1、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
2、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角。角的大小由物料对螺旋面的摩擦角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72广东造纸
3、 1998年.No.3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.板拉制的螺旋面,可忽略其表面粗糙程度对角的影响,可认为。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。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图3 物料运动速度W,就是物料颗粒M牵连运动的速度
4、,可用矢量OA_表示,方向为沿O点回转的切线方向;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。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。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:V1=Vcos(+)由于V=VncosVn=V0sinV1=V0sincoscos(+)而
5、V0=r=n30S2tg=Sn60tgV1=Sn60cos2(1-ftg)(1)由于 cos=11+(S2r)2,tg=S2r所以(1)式又可写成:V1=Sn601-fS2r(S2r)2+1(2)同理可得:V2=Sn60S2r+f(S2r)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=tg,为叶片与物料的摩擦角()螺旋面升角()。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)。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82广东造纸 19
6、98年.No.3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.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。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
7、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:m2maxRmg即 nmax30RgRnmax30R=KgRnmax=30K gR=30K2gD(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)。令A=30K2g,则式(4)可转化为常见的经验公式:nmax=AD(r/min)(5)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,在满足输送量要求的前提下,螺旋转速不宜过
8、高,更不允许超过它的临界转速,即:nmax(6)式中 n 螺旋的实际转速(r/min)。根据物料在料槽中的运动分析,可看出,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2-,因为rmin=d2处的最大(d为螺旋轴的直径),V1最小,所以22-(2为螺旋的内升角)。同时螺旋的转速不能超过临界转速。3 主要参数的确定对于螺旋输送机,其物料输送量可按下式计算:Q=3600FrV1c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=4D2(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
9、,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动速度V1Sn60。Q=47D2Snrc(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Q=47K1AcrD2.5D=2.5147K1AQcr令 K=2.5147K1AD=K2.5Qcr(8)式中 K 物料综合特性系数。物料综合特性系数为经验数值。一般说来,根据物料的性质,可将物料分成4类。第1类为流动性好、较轻且无磨琢性的物料;第2类为无磨琢性但流动性较第1类差的物料;第3类为粒度尺寸及流动性同第2类接
10、近,但磨琢性92广东造纸 1998年.No.3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.较大的物料;第4类为流动性差且磨琢强烈的物料。各种物料的K值见表1。螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送效果。随着倾斜角度增大,输送能力即下降。另外倾斜角度的大小还会影响填充系数。倾斜输送系数见表2。物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消耗有很大影响。当填充系数较小时,物料堆积高度较低,大部分物料靠近螺旋外侧,因而具有较高的轴向速度和较低的圆周速度,物料在输送方向上的运动要比圆周表1K值与A值表物料
11、的块度物料的磨琢性举 例填充系数螺旋面型式K值A值粉 状半磨琢性石 灰0.30.4实体螺旋面0.041575粉 状磨 琢 性硫铁矿粉0.250.3同 上0.056535粉 状无 磨 性锯木屑0.250.35同 上0.049050粉 状磨 琢 性炉渣粒0.250.3同 上0.0630小块状a 60 mm半磨琢性煤0.250.3同 上0.057340小块状a 60 mm半磨琢性块 煤0.20.25同 上0.0630大块状a 60 mm磨 琢 性硫铁矿石0.1250.2同 上0.079515表2倾斜输送系数倾斜角度()0510152030405060708090倾斜输送系数10.970.940.92
12、0.880.820.760.70.640.580.520.46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 0,必须满足2-,因为rmin=d2处的最大,P轴最小,所以许用螺距可由下式求得:Smax dtg(2-)(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V2V1,由此可得:Sn60S2
13、r+f(S2r)2+1Sn601-fS2r(S2r2)+1(11)整理得:S2rtg(4-),因此处2r=D(在螺旋外径处),故可将上式写成:Smax Dtg4-)(12)对于标准的输送机,通常螺距为(0.81)D。当倾斜布置或输送物料流动性较差时S0.8D;当水平布置时,S=(0.81)D。3.3 轴径03广东造纸 1998年.No.3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.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2。根据物料的运动分析,可知要保证物料在料槽中的轴向移动,螺旋轴
14、径处的轴向速度V1要大于0,即螺旋内升角2 V2,由式(11)整理可得:d1+f1-fS(14)根据式(14)计算,当f取0.3,S=(0.81)D时,d(0.470.59)D;当f值增加时,d/D值还要增加。也就是说,根据式(14)计算得出的轴径相当大,这势必降低有效输送截面。为了保证足够的有效输送截面从而保证输送能力,就得加大结构,使得输送机结构粗大笨重,成本增加。所以,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。资料5推荐的轴径计算公式
15、为:d=(0.20.35)D4 结束语螺旋输送机作为一种输送机械,在造纸工业中主要用于原料和浆料的输送。由于造纸原料多种多样,而且原料的特性随原料的种类、产地、湿度以及备料净化方式及效果等各种因素的不同而改变,因此,在确定螺旋输送机的主要参数时,要从其输送机理、物料的特性等方面入手,尽可能进行多种试验,取得一些设计参数,才能设计出较符合物料特性的螺旋输送机。参 考 文 献1 蒋琼珠.连续运输机.人民交通出版社,1986.122 邢益标.轻工机械.1991.No.2,P32383 阳照美.粮食与饲料工业.1994.No.4,P34374 朱斌昕.粮食装卸输送机械.中国财政经济出版社,1984.5
16、5 中国农业机械科技研究所.实用机械设计手册(下).中国农业机械出版社,1985.7(上接第38页)5 结 语测定纸浆悬浮液电荷特性的方法有很多,但任何一种单独使用,均不能取得令人满意的结果。将Zeta电位法与阴/阳离子需要量法配合使用,可以获得关于湿部系统更全面的信息。在判定抄纸过程中故障原因、调整湿部化学特性方面具有很好的实用价值。参 考 文 献1Penny A.Patton&David T.Lee,Charge Analyses:Powerful Tools in WEt End Optimization,Tappi Journal,1993,76(8),1071152P.H.Brouw
17、er,The Relationship Between Zeta Potentialand Ionic Demand and How It Affects Wet-end Retention,Tappi Journal,January,1991,1701793William G,Wallace,Practical Applications of ChargeAnalysisInPapermaking,PapermakersConference,1992,44545313广东造纸 1998年.No.3 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
