design of Conveying Mechanism with Material Transfer for Vehicle of bed projectile

Dang Xianbin, Yang Shengchao, Chen Wenfei

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., LTD., Shaanxi Xi’an 710200 )

With the developing of cow farm,a kind of large loading and high efficiency large-scale Vehicle of bed projectile is needed. At present, the main form of bed projectile are loader or small-scale cushioning Vehicle,which is low efficiency and high in cost.This paper is based on the package of truck, design a transporting mechanism which driving depend on hydraulic motor and chain wheel, the result shows the efficiency of material transporting is greatly improved. Meanwhile the design of lower pressure-relief cap on the upper,can not only reduce the torque of material transporting, but also the engine power and the cost.

Vehicle of bed projectile;Mechanism with Material transporting;Screw Converyor; Friction drag

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

党宪斌，男，工程师，就职于陕西汽车控股集团有限公司技术中心，现从事技术管理、产品研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.023