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英文文獻翻譯
微動疲勞下二階裂紋拓展的力學分析
B. Yang a,*, S. Mall b
a美國，F(xiàn)L 32901，墨爾本，佛羅里達理工學院，機械與航空航天工程系
b 美國，OH 45433,代頓，賴特-帕特森空軍基地，航空技術學院，飛行技術與航空系
摘要
通過實驗觀察的啟發(fā)，我們用高效，準確的邊界元法對微動疲勞下的兩階段裂紋擴展進行了數(shù)值分析。首先，我們在循環(huán)載荷中的應力場變化開始分析?？紤]到摩擦接觸區(qū)是已被證明的相當影響應力場系數(shù)的多種因素。那么，假設發(fā)生裂紋萌生于剪切模量中，表面開口裂紋引入到標本在剪應力幅值最高位置。裂紋尖端的應力強度因子（應力強度因子）適合于各種不同裂縫長度和裂縫角度，大致至左右的接觸面。結果表明，對于載荷比為0.5的來說，它的循環(huán)模式- II的應力強度因子裂紋長度的增加幅度減少，同時其平均值就增加。這表明，在（第一階段）剪切裂縫遲早會成為休眠狀態(tài)，或切換到另一個模式，一個可以提供裂紋繼續(xù)擴展的模式。然后，第一階段剪切裂縫被人為得彎折成第二個階段的開放式裂紋，接著我們就要分析后續(xù)的驅(qū)動力。事實表明，只有當?shù)谝浑A段的裂紋增長到一定的長度時才能有利于彎折的結果。因此，本研究提供了兩個階段裂紋擴展在力學上深刻見解，并且頻繁觀察了在微動疲勞下的典型的燕尾結合。同時也建議改進實驗裝置來定量調(diào)查燕尾結合中的微動疲勞。
關鍵詞：邊界元法；接觸力學；裂紋開裂；裂紋彎折；燕尾結合；斷裂力學；摩擦力;微動疲勞
1導論
危險應力狀態(tài)出現(xiàn)在兩配合零件的接觸區(qū)會導致局部塑性變形和損壞。如果載荷是循環(huán)的，就會更加危險，從而導致裂紋開裂且擴展。這種包含裂紋擴展的損壞過程被稱為微動疲勞。它實際上已分為兩個階段，即萌生與擴展階段，這取決于裂紋尺寸的大小，它可以由有效的無損評估技術檢測到。起始階段包括早期裂紋擴展到幾百微米。與此同時，傳播階段是后續(xù)的裂紋增長，直至結構破壞。在起始階段，人們發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)展經(jīng)常傾向于從接觸面的表面。然后，他們彎折并最終傳播到大型張力正常，并表現(xiàn)出典型的兩階段裂紋的萌生和發(fā)展模式。
為了表征微動疲勞裂紋萌生，研究員們利用剪應力幅值作為以壓力為基礎方法的關鍵參數(shù)。萊金斯等人后來通過將數(shù)值模擬與實驗相結合發(fā)現(xiàn)圓筒上的平面和平面上的平面接觸的微動疲勞裂紋萌生的地點是可以合理地解釋這個參數(shù)配置分析。此外，楊和莫應用了裂紋模擬模型/斷裂力學的方法來研究初始驅(qū)動力模式- I和模式- II的裂縫邊緣的接觸帶的摩擦系數(shù)來作為關鍵參數(shù)。通過與實驗結果進行比較，他們發(fā)現(xiàn)，微動疲勞裂紋萌生在剪切模式了。
另一方面，在一個最初磨損的縫隙所觀察到的扭結暗示從剪切斷裂機制到開放模式轉變。一些裂縫力學為基礎的方法已被用于分析微動疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，沒有把它們分開，在任何一種開放模式或沿指定路徑混合模式的條件。然而，這兩個裂解過程中的關于微動疲勞階段參數(shù)研究尚未文獻報道。與此同時，一些以關鍵平面為基礎的方法在沒有任何斷裂力學的原理的情況下提出了一些考慮預測裂紋萌生壽命的應力以在接觸表面裂紋萌生應變振幅為基礎。這些關鍵面為基礎的方法可以得到改善，如果兩個階段裂紋的萌生和早期生長的考慮在內(nèi)。這促使現(xiàn)有的研究。
在目前的工作，我們數(shù)學上模擬了的兩個階段的開裂微動疲勞的實驗觀察指導的過程。首先，對應力場的一個典型負荷周期的變化進行了分析。摩擦系數(shù)在接觸帶不同的值進行檢查，這證明它是相當?shù)挠绊懥藨?。然后，一個表面破剪型裂紋在最高剪應力振幅接觸區(qū)的位置被引進了。裂紋尖端的應力強度因子（SIF）有各種計算裂紋長度，范圍從25到45左右的接觸面不同裂縫方位角度。它是那么扭結成手動對最大切向應力幅標準為基礎的開放式裂紋。這個參數(shù)的研究表明，裂縫應成為休眠狀態(tài)，或切換到一個開放的剪切模式，扭結傳播后一定距離。這與實驗結果一致。在塞克申，摩擦接觸，非線性問題，制定打擊。它是通過應用解決邊界元（BE）的方法。在第二節(jié)，在裂紋萌生前接觸區(qū)應力場分析了各種微動疲勞參數(shù)，包括裝載率和摩擦系數(shù)。在塞克申，微動疲勞裂紋萌生和早期生長兩個階段進行了分析
2問題公式化
在燕尾聯(lián)合設計中一個主要的擔心和憂慮，例如，用于連接燃氣渦輪發(fā)動機的刀片和磁盤（圖1a），就是所說的微動疲勞。當循環(huán)加載應用，動力在連接部位接觸帶之間的（刀片和磁盤）的作用在正常和切向分量有差異。這兩個組件的耦合由幾何聯(lián)合確定的方式。然而，這往往是在實驗上用微動測試設置來研究，也是在理論上，當正交力分量（或正常位移分量）保持不變，而切向分力是多種多樣的（大多數(shù)情況中）。實用幾何學中的燕尾結合也已考慮到一些微動疲勞研究。在本研究中，我們考慮到正常和切向荷載的組件是耦合配置，如圖2所示。它更貼切地描述了聯(lián)合的現(xiàn)實狀況，如圖1b和1a中的一部分所示。此外，此設置可能很容易像以前的設置一樣在實驗室里實現(xiàn)。
圖1，（a）渦輪發(fā)動機中一個典型的燕尾榫連接一個刀片和一個圓盤；
（b）在（a）中選定的局部區(qū)域
如圖2所示的設置由兩部分組成：一個標本，和一個應用微動負荷通過墊試樣組件。在我們的模擬，標本和裝載組件采取的是同樣的材料，它是各向同性和線性彈性的。這個標本是受制于沿其底部和右側的邊界平穩(wěn)滑導剛性壁。裝載組件是遭受了其左邊的邊界正常的牽引，然后它沿著上邊界平穩(wěn)的滑動到剛性壁。裝載組件最初通過一個圓柱形墊和用平頂面標本連接，在沒有預應力的情況下。由于裝載組件是楔形形狀，所以襯墊和試樣上表面接觸有限區(qū)域，當R應用時。否則它的結構將遠離牽引力。邊界條件和其他細節(jié)都顯示在圖2示意。加載方向，可能需要進行調(diào)整負荷之間的組件和標本的密封性，其中分別緊密代表刀片的零件和燕尾磁盤中的一個關節(jié)。
當機構（圖2）承受疲勞載荷，即循環(huán)R，一個裂紋可能集中在標本的接觸表面。裂紋可能會裂開，閉合，或者局部處于這兩者之間的循環(huán)載荷。它的密封性取決于強加在墊和標本之間的封閉裂紋的相對平面。接觸面之間切向作用力是以庫侖型摩擦定律為模型的，
, （1）
其中，和p分別為摩擦力切向與法向的分力，f是摩擦系數(shù)，接觸表面間單位時間內(nèi)相對位移的變化，是它的大小。牽引力的分力，和p是根據(jù)標本來定義的。
圖2，模擬了精密配合下的微動疲勞的一種裝置。這個鑲嵌件展示了一個圓柱墊的載荷分量
和一個裂紋可能被引發(fā)并在接觸的后緣增長。它的大小由一個特定的長度尺寸L決定。
因為材料是具有線性彈性的材料（各向同性），這個相對于邊界點的位移可以表示成加權位移的積分和沿著邊界線與裂紋的摩擦力。它是為了交換標本上的載荷分量，他們分別為;
（2）
（3）
其中分別為載荷分量和標本的界限，是裂紋的一面，u為位移，p是摩擦力，w是裂紋裂開的寬度，和是位移和摩擦力的各向同性彈性的基本解式。為了解決構想在單域內(nèi)的裂紋問題，下面的對摩擦力的分析需要應用積分方程。
（4）
其中是和的組合導數(shù)，公式（1）中也有，以上的公式（2）—(4)可以建立一個有效而準確的伯努利方程在數(shù)學上解決上面提到的非線性邊界值問題。這指的是[1]適用于數(shù)值模擬技術的一般細節(jié),[2-4]適用于詳細處理摩擦接觸和裂紋的非線性問題。因此，依靠迭代方案解決目前的非線性問題是必要的。
3接觸應力分析
在下面的模擬中，我們設置了加載方向b = 30_，圓柱半徑墊? = 10升，其他如圖所示的幾何參數(shù)。 2，其中L是一個長度尺度來規(guī)范的所有的長度尺寸。在B或在R變化的對幅度有重大影響，但對接觸區(qū)的應力場特征影響不大。楊氏模量E是用來規(guī)范所有壓力維度的。Poison的比率米??被設定為0.3。我們我們采用了一種自適應網(wǎng)格與濃度元素及周邊地區(qū)的接觸區(qū)相符合。以下解決方案受到了所有與網(wǎng)格細化收斂檢查。最后網(wǎng)就是這樣，當網(wǎng)密度增加一倍，位移相對變化小于0.1％。
第一次模擬運行系統(tǒng)被加載單調(diào)到R = 0.005E，然后卸載完全。在接觸區(qū)摩擦系數(shù)F = 0.3。應力沿試樣接觸面被記錄下高峰負荷和三個中間裝卸水平。結果被繪制在三維圖3a中。在圖3a中，該系統(tǒng)是受制于高峰負荷。受切引力組件sxy變化表明，接觸區(qū)是完整的下滑狀態(tài)，也就是在總滑移條件下。正切力組件Rx是具拉伸的和集中在接觸后緣，但壓（不集中）在接觸前沿。圖3B - D顯示卸載后的應力狀態(tài)。在卸貨過程中，壓力，即正常牽引組件Ry的跌幅。反相滑移發(fā)生在在棍子區(qū)域內(nèi)雙方的接觸邊緣。棒子區(qū)逐漸減弱至消退。正切應力組件RX在接觸后緣（在高峰負荷時拉伸）迅速變成壓縮。然而，在接觸前沿（在高峰負荷壓縮）切向應力分量變成緊張，呈現(xiàn)出輕微的濃度，并最終消退。這些數(shù)字顯示在裂紋萌生前載荷循環(huán)期間接觸應力變化的特點的一個模擬燕尾結合的，以及準確的數(shù)值解周期裝置中。
為了解摩擦的作用，另一個模擬與上述參數(shù)相同除了接觸帶中的摩擦系數(shù)更改為0.7。該系統(tǒng)單調(diào)的裝載貨物至高峰負荷，然后卸載到一半，即載荷比R = 0.5。應力沿接觸面至最大負荷，最終卸載點繪制在圖4a和b中。相較于以前的情況下，較小的接觸區(qū)有較低接觸壓力Ry，較高的剪切牽引組件sxy，以及較高的切線（拉伸）應力RX集中在接觸后緣地帶經(jīng)實驗得出在接觸帶中有較高價值的摩擦系數(shù)f。然而，它似乎有些變化在沿接觸表面應力分布的定性特征。
圖3,在摩擦系數(shù)的情況下,分別當（a）（最大負載）；（b）（空載）（c）；（d）時，沿著接觸表面的應力分量的變化情況。
圖4，當摩擦系數(shù)的情況下，分別當（a）（最大負載）和（b）（空載）時，沿著接觸表面的應力分量的變化情況。
為了準備兩個階段裂紋擴展下一步分析，應力振幅用裝載比R = 0.5來審查和摩擦系數(shù)f = 0.3和0.7。最大常應力幅值，最大剪應力幅，及最大剪應力沿接觸面角度的變化幅度都分別繪制在圖5，6a和b。其最大正常應力幅角等于最大剪應力幅加45度角。首先，可以看出接觸后緣的經(jīng)歷著比接觸前沿更嚴重的疲勞載荷。因此，裂縫分析下一步將側重于前者。它也看到，有兩個最大正應力振幅峰。在接觸邊緣高峰負荷存在一個更高的峰值，并在卸載（高峰負荷的一半）后的反滑帶鐘存在一個較低的。在反滑帶只有一個最大剪應力振幅峰值。最重要的是，它表明，常最大應力和最大剪應力幅值都表現(xiàn)出更高規(guī)模，接觸區(qū)內(nèi)更高梯度及更高價值的摩擦系數(shù)。因此，合成應力場在腐蝕疲勞期間會越來越對微動裂紋萌生有害當摩擦系數(shù)的規(guī)模增強（由于表面粗糙）。此外，最大剪應力幅角變化約5至45從反粘滑邊界位置到高峰負荷接觸的邊緣。
圖5，當摩擦系數(shù)和時，沿著接觸表面的最大的標準應力幅值的變化情況。
圖6，（ a）摩擦系數(shù)和時，沿著接觸表面的最大的標準應力幅值的變化情況；
（b）當摩擦系數(shù)和時，沿著接觸表面的同位角的變化情況。
4裂紋分析
在一節(jié)中，我們考察了兩個階段微動疲勞裂紋擴展在燕尾關節(jié)樣的配置的過程，如圖2所示。摩擦系數(shù)在接觸區(qū)等于0.7和負載率等于0.5那是在上一節(jié)開裂已經(jīng)研究過。分析裂紋，表面裂痕引入到標本最高剪應力幅位置，并在25?45左右的接觸面。這個角度范圍是因為飛機，可觀的剪應力幅已被實驗出，如圖6所示。值得重視的剪應力幅也已發(fā)現(xiàn)5至25角度。然而，在這個角度范圍內(nèi)，初始裂紋始終為已檢驗的裂紋長度范圍內(nèi)封閉。因此，它沒有考慮到下面的議論。初始裂紋的位置是固定在最高剪應力幅位置，因為通過對初始裂紋的位置大量的模擬得出裂紋行為被認為是敏感的位置。為了簡單起見，裂紋表面被認為是光滑的。裂紋表面摩擦被認為是只能在數(shù)量上改變。裂紋尖端應力強度因子在最大和最小負載的情況下可以被計算出各種裂縫長度。在最低負載瞬間，裂紋全部關閉。在高峰負荷瞬間，裂紋是關閉所有的長度如果25的角度。當角大于25度，在小的裂縫長度開放，但在較長的長度封閉。該平均價格的變動和循環(huán)模式—II的應力強度因子沿裂紋路徑幅度被繪制在圖 7中。同時，模型 I應力強度因子與裂紋長度在高峰負荷變化圖被繪制于圖8中。
圖7的平均模式—II顯示應力強度因子隨裂紋長度增加。內(nèi)裂紋角由25至45是不敏感的范圍。另一方面，模式—II的SIF的幅度明顯變化當角達40。當裂紋角度大于40（小于45）的差異變得微不足道。在所有這些情況下，模式—II SIF的幅度先增加后裂紋的長度減小。這意味著達到一定長度后將破解，如果該進程是只有這個參數(shù)控制。或者，它會切換到開放模式，或任何混合模式，它們可以提供持續(xù)增長的支持。在圖7和8中曲線的尖銳扭結符合裂縫在高峰負荷增長最初打開能足夠增長和轉變成在一個負荷周期完全封閉裂縫。圖8中清楚明白的告訴我們常態(tài)裂紋應力強度因子變?yōu)榱恪ＤＪ健狪的歷史證明模式—I的幅度足以與模式—IISIF相比較。在模式轉型過程中它有可能在初始剪切裂紋擴展提供援助。
圖7在模式II SIF下，（a）裂紋長度在不同的裂紋角的平均值的變化情況；
（b）裂紋長度在不同的裂紋角的振幅的變化情況。
圖8，裂紋長度在最大負載的情況下，不同裂紋角在模式—I SIF的變化情況。
圖9（a）在不同的一階裂紋長度下的二階彎折裂紋的路徑；（b）模式—I SIF路徑上的振幅。
另一個模擬實驗設置在當初始剪裂縫根據(jù)最大切向應力準則被迫轉入到不同深度開放式裂紋。然后，裂紋被允許在開放模式增長成同樣的標準。請注意，在振幅方面是按照SIF標準來應用的，即沿裂縫傳播沿著模式—I SIF最大幅值和零度模擬—II SIF的幅度的方向。然而，模式- IISIF本身可能是非0度的。例如，圖9A顯示了兩階段裂縫軌跡的各種扭曲深度。第一階段裂縫傾向于在35度時。與此同時，圖9B顯示是模式二沿著裂縫的應力強度因子幅度軌跡?？梢钥闯?，裂縫，在任何情況下，在接觸面的方向從73扭結。這是拉應力幅度最大批量的方向。此外，模式- I SIF的振幅模式對扭結深度是不敏感的，它似乎是所有這些不同的扭結深度的主曲線。沿著這條主曲線，模式一SIF幅值先增加后裂紋長度減小，裂紋的長度。這顯示了在一個區(qū)域內(nèi)其早期裂紋增長的過渡是接觸應力占主導地位所在地區(qū)對他的影響削弱了。最后，它清楚地表明，彎折過程只在第一個階段剪裂縫已發(fā)展到一定的深度。以上力學中兩個階段的微動疲勞裂紋擴展的討論應分析定性不變的加載方向b或墊半徑與力學，因此按照在參數(shù)方面做一些詳細的參數(shù)研究是不必要的。當然，他們是在實際設計中是很重要的。
總之，第一階段的剪切裂縫啟動后，經(jīng)歷了在一個遞減驅(qū)動力下的增長。在的模式-II的裂紋增長的驅(qū)動力變得無效之前，如果在過渡過程中提供足夠的驅(qū)動力，裂紋將切換到一個開放模式。我們現(xiàn)在研究所顯示出來的的早期的微動疲勞的裂紋增長的二階力學過程與以前所廣泛引用的以前實驗觀察的結果是相一致的。它可能將范圍拓展到渦輪發(fā)動機上的燕尾榫上早期的微動疲勞裂紋增長，同時考慮到在配合實際幾何和載荷條件下的模型/預測。
5結語
我們用數(shù)值計算，分析了微動疲勞下的二階斷裂的過程。首先,對一個鳩尾榫連接類的裝置接觸應力場進行了微動疲勞各種參數(shù)的分析，包括疲勞載荷率和接觸區(qū)的摩擦系數(shù)。例如,在載荷比是0.5的情況下，最大切應力振幅被證明是可以發(fā)生在滑粘邊界附近的瞬間和在最小載荷和尾緣的接觸區(qū)負荷高峰的瞬間。相應的角度如下，相應的飛機到達最大切應力振幅的情況下,范圍從5度到45度的接觸表面。兩個最大的標準和最大切應力振幅都集中在開頭和結尾的聯(lián)系—更嚴重的邊緣在后者的位置。
然后,一個裂縫被介紹給標本最高切應力所在地之振幅。計算了裂紋尖端應力場突變型多模光纖為各種各樣的裂紋取向角、不同的長度。結果表明:突變型多模光纖振幅二期先增大后減小,隨著裂紋長度,同時意味著值增加。這表明,第一期的裂縫被逮捕,或者保持較快增長通過切換到開放的模式。因此,一個初始剪切裂縫是故意氣氣在不同深度手動。沿裂紋路徑后,一期彎折期貨振幅被證明是可以提高最初但減少以后的學習。這意味著,第一期角剪切裂縫遲早會成為休眠/被捕狀態(tài),或轉換最初模式中保證其疲勞增長能持續(xù)下去。所有這些數(shù)值計算與以往的實驗定性觀察結果非常吻合。
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大學
畢業(yè)論文（設計）任務書
論文（設計）題目：樹枝粉碎機機身及物料輸送設備的設計
學號： 姓名： 專業(yè)：機械設計制造及其自動化
指導教師： 教授 系主任： 教授
一、主要內(nèi)容及基本要求
主要內(nèi)容：
1、熟悉機身及物料輸送機的結構特點和工作原理，并分析總結物料輸送機設備設計要求以及設計原則。
2、根據(jù)物料輸送機性能參數(shù)設計和輸送機的輸送能力及使用范圍（包括輸送距離，輸送量，輸送物料的種類等）。
3、對機身進行結構設計和輸送機各組成部分進行選型，機身，尺寸確定。畫出二維圖紙，并校核。
4、用PRO/E建機身及輸送裝置主軸、螺旋葉片、料槽等的三維模型。
基本要求：
1、設計說明書一份，要8000字以上。
2、提交CAD圖紙（機身及螺旋輸送機主要構件零件圖、裝配圖、輸送機總狀圖等14 張配圖）。
3、提交PRO/E三維模型。
二、重點研究的問題
通過查找與整理螺旋輸送機的幾個個主要構件（螺旋主軸、螺旋葉片、軸承座等）的資料，查閱相關文獻資料了解螺旋輸送機結構和設計參數(shù)，在此基礎上設計出一套自動輸送樹枝粉碎物料的裝置。進一步熟練使用proe設計三模型，得到螺旋輸送機結構設計部分的裝配圖和若干關鍵零件的 設計圖。合理確定料槽厚度以及葉片的結構，以保證工作裝置各構件能滿足強度和剛度要求。
三、進度安排
各階段完成的內(nèi)容
起止時間
1
查閱相關資料
第一周
2
確定機身各部分組成
第二周
3
確定機身機輸送機各部分的參數(shù)
第三周
4
零部件的設計
第四、五周
5
零部件的強度
第六周
6
零部件的剛度
第七周
7
選定的一種結構設計
第八周
8
畫零件圖
第九、十周
9
畫裝配圖
第十一周
10
撰寫畢業(yè)設計說明書
第十二周
二、 應收集的資料及主要參考文獻
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[11]唐大放,馮曉寧,楊現(xiàn)卿.機械設計工程學[D].徐州；中國礦業(yè)大學出版社,2001(8):8-10.
大學
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 姓名 專業(yè) 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計）題目： 樹枝粉碎機機身及輸送設備設計
評價項目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。
論文
（設計）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或?qū)嶋H應用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2012年5月 日
大學 畢業(yè)設計說明書 題 目：樹枝粉碎機機身及輸送設備設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2012 年 5 月 21 日 I 摘要 隨著人們環(huán)境意識的日益增強，對環(huán)境的要求越來越高，城市廢棄樹枝的隨意堆放 及焚燒被逐漸禁止，廢棄樹枝的處理及綜合利用成了城市園林及環(huán)衛(wèi)部門亟待解決的問題。 目前采用的主要技術方案是將樹枝粉碎后堆肥，用作城市植被、盆栽花卉及樹苗移栽的底 肥。機身作為粉碎機的一個組成部分，是粉碎裝置的基本載體，對粉碎裝置的使用壽命有 很大的保護作用。而粉碎后物料的輸送設備也是連接粉碎后物料與成型室的一個重要裝置， 能保物料能夠連續(xù)不斷的，穩(wěn)定的輸送到成型室中進行成型。 粉碎室機身是粉碎樹枝后的載體是將物料輸送到成型室的首要環(huán)節(jié)，同時機身的設計 對于粉碎裝置的最大效率的實現(xiàn)有很大的輔助意義。它的結構優(yōu)化，噪音的處理，粉碎裝 置的穩(wěn)定性，都具有重要的意義。 對于螺旋輸送機，在工程設計及使用中還存在一些的缺陷，如參數(shù)選擇不合理等。目 前，螺旋公式計算輸送機的設計仍是依靠經(jīng)驗，在經(jīng)驗公式中許多參數(shù)的選擇是在一定范 圍內(nèi)憑經(jīng)驗選取的，這使得螺旋輸送機的設計較落后，無法提高其設計水平和提高產(chǎn)品的 性能。 文中對螺旋輸送機進行了較全面論述，了解了螺旋輸送機的類型、發(fā)展現(xiàn)狀。闡明了 螺旋輸送機的工作原理。并根據(jù)螺旋輸送機的工作原理、工作條件、輸送要求等設計一螺 旋輸送機。該螺旋輸送機用于樹枝粉碎料的水平輸送，根據(jù)輸送量以及輸送路程設計出螺 旋直徑。 最后對螺旋輸送機的安裝及平時保養(yǎng)做出了總結。整個設計對今后的設計工作將有實 際指導意義和價值。 關鍵詞: 機身；上殼體；下殼體；螺旋輸送機;連續(xù)運輸機械;螺旋直徑 Abstract As people's environmental awareness increasing, the requirement to the environment is more and more high, the city deserted branch random stacking and burning was gradually abandoned the ban, the treatment and comprehensive utilization of the city landscape and environmental sanitation departments problems to be solved.At present the main technical proposal is that the branch crushing after composting, as city vegetation, potted flowers and seedlings transplanting fertilizer.The fuselage as the mill is an integral part of, is a basic carrier of crushing device for crushing device, the service life is very protective effect.The crushed material conveying device is also connected crushed material and the molding chamber is an important device, can guarantee the material can be continuous, stable conveying to the molding chamber for forming. Crushing chamber body is crushed branches after the carrier is the material is transported to the molding chamber is the important link, at the same time the design for grinding device for maximum efficiency achievement greatly assisted significance.Its structure is optimized, noise processing, grinding device stability, have important sense. The text of the screw conveyor in a more comprehensive discussion about the type of screw conveyor, the development of the status quo. To clarify the working principle of the screw conveyor. Screw conveyor in accordance with the working principle, working conditions, transportation requirements to design a screw conveyor. The screw conveyor for conveying the level of cement, according to throughput and transmission distance diameter spiral design, computing power, as well as a spiral in accordance with the power to choose a motor, reducer and coupling to solve practical problems. At last, some research work is made about the influences of parameters during screw conveyors conveying bulks. This can direct later research work about screw conveyors design work, and has practical significance. Key Words: screw conveyor; continuous transportation machine; screw diameter 目錄 摘要 ................................................................................................................................................I ABSTRACT ..................................................................................................................................II 第 1 章 粉碎機機身的結構設計 ..................................................................................................1 1.1 樹枝粉碎機的結構設計與參數(shù) ..........................................................................................1 1.1.1 機身的設計要求 ............................................................................................................1 1.1.2 機身材料的選取 ..........................................................................................................1 1.2 機身粉碎室結構尺寸的確定 ..............................................................................................2 1.2.1 粉碎室寬度 B 的確定 ..................................................................................................2 1.2.2 粉碎室上殼體尺寸的確定 ...........................................................................................2 1.2.3 粉碎室下殼體尺寸的確定 ...........................................................................................3 1.2.4 粉碎室下殼體出料口尺寸確定 ...................................................................................4 1.3 機身機架結構尺寸 ..............................................................................................................4 第 2 章 粉碎機螺旋輸送機的設計 ..............................................................................................5 2.1 螺旋輸送機的工作原理及特點 ..........................................................................................5 2.2 螺旋輸送機發(fā)展歷史及趨勢 ..............................................................................................6 2.2.1 螺旋輸送機的發(fā)展歷史 ...............................................................................................6 2.2.2 螺旋輸送機的發(fā)展趨勢 ...............................................................................................9 2.2.3 螺旋輸送機的應用范圍 .............................................................................................10 2.3 螺旋輸送機的發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................................................................................10 第 3 章 螺旋輸送機的設計與參數(shù)選用 ....................................................................................12 3.1 螺旋輸送機的設計方法 ....................................................................................................12 3.1.1 螺旋輸送機的現(xiàn)代設計方法 ....................................................................................13 3.1.2 螺旋輸送機的常規(guī)設計 ............................................................................................14 3.2 螺旋輸送機的具體設計 ....................................................................................................15 3.2.1 螺旋輸送機的選型 .....................................................................................................15 3.2.2 螺旋輸送機的設計計算 .............................................................................................17 3.2.3 螺旋輸送機外形尺寸 ................................................................................................27 3.2.4 螺旋輸送機軸承選擇 ................................................................................................27 3.2.5 螺旋輸送機進出料口裝置 ........................................................................................28 第 4 章 螺旋輸送機的安裝使用及維護 ....................................................................................28 4.1 螺旋輸送機安裝技術條件 ...............................................................................................28 4.2 螺旋輸送機的使用與維護 ...............................................................................................29 總結 ..............................................................................................................................................31 參考文獻 ......................................................................................................................................32 附錄 ..............................................................................................................................................33 1 第 1 章 粉碎機機身的結構設計 1.1 樹枝粉碎機機身的結構設計與參數(shù) 1.1.1 機身的設計要求 機身作為粉碎室的主要載體，粉碎裝置都安裝固定在粉碎室內(nèi)部。機身的機架由全鋼 折彎焊接而成。 機身結構設計應滿足下列要求： (1)機身在滿足強度、剛度的條件下，力求重量輕、節(jié)約金屬。 (2)結構力求簡單，并便裝于其上的所有部件、零件容易安裝、調(diào)整、修理和更換。 (3)結構設計應便于鑄造或烽接和機加工。 (4)必須有足夠的底面積，保證壓力機的穩(wěn)定性。 (5)結構設計應力求減少振動和噪音。 (6)結構設計力求外形美觀。 1.1.2 機身材料的選取 機身結構分為鑄造結構和焊接結構兩種。鑄造結構使用材料有 HT20—40 鑄鐵、QT42— 10 球鐵和 ZG35 鑄鋼等。焊接結構使用材料多為 鋼板，也有用 16Mn 鋼板。鑄造結構的3A 材料比較容易供應，消震性能較好。但重量較重，剛度較差。目前，較適合于成批生產(chǎn)。 焊接結構與之相反，重量較輕，剛度較好，外形比較美觀，但消震性能較差。當前我國鋼 板材料供應不足，焊接技術和工藝裝備有待于進一步提高與充實，因此，只適合于單件小 批生產(chǎn)。對于采用鑄造還是焊接結構，須視各廠具體條件而定。隨著工業(yè)的發(fā)展，焊接結 構必然將更廣泛采用。 鑄造結構盡量使壁厚不要有突然變化，適當加大過渡圓角，減少應力集中。結構設計 需使鑄造和加工方便。焊接結構盡量設計成具有對稱性的截面相對稱性的焊縫位置，以減 少焊接變形，特別是扭曲變形。要合理布置筋板，數(shù)量不宜過多。焊縫應盡量遠離應力集 中區(qū)域，盡量避免用焊縫直接承受主要工作載荷。焊縫避免交叉與聚集，并考慮焊接施工 方便。 總結以上敘述，確定了以焊接結構作為此次機身設計的基礎結構。具體的材料和機身 各部分的尺寸，可查看具體的零件圖。 2 1.2 機身粉碎室結構尺寸的確定 1.2.1 粉碎室寬度 B 的確定 1）轉子直徑 D 的確定 由 得轉子直徑為：??n06?? m 180 6? 2）粉碎室寬度 B 的確定 粉碎機轉子直徑 D 與粉碎室寬度 B 之積可用以下經(jīng)驗公式求得: (2—1)k? 式中：B—粉碎室寬度，mm； k—經(jīng)驗系數(shù),一般取 0.29～0.75； D—轉子直徑，mm。 DB 確定之后, 為了降低噪音, 一般采用大轉子低轉速, 確定要根據(jù)粉碎物料的品種具 體分析。如果以樹枝等物料為主, 要采較小的 B 和較大的 D；如果是以粉碎牧草為主，則 要采用較大的 B 和較小的 D。 將數(shù)據(jù)代入式(3—1)得： B=0.43×600mm =258mm 取整 B=260mm 1.2.2 粉碎室上殼體尺寸確定 1）機身粉碎室上殼體尺寸參數(shù)： 上殼體圓外徑：355mm。 殼體厚度: 5mm。 入料口高度：200mm。 入料口外跨度：200mm。 入料口內(nèi)跨度：160mm。 其他尺寸參數(shù)見下圖： 3 圖 2-1 1.2.3 粉碎室下殼體尺寸確定 下殼體圓外徑：355mm。 出料口高度：210mm。 出料口寬度：270mm。 圖 2-2 4 1.2.4 粉碎室下殼體出料口尺寸確定 圖 2-3 1.3 機身機架結構尺寸的確定 機架的結構是采用焊接結構，機架的立柱與橫梁都是采用厚 10mm，寬 70mm 的 A3 鋼 板折彎而成的，以此為基本構建的一個方形機架用于粉碎室的支撐，圖如下 圖 2-4 5 圖 2-5 第 2 章 粉碎機螺旋輸送機的設計 2.1 螺旋輸送機的工作原理及特點 螺旋輸送機利用帶有螺旋葉片的螺旋軸的旋轉，使物料產(chǎn)生沿螺旋面的相對運動，物 料受到料槽或輸送管壁的摩擦力作用不與螺旋一起旋轉，從而將物料軸向推進，實現(xiàn)物料 的輸送。在水平螺旋輸送機中，料槽的摩擦力是由物料自身重力引起的；而在垂直螺旋輸 送機中，輸送管壁的摩擦力主要是由物料旋轉離心力所引起的。 螺旋輸送機具有以下特點： 1． 結構比較簡單，成本較低。 2． 工作可靠，維護管理簡便。 3． 尺寸緊湊，斷面尺寸小，占地面積小。在港口的卸車卸船作業(yè)中易進出艙口、車 廂。 4． 能實現(xiàn)密封輸送，有利于輸送易飛揚的、熾熱的及氣味強烈的物料，可減小對環(huán) 6 境的污染，改善港口工人的作業(yè)條件。 5． 裝載卸載方便。水平螺旋輸送機可在其輸送線路上的任一點裝載卸載；對垂直螺 旋輸送機配置相對螺旋式取料裝置可具有優(yōu)良的取料性能；利用與物料堆直接接 觸的螺旋軸具有自動取料的能力可作為港口其他類型卸船機械的取料裝置。 6． 能逆向輸送，也可使一臺輸送機同時向兩個方向輸送物料，即集向中心或遠離中 心。 7． 單位能耗較大。 8． 物料在輸送過程中易于研碎及磨損，螺旋葉片和料槽的磨損也較為嚴重。 2.2 螺旋輸送機的發(fā)展歷史及趨勢 2.2.1 螺旋輸送機的發(fā)展歷史 螺旋輸送機的發(fā)展，分為有軸螺旋輸送機和無軸螺旋輸送機兩種型式的發(fā)展過程。有 軸螺旋輸送機由螺桿，U型料槽，蓋板，進，出料口和驅(qū)動裝置組成，一般還有水平式，傾 斜式和垂直式三種:而無軸旋輸送機則采用螺桿改為無軸螺旋，并在U型槽內(nèi)裝置有可換襯 體，結構簡單，物料由進料口輸入經(jīng)螺旋推動后由出料口輸出，整個傳輸過程可在一個密 封的槽中進行。一般來講，我們平常所指的螺旋輸送機都指有軸型式的螺旋輸送機。而對 許多輸送比較困難的物料，人們一直在尋求一種可靠的輸送方法，而無軸螺旋輸送機則是 一種較好的解決方法。 從17世紀中葉，開始應用架空索道輸送散狀物料，到1887年，螺旋輸送機由阿基米德 發(fā)明，后來得到改進，在工業(yè)上廣泛用來輸送散狀、固體物料，隨后經(jīng)過了很長時間的發(fā) 展過程，逐漸研制出了一系列的螺旋輸送機，使得螺旋輸送機有了長足的發(fā)展。 GX型螺旋輸送機是出現(xiàn)較早的一種螺旋輸送機，也是我國最早定型生產(chǎn)的通用性生產(chǎn) 設備。它以輸送粉狀、粒狀、小塊狀物料為主，不適宜輸送易變質(zhì)的，粘性的易結塊的物 料和大塊的物料，因為這些物料容易粘在螺旋上而隨之旋轉，或在吊軸承處產(chǎn)生堵料現(xiàn)象， 給物料輸送過程帶來很大的不便。GX型螺旋輸送機的優(yōu)點主要是節(jié)能、降耗顯著，其頭部、 尾部軸承移至殼體外，具有防塵密封性好，噪聲低，適應性強，操作維修方便，進、出料 口位置布置靈活等;缺點是動力消耗大，機件磨損快，物料在運輸時粉碎嚴重。 LS型螺旋輸送機是在GX型輸送機的基礎上修改設計的新一代螺旋輸送機， LS 型螺旋輸送機特點是結構新穎，性能可靠，技術指標先進，適用范圍廣泛，節(jié)能降耗顯著。 7 另外 ，LS型螺旋輸送機還有多種系列的輸送機產(chǎn)品。LSS系列螺旋輸送機、LSY型螺旋 輸送機、LSF系列螺旋輸送機都是在LS型螺旋輸送機的基礎上逐漸發(fā)展形成的。 LSS系列水平螺旋輸送機是一種固定裝置的機械輸送設備。LSY型是一種非基礎固定式 螺旋輸送機，它可以實現(xiàn)水平、傾斜、垂直全方位和任意姿態(tài)的連續(xù)輸送。它的實用性和 先進性尤其體現(xiàn)于能適應山區(qū)、平原各種野外流動作業(yè)，也適用于化工、冶金工業(yè)企業(yè)和 造紙、建筑工程等行業(yè)。 LSF系列螺旋輸送機是在LS型螺旋機的基礎上改進的，其結構新穎，技術指標先進?？?體而言，該機頭部和尾部軸承移到殼體外部，消除了由于密封不嚴漏料而降低軸承壽命的 可能性:中間吊軸承采用滾動、滑動可以互換的兩種結構，均設防塵密封裝置，密封性強， 耐磨性好;螺旋葉片的表面涂有耐磨材料，增強了葉片的耐磨性:傳動部分采用擺線針輪減 速機，使得整機噪音低，適應性強，操作維修方便。 TLSS系列螺旋輸送機具有結構簡單、密封性能好，無粉塵、噪聲低，能多點送料、卸 料等特點，適用于各行業(yè)的粉狀或顆粒的輸送。該螺旋輸送機橫截面可設計成U形和圓形兩 種，圓形截面輸送機還可作為垂直輸送用。該機廣泛用于面粉、糧油、飼料行業(yè)水平物料 的輸送，并可在其出料端增設料封裝置，形成TLSSF型料封螺旋輸送機，在進料口左側或右 側增設吸風口，專門用于輸送粉碎后的物料。 在各種LS系列輸送機的基礎上，也研制出了一些其他系列和類型的螺旋輸送機。 JT型螺旋輸送機，是一種按工藝布置需要有單機單驅(qū)動(或重疊式，分體雙驅(qū)動)，帶 夾套的全密封型螺旋輸送機。其具有結構緊湊合理，占地面積小，密封性好，工藝布置靈 活等優(yōu)點，適用于輸送要求冷卻或加熱的有毒、易揮發(fā)及具有腐蝕性或怕被污染的物料， 如三聚氰胺、1H口等，可以水平輸送溫度低于250℃的物料，可廣泛應用于化工、醫(yī)藥、食 品、輕工等行業(yè)。 MLG管式螺旋給料輸送機是一種等同采用國際標準的螺旋輸送機，其特點是變螺距，給 料量穩(wěn)定，具有一定的鎖風效果。輸送機長度在特定范圍內(nèi)可由用戶指定選用，用作料倉 底部給料設備時，一般采用傾斜布置，基本可消除物料自流(即沖料)現(xiàn)象。MLG管式螺旋給 料輸送機可用于生料、煤粉、水泥等粉狀物料的給料和短距離輸送。 YS 型圓筒螺旋輸送機，可設計成水平式、傾斜式、垂直式三種類型。FX系列螺旋輸送 機廣泛用于鹽、化工等行業(yè)粉狀物料的輸送及提升，而且可以垂直輸送替代斗式提升機。 隨著運輸機械的發(fā)展，還出現(xiàn)一些新型的特殊用途的螺旋輸送機，如可彎曲螺旋輸送 機，螺旋管輸送機，大傾角螺旋輸送機，成件物品螺旋輸送機，熱交換式螺旋輸送機，微 8 粉螺旋輸送機，新型冷卻螺旋輸送機等。 可彎曲螺旋輸送機可實現(xiàn)空間可彎曲輸送物料，有水平型，垂直型，還可以布置成其 他型式?？蓮澢菪斔蜋C的螺旋體心軸為可撓曲材料，輸送線路可根據(jù)需要按空間曲線 任意布置，避免物料轉載，不設中間軸承，阻力小，當機殼內(nèi)進入過多的物料或有硬塊物 料時，螺旋體會自由浮起，不會產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象;噪音小。 螺旋管輸送機也稱滾筒輸送機，其為螺旋輸送機的一種變態(tài)形式，為內(nèi)螺旋輸送機。 在其圓筒形機殼內(nèi)焊有連續(xù)的螺旋葉片，機殼與螺旋葉片一起轉動，加入的物料由于離心 力和管壁的摩擦力的作用隨機殼一起轉動并被提升，然后在物料的重力下，又沿螺旋面下 滑，實現(xiàn)物料的向前移動。如同不旋轉的螺桿沿著轉動的螺母做平移運動一樣，達到輸送 物料的目的。 螺旋管輸送機工作時沒有卡殼、阻塞現(xiàn)象，對谷物破碎小，適于輸送含雜較多的谷物、 經(jīng)烘干機處理后的熱谷物以及谷物種子。如果在螺旋管壁上銷上不同直徑的孔眼，還可在 輸送的同時完成物料的篩分工作。 大傾角螺旋輸送機輸送原理是，由于大傾角螺旋輸送機的螺旋轉速較高，物料在它的 推動下，產(chǎn)生較大的離心力，傾角越大，轉速越高，離心力也越大。這種離心力足以使物 料克服它與螺旋葉片之間的摩擦力而被壓向螺旋葉片的周圍，呈環(huán)狀分布。被壓向螺旋葉 片周圍的物料與輸送管內(nèi)壁形成了新的摩擦阻力，當這種阻力達到足夠大時，便能克服物 料本身重力及其它力所引起的下滑力，在螺旋葉片的推動下，物料又克服它與螺旋葉片間 的和它與輸送管內(nèi)壁間的兩個摩擦阻力，從而以比螺旋轉速較低的旋轉速度上升，直到出 料口卸出。 熱交換式螺旋輸送機，廣泛用于化工、糧食加工以及礦物處理等行業(yè)，如冷卻鍋爐爐 渣、冷卻礦渣、加熱千燥多種化工產(chǎn)品以及糧食或飼料等，是一種特殊的高效熱交換器， 同時也起輸送物料作用，并完成對物料的攪拌、混合、冷卻、加熱或千燥等工藝。 輸送微粉的微粉螺旋輸送機，具備合理的螺旋軸結構，有很好的密封性能，穩(wěn)定的微 粉原料的輸送速率，能減少懸料及降低過沖量。微粉輸送技術已用于設計微粉螺旋輸送機 上，并且在玻璃纖維池窯拉絲配料生產(chǎn)線上得以應用，經(jīng)生產(chǎn)運行，達到輸送微粉原料的 目的，滿足了生產(chǎn)的需求。 成件物品螺旋輸送機可以對成件、大型物料進行輸送，它由兩根相互平行的表面焊有 左、右旋螺旋形鋼條的兩根鋼管組成，輸送距離較長的可以分為幾斷。 螺旋扒谷機(4,61，由螺旋喂料機構與傾斜移動式螺旋輸送機組合而成。喂料機構主要 9 有兩種結構形式，一種型式是螺旋體一半為左旋，一半為右旋，工作時自兩側向中心匯集 物料;第二種型式是螺旋體只有一個旋向，但是可以上下左右移動，以擴大扒谷范圍，減少 移動次數(shù)。 對轉螺旋輸送機，其輸料管與螺旋體都旋轉，但旋轉方向相反。這種新穎的垂直螺旋 輸送機填充率高達70-90%。當螺旋體轉速與輸料管以一定的轉速相配時，可觀察到物料并 無旋轉運動而只有垂直上升運動。它的工作原理不能再用單一顆粒受到離心力的作用來說 明，而應對整個物料柱的運動進行分析。在這方面還需要作進一步研究。 復式螺旋輸送機，同一料槽內(nèi)裝上轉向相反的兩個螺旋體，加上驅(qū)動裝置，就構成了 復式螺旋輸送機。它能同時完成兩種不同物料的輸送，并且占地面積小，相對空間尺寸也 小。 雙向螺旋輸送機，同一螺旋軸上的兩半節(jié)上，分別焊有左旋葉片和右旋葉片，這是雙 向螺旋輸送機的主要特點。它可以向兩個方向同時輸送同一種物料，即將物料從兩端集向 中心，或從中部進料后輸向兩端。 變螺距螺旋輸送機，這種螺旋輸送機的螺距沿前進方向是變化的。葉片焊接或由疏漸 密，或由密漸疏，適合港口卸船用或飼料工業(yè)中作配料設備用。 2.2.2 螺旋輸送機的發(fā)展趨勢 縱觀螺旋輸送機的發(fā)展歷程，可以預見未來的發(fā)展方向主要有以下幾方面: 1.大運量 、高速度、長使用壽命。高速度即意味著高生產(chǎn)率，減少單位時間生產(chǎn)成 本.磨損是限制螺旋輸送機壽命的主要原因，減少物料與螺旋之間的摩擦系數(shù)，增加螺旋軸 的耐磨性，改善物料的性能，可以較大程度提高輸送機的使用壽命。 2.低能源消耗及降低能量消耗.螺旋輸送機的能源絕大部分都消耗在摩擦損失上。因此 降低能源消耗是研究和設計螺旋輸送機急待解決的難題和發(fā)展方向。 3.智能化發(fā)展。未來的螺旋輸送機應與電腦密切聯(lián)系，適合程序控制、智能操作。物 料的裝卸、機器安裝與維護都應能實現(xiàn)智能化管理。 4.空間可彎曲輸送。為了克服水平和垂直螺旋輸送機由于構造上的限制而只能直線輸 送物料的不足，近年來出現(xiàn)了可彎曲螺旋輸送機，彈簧輸送機等。另外其他各種輸送機也 應為了實現(xiàn)空間、可彎曲輸送研制新的機型。 5.組合復合化輸送，向著大型化發(fā)展。使用螺旋輸送機，結合各種連續(xù)輸送機械，來 完成復雜的物料輸送。大型化包括大輸送能力、單機長度和大輸送傾角等幾個方面。 10 6.擴大使用范圍。目前，螺旋輸送機的使用范圍受到限制，要擴大其使用范圍，研究 能在高溫、低溫條件下有腐蝕性、放射性、易燃性物質(zhì)的環(huán)境中工作的，以及能輸送熾熱、 易爆、易結團、粘性物料的螺旋輸送機。 7.環(huán)保意識設計，減少污染，實現(xiàn)綠色設計的目標。傳統(tǒng)的連續(xù)運輸機械是敞開狀態(tài) 下輸送物料的，在輸送粉狀、顆粒狀物料時，物料散落飛揚，嚴重影響周圍的環(huán)境，特別 是在輸送水泥、化肥、礦石、煤炭、谷物等粉末易飛揚物料時尤顯嚴重。為了解決這個問 題，人們應當提前研制多種形式的環(huán)保型輸送機，而螺旋輸送機對于解決這個難題，無疑 具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展空間。 2.2.3 螺旋輸送機的應用范圍 螺旋輸送機廣泛應用于糧食工業(yè)、建筑材料工業(yè)、化學工業(yè)、機械制造業(yè)、交通運輸 業(yè)等國民經(jīng)濟各部門中。 螺旋輸送機主要用于輸送各種粉狀、粒狀、小塊狀物料，所輸送的散粒物料有谷物、 豆類、面粉等糧食產(chǎn)品，水泥、粘土、沙子等建筑材料，鹽類、堿類、化肥等化學品，以 及煤、焦炭、礦石等大宗散貨。螺旋輸送機不宜輸送易變質(zhì)的、粘性大的、塊度大的及易 結塊的物料。除了輸送散粒物料外，亦可利用螺旋輸送機來運送各種成件物品。 螺旋輸送機在輸送物料的同時可完成混合、攪拌、冷卻等作業(yè)。在港口，螺旋輸送機 主要用于卸車、卸船作業(yè)以及倉庫內(nèi)散粒物料的水平和垂直輸送。利用與物料直接接觸的 水平螺旋軸將物料逐層從車廂兩側卸下的螺旋卸車機在國內(nèi)港口已有多年的成功使用經(jīng)驗。 由水平螺旋輸送機、垂直螺旋輸送機以及相對螺旋取料裝置組成的螺旋卸船機，已成為一 種較為先進的連續(xù)卸船機型，日益廣泛地應用于國內(nèi)外散貨專用碼頭。螺旋輸送機在港口 除直接用于卸船作業(yè)以及輸送物料外，常利用其裸露的螺旋具有收集物料的功能而作為其 他類型卸船機的取料裝置。 2.3 螺旋輸送機的發(fā)展現(xiàn)狀 螺旋輸送機由于其結構簡單，操作維護簡便，在輸送物料場合得到了廣泛的應用，但 是其輸送效率卻比較低。國內(nèi)關于這方面的研究情況也比較多. 在 19 97 年4月，洛陽工業(yè)高等?？茖W校趙紅霞，劉建壽和李志容和堰師水泥廠的常松芝， 從螺旋葉片結構尺寸出發(fā)，對輸送機螺旋葉片結構尺寸的優(yōu)化問題做了深入的研究和探索。 螺旋輸送機的輸送效率高低與螺旋葉片結構尺寸和葉片與物料之間的摩擦系數(shù)有關，對輸 送某種物料而言，其摩擦系數(shù)為一定值，那么主要的就是螺旋葉片結構尺寸對輸送效率高 11 低的影響。如何使得螺旋輸送機獲得最佳的輸送效率，就有必要對螺旋葉片結構尺寸進行 優(yōu)化。 對螺旋輸送機存在的輸送功率問題，許多專家學者做過很多這方面的研究工作。一般 來講，按照通用計算公式算出的螺旋輸送機螺旋軸功率往往小于實際的需要值，對于這個 實際的問題，武漢食品工業(yè)學院的龐美榮和王春維根據(jù)調(diào)查和實例，對螺旋軸進行了理論 分析，提出了推薦計算公式，并將推薦計算公式和通用計算公式結合起來，進行計算比較 對照，得出推薦計算公式與實際需要符合得很好這樣的結論。 螺旋輸送機的選型問題，水平螺旋輸送機的選型設計中，主要是根據(jù)輸送物料性質(zhì)、 輸送量、輸送機類型、輸送距離和輸送傾角來確定螺旋體的尺寸、螺旋轉速和功率。正確 地選型設計汁算是選擇設備的關鍵。采用手工設計效率低、易出錯。隨著計算機的發(fā)展把 這一過程交給計算機完成，從而實現(xiàn)計算機對水平螺旋輸送機的選型設計。華東理工大學 機械工程學院李英和武漢工業(yè)學院許諾，劉光蓉，對螺旋輸送機的選型問題，結合計算機 技術做了有效的工作，他們建立了水平螺旋輸送機選型設計的數(shù)學模型，在平臺下，利用 面向?qū)ο蟮某绦蛟O計，實現(xiàn)了水平螺旋輸送機計算機選型設計。參數(shù)輸入、參數(shù)輸出和圖 形顯示設計在同一界面上，采用自動、標準和人工三種方式對中間計算所得參數(shù)進行圓整、 取值，使用方便。 在螺旋輸送機的實際使用過程中，常常產(chǎn)生故障而影響生產(chǎn)，對于這些問題，很多的 學者做過螺旋輸送機的故障分析和總結。2001年馬洪祥就對碳酸鉀生產(chǎn)過程中螺旋輸送機 所產(chǎn)生的故障原因進行分析，并提出了改進方法，取得了很好的效果。2002年，山東建設 機械股份有限公司濟南北方機械廠的韓其迎，也對螺旋輸送機的使用提出了幾點改進方法。 為保證螺旋輸送機有可靠的動力輸入，將原先的圓柱齒輪減速機換為輸出扭矩較大、效率 高、體積小、質(zhì)量輕的擺線針輪減速機，提高了產(chǎn)品的承載能力，傳動更加平穩(wěn)。采用變 螺距技術提高螺旋輸送機的輸送能力。螺旋機進料段用較小螺距，中間段螺距增大10- 20mm，輸出節(jié)螺距再增大10-20mm。這樣使輸入節(jié)粉料填充量大，中間段和輸料段隨螺距變 大、填充量減小，可有效防止高流動性粉料在輸送時發(fā)生倒流或堵塞現(xiàn)象。按一般規(guī)律， 螺旋輸送機在功率、螺距、轉速、物料容重及填充系數(shù)相同的條件下，生產(chǎn)率隨工作傾角 加大而降低，而且呈一種非線性關系。綜合考慮攪拌設備的整體結構和螺旋機生產(chǎn)率要求， 螺旋機的工作傾角調(diào)整在 左右較為適宜。螺旋輸送機一般采用水平或傾斜向上送料方035 式，螺旋軸的防松主要由前支座完成。前支座內(nèi)設有止推軸承，由雙螺母加單耳止動墊圈 12 相互加緊對其壓緊和防松。為了增強防松效果，在前端螺母兩側加設緊定螺釘。 對于新型螺旋輸送機的研究，也取得了很多的進展。大傾角螺旋輸送機是替代由斗式 提升機和水平螺旋轉送機所組成的聯(lián)合水泥輸送系統(tǒng)，作為混凝土攪拌站配套的水泥計量 斗的喂料設備，其結構簡單，運轉可靠，造價低廉，維修方便，取得了較快的發(fā)展和應用。 大傾角螺旋輸送機是采用變螺距螺旋葉片，下端加料區(qū)段螺距較小，上面輸送區(qū)段螺距較 大，這樣能使加料區(qū)段的充填系數(shù)為1,輸送區(qū)段也能得到最佳的充填系數(shù)0.5到0.7， 從而 能使輸送機輸送的比能容降低50%，而且還可防止高流動物料在輸送時倒流。 總之 ，現(xiàn)在對于螺旋輸送機的研究越來越收到各界的重視，而且國外也有了很多的研 究成果。在國內(nèi)的研究成果相對于國外來比較，研究成功還較少，還不是很先進。 第 3 章 螺旋輸送機的設計與參數(shù)選用 目前，在工程上，螺旋輸送機的設計還主要是依靠工程技術人員憑借經(jīng)驗，依靠傳統(tǒng)的 設計方法來進行設計工作，設計工作量大，而且繁瑣。在水平螺旋輸送機的實際使用中， 還存在很多問題，尚待研究和解決，如輸送量低，機械功率不高，物料堵塞和物料流難以 控制等。 3.1 螺旋輸送機的的設計方法 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，螺旋輸送機己經(jīng)成為國民經(jīng)濟各部門生產(chǎn)過程中的重要 組成部分，正朝著長距離、大運量、高速度方向發(fā)展。為了使輸送機安全可靠地運行，其 結構系統(tǒng)必須具有良好的靜、動態(tài)特性，傳統(tǒng)的設計方法己不能滿足設計要求，必須采用 現(xiàn)代設計方法對輸送機系統(tǒng)進行設計。 傳統(tǒng)的機械設計方法是以經(jīng)驗、感性、靜態(tài)手工式勞動為基礎的一種設計方法，包括 下列各種方法: 類比設計方法:類比設計方法是基于與舊有的同類或相似的機器作比較而進行新機器設 計的一種設計方法。依據(jù)這種方法，在設計之前，首先要以工藝對設備所提出的性能要求 為依據(jù)，同時參照舊有的類似機器設備，依靠經(jīng)驗估計，針對舊有設備的缺點加以改進， 從而擬定出一個或幾個新的設計方案，進而分析比較，擇其較好的方案或集中諸方案的優(yōu) 點做出最終的設計方案。顯然，它是基于設計者的經(jīng)驗積累進行局部創(chuàng)新而形成的一種設 計方法。這種設計方法的設計工作量很大，設計周期很長?，F(xiàn)仍被廣泛采用。 試算法 : 此法是以一定的理論公式為依據(jù)，在一定的技術條件下算得相應的參數(shù)值， 若所得結果不理想，則改變技術條件，重新計算，循環(huán)往復，直至獲得感性認為是理想的 13 結果。它的計算工作量也很大，且難于取得真實的理想結果。但在計算工具不足的情況下， 目前國內(nèi)仍大量采用。 表格法 : 它是根據(jù)一定的理論公式，參照常用的尺寸系列和材料參數(shù)，預制出系統(tǒng)表 格，以供設計時使用，此法減少工作量，提高設計速度。但是這個方法難取得理想的結果。 圖算法 : 此法的原理與表格法相同，但有不同于表格法。圖算法是使用按一定的比例 尺繪制成的專用圖線一諾模圖來進行設計。其計算工作量大大減少，所計算的結果要比表 格法改進許多。 3.1.1螺旋輸送機現(xiàn)代設計方法 現(xiàn)代設計方法是一個科學的、理性的、動態(tài)的和計算機化的過程。它采用當代的技術 手段和方法來提取最合理的數(shù)據(jù)，使設計的結果達到最優(yōu)。依據(jù)這種方法，首先對設計的 各種原始數(shù)據(jù)進行分析，取得有利的信息，得出最經(jīng)濟合理的參數(shù);然后，在設計過程中進 行各種性態(tài)和指標分析，確定出設計對象的全部數(shù)據(jù);最后，評價、測試和診斷設計的質(zhì)量 及可能出現(xiàn)的問題，并確定出相應的對策。 科學類比與相似分析:科學類比與傳統(tǒng)設計方法中類比設計法的區(qū)別，在于科學類比把 某些現(xiàn)代化分析方法引入進來，從而構成一種類比推理方法，使得舊有的類比法由低級上 升到高級階段。根據(jù)類比過程所側重的因素之不同，科學類比法有以下幾種:因果類比、對 稱類比、協(xié)變類比、綜合類比等。通過科學類比，可對設計對象的總體結構及其各組成部 分的相互關系，有一個明確的了解，以便進行下一步的系統(tǒng)分析。 相似分析是屬于科學類比法范疇。為了避免大量的重復性勞動，對于同類的設計對象， 可采用相似分析和計算，比如采用量綱分析法等等，確定設計對象與參考對象的結構、參 數(shù)之間的數(shù)學模型關系，獲得新設計對象的有關參數(shù). 系統(tǒng)分析與動態(tài)系統(tǒng)分析:這里系統(tǒng)，都是指動態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)分析就是把設計對象當作 一個完整的系統(tǒng)，然后將其分成若干個子系統(tǒng)和構成子系統(tǒng)的元素，進而進行分析和綜合， 確定每一個系統(tǒng)和元素的輸入、輸出，以及它們之間如何轉換等等。機器中的一切零件、 部件和傳動系統(tǒng)都理解為系統(tǒng)，它們均通過邊界與其毗鄰的系統(tǒng)相分離，又通過輸入信號 和輸出信號與毗鄰的系統(tǒng)相聯(lián)系，此即系統(tǒng)工程在設計中的應用。 有限元設計:目前，有限元設計方法是應用很多很廣泛的一種方法。有限元設計方法是 根據(jù)變分原理求解數(shù)學物理問題的一種數(shù)值計算方法。它能整體、全面、多工況隨意組合， 14 進行靜力、動力、線性和非線性分析，對完成復雜結構或自由度系統(tǒng)的分析十分有效。有 限元能針對機械實際使用機構邊界條件進行定量的分析計算，并提供豐富的、反映實際工 況的計算結果，并可配有豐富的動態(tài)圖形顯示功能。國內(nèi)外己涌現(xiàn)出大量有關有限元分析 的成熟軟件，這將促使有限元法的不斷推廣和應用。對于復雜的結構物體，可視其當作為 由有限個單元體的組合體來研究，其中各單元體之間只在有限個節(jié)點處相連接。 在有限元分析法中，為了減少計算工作量，近年來發(fā)展了一種邊界元法。它把域內(nèi)控 制方程變換成邊界上的積分方程，再通過邊界離散化處理轉化成代數(shù)方程來求解。這樣， 既可以使問題的維數(shù)降低，又可使計算精度提高，而且其數(shù)學原理簡單易懂。有限元分析 方法多應用于結構計算和場域計算。 計算機輔助設計(CAD):隨著市場競爭的加劇，不僅要求縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代周期，而且 還要求產(chǎn)品由原來的單一產(chǎn)品、大批量生產(chǎn)模式，轉向多品種、高質(zhì)量、小批量生產(chǎn)模式。 傳統(tǒng)的人工設計方式己經(jīng)不能適應這種變化的要求。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，已有各 種性能良好的計算機硬件及外圍設備陸續(xù)問世。計算機技術也有很大的提高，發(fā)展了數(shù)據(jù) 庫技術，開發(fā)了大量的圖形軟件。這些都促進了CAD技術的應用和發(fā)展。目前美國、德國、 日本等一些大公司都廣泛應用CAD方法進行機械方面的設計。我國也己開發(fā)多種CAD系統(tǒng)， 各大中型企業(yè)也都相繼采用CAD方法進行機械的設計計算與繪圖。今后CAD技術的應用在廣 度和深度方面會有更大的發(fā)展。 模塊化設計:模塊化設計是工程設計的發(fā)展方向之一。它根據(jù)模塊化原則，設計一些基 本模塊單元，通過不同的組合形成不同的產(chǎn)品，己滿足用戶的多種需求。模塊化設計以功 能分析為基礎，將機器上同功能的基本單元、復合單元、，設計成不同用途、不同功能的 模塊。選用不同模塊進行組合可形成各種不同類型和規(guī)格的通用和專用機器。采用模塊化 設計，不僅是一種設計方法的改革，同時會影響到整個機械行業(yè)的技術、生產(chǎn)和管理。目 前，模塊化設計在我國工程機械設計時也有了初步應用。 仿真設計:國內(nèi)外近年來在機械設計中采用了動態(tài)仿真設計新方法，即用計算機對機構 與結構在各種工況下承受載荷進行運行狀態(tài)及隨時間變化過程仿真模擬，得到仿真輸出參 數(shù)和結果，以此來估計和推斷實際運行的各種數(shù)據(jù)，并在對機器進行動態(tài)分析計算時用。 除了這種承受載荷和結構響應的動態(tài)仿真外，還有一種就是動畫仿真。由于大多機械在工 作過程中，工作場地會有去多障礙物，如房屋、橋梁、樹木等。如果沒有實現(xiàn)設計好路線， 可能會造成一定的損失，在這種情況下，國外一些企業(yè)做出了一些模擬現(xiàn)實軟件，可以模 擬整個工程的運行過程。 15 目前，現(xiàn)代設計方法己經(jīng)在許多領域得到運用。動態(tài)設計、優(yōu)化設計、計算機輔助設計是 現(xiàn)代設計方法的核心?？梢哉f，現(xiàn)代設計法遠遠勝過傳統(tǒng)設計法，它將廣泛應用在各個科 技領域。它的發(fā)展和推廣使用，將對我國科學技術的進步起著重要的促進作用。 3.1.2螺旋輸送機的常規(guī)設計 目前，我國有兩種定型產(chǎn)品，即LS型和GX型螺旋輸送機。LS型螺旋輸送機是GX型螺旋 輸送機的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其所有參數(shù)均等效采用ISO 1050-75及DIN 15261一1986標準，設 計制造遵循ZBJ 81005一88《螺旋輸送機》(新標準為JB/T 7679-95《螺旋輸送機》)171。 總之，螺旋輸送機的常規(guī)設計方法還是以從標準或設計選用手冊為基準，在結合以前 的設計經(jīng)驗來進行設計。在設計前需要掌握足夠的設計依據(jù)和經(jīng)驗，如果不具備足夠的設 計經(jīng)驗，即使采用先進的設計方法，其設計效果也不會很好。同時還要強調(diào)系統(tǒng)設計的重 要性 3.2 螺旋輸送機的具體設計 螺旋輸送機的具體設計包括：①根據(jù)輸送條件和要求選擇合適類型的螺旋輸送機。② 根據(jù)具體輸送要求計算螺旋直徑，選擇螺旋類型和布置形式。③根據(jù)設計手冊選擇合適參 數(shù)確定輸送機的外形和尺寸。⑤繪制螺旋輸送系統(tǒng)的總裝圖和部分重要零件圖。 3.2.1 螺旋輸送機的選型 設計螺旋輸送機系統(tǒng)時，往往需要考慮下列問題: 1.合理的裝載方式，提出給料裝置和卸料裝置的要求. 2.輸送機線路上輸送機之間的相互關系。啟動順序是受料的輸送機先驅(qū)動，停車順序 是給料的輸送先停機，當各螺旋輸送機的參數(shù)(如長度，驅(qū)動裝置)不同時，通過這一關系 可以提出啟動時間和停機時間的要求。 3.不能滿足上面的啟動和停機順序的要求時，需要考慮在螺旋輸送機間增設緩沖倉以 提高系統(tǒng)的適應能力和系統(tǒng)的運轉率。 4.環(huán)保要求。對于粉塵大的情況，要考慮采用密封輸送或者設置必要的除塵設備。 5.零部件的標準化和通用化及易損件的供貨可能性。 Ⅰ根據(jù)設計要求(輸送物料為樹枝粉碎物料，粉狀物體磨琢性較大。進行 1.3m 的水平 輸送)我們選擇水平螺旋輸送機，傾斜角度為 ，如下圖所示：0 16 圖 4—1 水平螺旋輸送機 1——入料口；2——傳動軸一；3——螺旋葉片；4——無縫鋼管；5——出料口； Ⅱ選擇螺旋輸送機的布置形式 水平螺旋輸送機根據(jù)螺旋的旋向、螺旋軸的旋轉方向、以及裝料口與卸料口位置確定了 螺旋輸送機布置形式： 圖 4—2 水平螺旋輸送機布置形式 Ⅲ螺旋軸由螺旋葉片與軸組成。 ⑴制造方法 螺旋葉片一般由鋼板沖壓而成，然后焊接在無縫剛過軸上，且在各葉片間加以焊接。對 于輸送磨琢性較大的物料或輸送距離較短的輸送機，螺旋面可采用由扁鋼扎制而成的節(jié)段 套裝在軸上而形成。 ⑵螺旋的旋向、頭數(shù)與母線 螺旋軸上的螺旋葉片有右旋與左旋兩種，物料的輸送方向是由螺旋的旋向與螺旋軸的轉 17 向所確定的。螺旋頭數(shù)可以是單頭、雙頭或三頭的，多頭螺旋主要用于需要完成攪拌及混 合作業(yè)的輸送裝置中。螺旋面的母線通常采用垂直于螺旋軸線的直線，采用這種螺旋葉片 形式的螺旋稱為標準形式螺旋，以輸送物料為目的的水平螺旋輸送機應首先考慮采用標準 形式的右旋單頭螺旋。 ⑶螺旋葉片的形狀 螺旋葉片有實體式、帶式、葉片式、齒輪式四種形狀，應根據(jù)被輸送物料的種類、特性 進行選用。實體式螺旋式最常用的形式，適用于流動性好的、干燥的、小顆粒或粉狀的物 料。 所以綜合選擇實體式葉片形狀如下圖所示： 圖 4—4 螺旋面形狀 3.2.2 螺旋輸送機的設計計算 ㈠ 螺旋輸送機設計參數(shù)的確定 螺旋輸送機的這些基本參數(shù)都是影響輸送能力的因素。由于物料在螺旋輸送機中的運 動狀況、允許的物料輸送量及速度是由物料特性所決定的，所以輕的、松散的和非磨琢性 18 的物料與重的磨琢性物料相比，可以在u形槽內(nèi)裝得滿一些，轉軸的轉速也可高些。最大推 薦軸轉速為上極限轉速，對于大多數(shù)螺旋輸送機來說，所選定的螺旋軸的工作轉速約為最 大推薦軸轉速的一半。下面來具體的分析這些參數(shù)的確定。 ⒈ 輸送物料的運動分析 物料在旋轉輸送機中的運動，不隨螺旋體轉動，而只在旋轉的螺旋葉片推動下沿螺旋 向前移動。物料顆粒在輸送過程中，物料的運動由于受旋轉螺旋的影響，物料的運動并非 是單純的沿軸線作直線運動，而是在一直復合運動中沿螺旋軸運動，是一個空間運動。 當螺旋面的升角a在展開的狀態(tài)時，螺旋線用一條斜直線來表示，則旋轉螺旋面作用于 半徑為r(離螺旋軸線的距離)處的物料顆粒A上的力為乓。由于磨擦的原因，凡的方向與螺 旋線的法線方向偏離了OP角。此力可分解為切向分力P,j和法