轮式洗砂机设计

于磊 宋珺颐 吴林峰 向长春

摘要：黄河因其地质和气候特点，造成中下游河床日益抬高，对其河床泥沙进行开采后清洗回收，可作为制作建筑物的有效材料。因此，设计了一款轮式洗砂机，该洗沙机主要由电动机、主轴、传动系统、叶轮、洗沙池、支架等零部件组成，其工作原理是利用电动机将动力由传动装置传递到主轴，进而带动叶轮的转动，完成洗沙池中砂石的清洗。该洗沙机具有结构简单、运行稳定、寿命长等优点，为泥沙的综合利用提供了技术支持。

关键词：轮式洗沙机;泥沙回收;砂石清洗

引言：黄河因其上游地质和气候特点，造成下游成为“地上悬河”，河床的日益抬高，给中下游河道两岸带来一定的洪涝安全隐患。各级管理部门在河势和防洪安全不被影响的前提下，通过有计划的开采河床泥沙，进一步减轻泥沙的淤积。开采后的泥沙经过清洗之后，可以作为房屋、桥梁等建筑物材料[1]。在此背景下，本文设计了一款泥沙清洗专用设备—轮式洗砂机。

1轮式洗沙机方案设计

轮式洗沙机主要由电动机、传动系统、主轴、支架、叶轮、洗沙池等组成。其工作原理是通过电动机提供动力，经过传动系统的减速后，将动力传递给主轴，主轴进而带动叶轮缓慢的做圆周转动，把待清洗的砂石原料倒入下料口，叶轮旋转的同时会使水箱中的石料相互打磨，去除掉砂石表面的杂质，同时，加水形成强冲击力的水流，把比重低的杂质清除掉，完成砂石的清洗。清洗干净的砂石由叶片带走，通过输送带运送至仓库或打包运输。

1.1传动系统设计

传动装置由带传动、二级减速器和齿轮传动构成，带传动将电动机产生的动力传递给二级减速器，经齿轮传动减速后传递到主轴，进而带动叶轮转动，实现整体运动。

带传动采用普通V带传动，带轮材料选用HT200，采用铸造加工，带轮通过键与电动机输入轴和减速器的输入轴相连;已知电动机的功率是15kW，转速是730r/min，电动机每天工作12h，工况系数取1.3，根据已知的电动机参数，对轮式洗砂机的带传动装置进行结构设计[2]，电机计算功率为：

Pc=KAP。

式中：Pc为计算功率（kW）;P为传递的额定功率（kW）;KA为工作情况系数。

综合考虑洗砂机的载荷性质和每天运转的时间等因素，KA=1.3，P=15KW，则Pc=19.5kW

根据计算功率Pc =19.5kW和小带轮转速n=730r/min，选择带的型号为C型，小带轮基准直径

为dd1=200mm，传动比i=3，则大带轮直径dd2=600mm取标准值有dd2=560mm，则中心距a0=1200mm，带的基准长度Ld=3550mm，带轮α1≥120°，传动带的根数Z=6。

减速器采用二级减速器，型号为ZQ650-50-I-Z;设计的轮式洗砂机齿轮传动装置部分是开式齿轮传动，大小齿轮材料选用42CrMo，采用锻造加工并进行正火和淬火处理，齿轮通过键分别与减速器的输出端和主轴连接，根据减速器的型号可得出齿轮的传动比为3.12。

1.2叶轮结构设计

叶轮是轮式洗砂机的重要部件，叶轮的旋转使砂子在清洗槽中相互研磨，进而去除砂子表面的杂质[3-4]，叶轮为焊接件，由叶轮板，旋转支架，筛网，管子等焊接安装而成，中间的管子和支撑板是焊接在一起的，筛网是通过螺丝螺母固定在叶轮板上面，旋转支架包括沿转轴周向固定设置的多个支臂和设置在支臂上的环形幅板，支臂对称设置在转轴两端，幅板分别固定安装在两侧各支臂上。

1.3洗沙池结构设计

洗砂池用来盛装所需清洗的泥沙，放料的同时加水，由叶轮旋转，带动砂石物料之间相互研磨，以去除掉砂石表面的杂质，留在水箱里的杂志，后通过放水口排出，进行下一步加工，而清洗干净的砂石物料会从旋转的叶轮倒出出料槽，完成洗砂工作，由底面和侧面的板子以及安装轴承的架子焊接而成。

2主轴的强度校核

主轴是轮式洗砂机最主要的构件，电动机和传动系统传递的动力通过主轴施加到叶轮上，从而完成砂石的清洗，因此，需要对其进行静应力分析。本文采用solidworks三维建模软件对其数字化建模，ANSYS有限元分析软件对其进行应力分析。

分析结果可以得出整根轴的等效应力在大部分区域内都比较小，最大应力位于轴与叶轮连接面上，为27.73×106MPa;最小应力位于套在大齿轮的端面，为97160Pa，可以得出，整根轴的应力分布均匀，满足設计要求。等效弹性应变是表征模型变形过程中塑性应变累积值，分析结果得出最大和最小弹性应变与最大和最小等效应力分布类似，说明了轴上等效应力的集中会在同位置处产生较大的弹性应变，因此，轴的等效弹性应变在大部分区域同样比较小，满足设计要求。

3结语

本文针对黄河中下游开采的泥沙设计了一种轮式洗砂机，该轮式洗砂机通过开式齿轮传动，结构简单可靠，操作方便。泥沙开采有效治理黄河河床泥沙淤积造成的河床逐渐抬高难题，同时也为社会建造相关建筑物提供了一定的资源，符合国家和社会节能、环保发展方向，采沙、用沙技术值得进一步推广。

参考文献：

[1]吴林峰，耿明全，许金山.水射流无损插桩极具的研制级试验应用[J].人民黄河，2014，36（6）：4-5+25.

[2]李文燕，朱延波，雷玲，吴志阳，党国栋.圆柱齿轮传动设计方法研究[J].机械工程师，2019（11）：55-57+63.

[3]一种新型叶轮洗砂机.甘肃省，灵台县新建鑫建材厂，2019-08-27.

[4]孟兆明，代博兴.V带传动最佳设计的方法与步骤[J].橡塑技术与装备，2016，42（23）：67-71.

[5]翟直上.自动涡洗式洗砂机的研究[D].华中科技大学，2016.

作者简介：于磊：1974年11月，女，汉族，河南郑州，工程师，主要从事：水利水电机械设备制造安装、咨询管理及技术工作。