螺旋给料器的设计

5螺旋给料器的设计

给料设备的给料精度是影响称量精度的主要因素，小料称量上使用的给料设备要求能够将粉料均匀、定量地给进料斗，并要根据所称量粉料的料量确定加料时间周期的长短和加料速度大小。所以要根据所需要的加料时间周期和加料速度设计和选用适当的给料设备。通常小料称量上使用的给料设备主要有两种形式，螺旋给料器和电磁振动给料器。

由于橡胶行业原料中的小剂量化学添加剂料性都不太好, 并且粒度较小、吸水性较强、比较粘，所以选择螺旋给料器比较合适。设计螺旋给料器时要根据料量的大小来选择螺旋的直径和螺旋的转速。由于小料称量上使用的螺旋给料器与其他场合使用的螺旋输送机不同，小料称量在保证给料量和给料速度的前提下，重点要求的是给料精度，所以本课题设计的为变螺距变直径的双螺旋给料器。

5.1螺旋给料器分类及结构特征

1）螺旋给料器的螺旋叶片有实体螺旋面型、带螺旋面型及叶片螺旋面型三种。实体螺旋面成为S制法，其螺旋节距GX型为叶片直径的0.8倍，适用于输送粉状和粒状物料。带式螺旋面又称D制法，其螺旋节距与螺旋叶片直径相同，适用输送粉状及小块物料。叶片式螺旋面应用较少，主要用于输送粘度较大和可压缩性物料，输送过程中，同时完成搅拌、混合等工序，其螺旋节距约为螺旋叶片直径的1.2倍。

2）螺旋给料器的螺旋叶片有左旋与右旋两种旋向。

3）螺旋给料器的类型有水平固定式螺旋给料器、垂直是螺旋给料器。水平

固定式螺旋给料器是最常用的一种形式。垂直式螺旋给料器用于短距离提升物料，输送高度一般不大于8m，螺旋叶片为实体面型，它必须有水平螺旋喂料，以保证必要的进料压力。

4）螺旋给料器物料出口端，应设置1/2~1全反向螺旋片，防止物料堵塞端部轴承。

5）螺旋给料器由给料器主体、给料器护罩、破拱装置及驱动装置四大部分组成。

给料器主体由筒体、大小变距螺杆、大小齿轮、大小链轮、及盖板组成。

5.2螺旋给料器工作原理

螺旋给料器利用螺旋叶片的螺旋轴的旋转，使物料产生沿螺旋面的相对运动，物料受到料槽或输送管壁的摩擦力作用不与螺旋一起旋转，从而使物料轴向推进，实现物料的输送。

该双螺旋给料器主要用于对称量精度要求较高的小料的给料。大、小螺旋分别由两台电机驱动，大螺旋的作用是加快给料速度，小螺旋的主要作用是保证下料精度。双螺旋给料器的给料能力取决于大螺旋设计参数。初给料时大小螺旋同时送料，称量过程中，当称重物料值达到设定称量值的98%时，大螺旋停止送料，小螺旋单独将剩余物料送完。

本次设计的双螺旋给料器应用于密炼机上辅机系统中的小料称量加料系统。在称量过程中，称量精度主要取决于双螺旋给料器，称量料仓的出口与螺旋给料器的供料口直接相连。

5.3螺旋给料器结构改进设计

（a）螺距恒定的情况（b）螺距沿卸料方向逐渐增大的情况

图5-1 螺旋距对料仓流型的影响

Fig.5-1 Impact of spiral distance to the flow of silo

在本设计中，螺旋给料器结构上有以下改进：

1）采用变螺距的螺杆进行物料输送，螺距逐渐变大，物料就不容易被压实、结块。由图5-1中所示，在螺距恒定时[29]，料仓的下料区域只位于螺旋轴后方，而有一部分区域为粉料流动死区。这样会导致粉料在料斗处流动能力变差，部分粉料也会长时间积聚于此。为了改变粉体粉料的流动性，将螺杆的螺距沿沿卸料方向逐渐增大，这样可将料仓漏斗流改为整体流，同时还可以有效防止气化后的粉料从料仓中向外涌料。

2）采用一个大螺杆和一个小螺杆组合形式，螺杆采用空心钢管，螺杆外部焊接螺旋钢片构成的螺旋。在开始时大小螺杆同时工作，在结束阶段只有小螺杆工作，在一定程度上提高了加料的精度。

3）由于粘性粉料容易成拱，为防止结拱的出现，增加了破拱装置与螺旋给料器配合。在螺旋给料器的进料端增加破拱轴，轴上安装有破拱拐，利用破拱轴带动破拱拐转动，实现粉料的破拱。结构如图5-2和图5-3所示。

图5-2 破拱装置二维示意图

Fig.5-2 2d schematic diagram of arch breaker device

图5-3 破拱装置三维示意图

Fig.5-3 3d schematic diagram of arch breaker device 5.4螺旋给料器主要设计参数分析与确定

对于螺旋给料器，其给料能力可按下式计算[30]：

2147n Q D S ρ?=（5-1）

式中：Q —螺旋给料器的给料能力，/t h ；

D —螺旋直径，m ；

S —螺距，m ；

n —螺旋转速，/min r ；

1ρ—粉料堆积密度，3/t m ；

?—物料填充系数。

由上式可以看出，当物料给料量Q 确定后，可以调整外径D ，螺距S ，螺旋转速n 和填充系数?四个参数来满足Q 的要求。双螺旋给料器的给料能力为左右螺旋给料能力之和。5.4.1螺旋直径的设计计算

螺旋叶片直径是螺旋给料器的重要参数，直接关系到给料器的生产量和结构尺寸。一般根据螺旋给料器生产能力、输送物料类型、结构和布置形式确定螺旋叶片直径，由5-2式可得出螺旋叶片的直径计算公式：

D K ≥式中：Q —螺旋给料器的给料能力，/t h ；

K —物料综合特性系数；

?—物料填充系数，粉料?=0.4~0.5；

1ρ—粉料堆积密度，3/t m ；

C —倾角系数。

1）大螺旋直径的设计计算

初定大螺旋给料量0.975/Q t h =，物料综合特性系数0.0415K =，物料填充系数0.5?=，粉料堆积密度310.35/t m ρ=，螺旋给料器水平布置时倾角0β=，倾角系数 1.0C =。将以上数据带入公式5-2中得：

0.041582.5D mm ≥?= 圆整后取130D mm =，大螺旋直径如图5-4所示。

图5-4大螺旋结构图

Fig.5-4 Structure of big helix

2）小螺旋直径的设计计算

初定小螺旋给料量0.569/Q t h =，0.0415K =，0.5?=，310.35/t m ρ=， 1.0C =将

以上数据带入公式5-2中得：

2.50.5690.041566.50.50.35 1.0

D mm ≥?=?? 圆整后取70D mm =，小螺旋直径如图5-5所示。

图5-5小螺旋结构图

Fig.5-5 Structure of small helix

5.4.2螺距S 的设计计算

螺距不仅决定着螺旋的升角，还决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料输送过程。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。螺距应满足下列两个条件：即考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系两个条件，来确定最合理的螺距尺寸。通常可按下式计算螺距：

1S K D =(5-3)

对于标准的输送机，通常螺距为10.8 1.0K =；当倾斜布置或输送物料流动性较差时10.8K ≤；当水平布置时，10.8 1.0K =。在实际应用中，需要根据不同物料和不同螺距通过大量的实验数据才能得出较为理想的结果。此处由于输送物料流动性较差取10.8K ≤，所以大螺旋进料端螺距取63S mm =，出料端螺距取120S mm =。如图5-6所示。

图5-6大螺旋螺距

Fig.5-6 the pitch of big spiral

小螺旋进料端螺距取34S mm =，出料端螺距取70S mm =。如图5-7所示。

图5-7小螺旋螺距

Fig.5-7 the pitch of small spiral

5.4.3螺旋轴径的设计计算

螺旋轴径的大小与螺距有关，因为两者共同决定了螺旋叶片的升角，也就

决定了物料的滑移方向及速度分布，所以应从考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量的适当分布来确定最合理的轴径与螺距之间的关系[31]。螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结构的综合，在能够满足输送要求的前提下，应尽可能使结构紧凑。由于螺旋输送机的填充系数较低，只要保证靠近叶片外侧的物料具有较大的轴向速度，且轴向速度大于圆周速度即可。此次设计的大、小螺杆由前轴头，后轴头，中间轴和螺旋叶片组成。大、小螺杆结构如图5-10—图5-13所示。由于这个设备输送的物料为小料，而且输送的量不是很大，所以对轴的强度要求不是很高，为了节省材料以及尽量减轻设备的总重量，中间轴采用空心轴，同时也提高了轴的抗弯刚度，本设计采用的是无缝钢管。由于螺旋给料器应用在橡胶工业中，为了防止腐蚀，螺旋轴的材料必须选用不锈钢。对于中间轴径的计算，推荐的轴径计算公式为：

d=(0.20.35)D ～ (5-4)

此处大螺杆中间轴径取40d mm =，进料端130d mm =。如图5-8所示。

图5-8大螺杆轴径示意图

Fig.5-8the schematic diagram of big helix blade diameter

小螺杆中间轴径取32d mm =，进料端125d mm =。如图5-9所示。

图5-9小螺杆轴径示意图

Fig.5-9the schematic diagram of small helix blade

diameter

图5-10 大螺杆二维示意图

Fig.5-10 2d schematic diagram of big helix

图5-11 大螺杆三维示意图

Fig.5-11 3d schematic diagram of big helix

图5-12

小螺杆二维示意图

Fig.5-12 2d schematic diagram of small helix

图5-13小螺杆三维示意图

Fig.5-13 3d schematic diagram of small helix 5.4.4 螺旋轴转速的确定

表5-1常用物料的参数

Tab.5-1 Material parameter

物料的粒

度物料的磨

着性

物料的典型例

子

推荐的填充系

数

特性系数

K

综合系数

A

粉状无磨着性

半磨着性面粉、石墨、

石灰纯碱

0.35～0.40 0.0415 75

粉状磨着性干炉粉、水

泥、石膏粉、

白粉

0.25～0.30 0.0565 35

粒状无磨着性

半磨着性

谷物、锯木

屑、泥煤、颗

粒状食盐

0.25～0.35 0.0490 50

粒状磨着性造型土、型

砂、砂、成粒

的炉渣

0.25～0.30 0.0600 30

小块a<60m m 无磨着性

半磨着性

煤、石灰石0.25～0.30 0.0537 40

小块a<60m m 磨着性卵石、砂岩、

干炉渣

0.20～0.25 0.0645 25

中等及大

块a>60m

m 无磨着性

半磨着性

块煤、块状石

灰

0.20～0.25 0.0600 30

中等及大

块a>60m

m 磨着性干粘土、硫矿

石、焦炭

0.125～0.20 0.0795 15

固状粘性、易

结块含水的糖、淀

粉质的团

0.125～0.20 0. 20

螺旋轴的转速对给料量有较大的影响。一般说来，螺旋轴转速加快，给料器的生产能力提高，转速过小则使给料器的给料量下降。但在满足给料能力的条件下螺旋转速也不宜过高，以免物料会因为离心力过大而向外抛，以致无法输送。根据实验，螺旋输送物料的极限转速可以由以下公式确定[32]：

n≤(5-5)

式中：n—螺旋轴转速, /min

r；

A—物料综合特性系数，见表5-1,A取75。

按上式计算得出的n值得：89.6/min

n r

≤。

此处取65/min

n r

=。

5.5螺旋给料器机筒的设计计算

机筒与螺旋轴配合使用。加料口与机筒设计成一体，加料口通过法兰直接与称量料仓相连接。加料口设计成方形，尺寸为300 300mm。

初选机筒径，大螺旋径为Φ134mm，小螺旋径为Φ74mm，料槽厚为3mm，螺旋与料槽间隙为5mm，长度为785mm，高度370mm。

根据选用的轴承来设计机筒两端，用以安装套杯和轴承盖。机筒结构如图5-14和图5-15所示。

图5-14机筒二维示意图

Fig.5-14 2d schematic diagram of barrel

图5-15机筒三维示意图

Fig.5-15 3d schematic diagram of barrel

5.6驱动电机功率的计算

本次设计所选择的电机是斜齿轮减速电机。它的安装方式是法兰安装，也就是电机直接跟输送机通过法兰连接，而不是与地连接。螺旋给料器的驱动电机功率一般按照下式进行计算:

367QLW P η

= (5-6) 式中：P —电机功率，KW ；

Q —螺旋给料器的给料能力，/kg mim ；

L —螺旋给料器长度，mm ；

W —阻力系数，一般取1.5～4.0；

η—传动效率，一般取0.35～0.57。

1）大螺旋驱动电机的选择

已知Q 0.975t /h=16.25kg/min =，L 785mm =，此处取W 为3，η为0.4。 将以上数据带入公式5-6得：

16.2578530.263673670.4

QLW P KW η??===? 2）小螺旋驱动电机的选择

已知Q 0.569 t /h 9.48/min kg ==，L 785mm =，3W =，0.4η=。将以上数据带入公式5-6得：

9.4878530.153673670.4

QLW P KW η??===? 考虑到密封对轴的摩擦和轴承的摩擦，以及由于轴两端加工精度不同而造

成的附加阻力，要适当的加大驱动电机的功率。在一些工厂使用中，实际轴功率要比理论计算功率大3～4倍。综合考虑实际选用的电机功率为：大电机的功率为1.1KW；小电机的功率为0.55KW。

5.7其它装置的选用

5.7.1轴承的选用

轴承的布置形式的设计，主要应使受力合理，应尽量使数值很大的轴向力影响围减少，最好是使该轴向力在为数不多的几个零件的围组成力的封闭系统。其次还要考虑轴承的安装、维修及润滑等条件。

本课题螺杆进料端和破拱轴两端选用带座外球面轴承UCFL系列，如图5-16所示。带座外球面轴承由外球面轴承和轴承座组成。具有一定的调心性，易于安装，具有双重结构的密封装置，可以在恶劣的环境下工作。轴承座一般是采用铸造成型。在使用时，不必另外设计轴承箱，尺寸大小，结构简单，可直接用螺栓安装在主机设计部位上，使用方便。轴承座为整体结构，承载能力大，刚性好，轴承与轴承座可以互换，即同一轴承可以选配各种类型的轴承座。带座外球面轴承具有良好的旋转精度，可方便地再润滑。游隙较相同尺寸的深沟球轴承大，因而温差对其精度影响较小。

图5-16UCFL轴承

Fig.5-16 UCFLbearing

5.7.2防护与密封装置的选用

在螺旋给料器的运行中，由于所处的工作环境的影响，可能会对螺旋给料器的外部设备有一定的损害，所以我们要对螺旋给料器进行一定的防护。通过增加防护罩，就可以较好的较低成本的做到这一点。结构如图5-17和5-18所示。

图5-17螺旋给料器防护罩二维示意图

Fig.5-17 2d schematic diagram of the screw

conveyorshields

图5-18螺旋给料器防护罩三维示意图

Fig.5-18 3d schematic diagram of the screw

conveyorshields

在输送物料的过程中，物料容易冲出料槽。故在轴承座和密封压盖中都留有槽来填充旋转唇形密封圈和机械密封用O形圈。唇形密封圈是一种具有自封作用的密封圈，它依靠唇部紧贴密封耦合件表面，阻塞泄漏通道而获得密封效果。低压时摩擦力小，少量磨损后可自动补偿，使用寿命长。

机械密封用O形圈断面尺寸小，安装沟槽可设计为整体式沟槽；沟槽加工、密封圈安装容易，可双向密封。

5.8螺旋给料器整体结构设计

螺旋给料器是一种连续的物料输送机械，螺旋给料器除具备螺旋输送机的全部特点外，还具有给料均匀、精度高的优点，可广泛应用于在输送距离较长或向上倾斜布置，物料流动性差，并且给料精度要求高的场合，特别适合做为磨琢性小的粉状物料电子秤上的给料设备。

本课题设计的螺旋给料器在保证给料量和给料速度的同时，为了提高给料精度，将螺旋给料器的螺旋设计成变螺距和直径大小不同的两个螺杆。螺旋给料器的整体结构如图5-19和图5-20所示。

图5-19双螺旋给料器二维示意图

1-给料器主体 2-破拱拐 3-破拱长轴 4-左变距螺杆 5-右变距螺

杆

Fig.5-192d schematic diagram of double screw conveyor

main part of screw conveyor 2- arch bridging device 3-

arch bridging axis 4-left variable-pitchhelix 5-right

variable-pitchhelix

图5-20双螺旋给料器三维示意图

Fig.5-203d schematic diagram of double screw conveyor