论文总字数：21175字

摘 要

本文针对高粘度以及固体物料的输送，以水泥为原料设计一台螺旋输送装置，包含驱动电机的选型、减速器设计以及螺旋轴等设计。本次设计主要采用文献法、经验总结法、计算验证法完成主要参数的设计。

首先通过相关的经验公式，计算出螺旋输送装置的螺旋轴部分的主要参数，求得输送量为1.836t/h，螺旋叶片直径为80mm，螺距为80mm，螺旋面升角为，螺旋主轴直径为24mm，螺旋主轴转速为100r/min，传动功率为0.146242kw。

然后查阅机械设计（第七版），现代机械设计手册，机械设计课程设计手册，确定了电动机型号为Y2-712-4，计算得高速小齿轮模数为1.25，分度圆直径为16.25mm，齿宽为16.3mm，齿数为13:；高速大齿轮模数为1.25，分度圆直径为67.5mm，齿宽为11mm，齿数为54；低速大齿轮模数为1.75，分度圆直径为24.5mm，齿宽为25mm，齿数为13；低速大齿轮模数为1.75，分度圆直径为76.5mm，齿宽为20mm，齿数为45；最后结合减速器的具体结构，确定了高速轴，中间轴，低速轴各轴段的直径和长度。

最后利用CAD绘制零件图和减速器的装配图。

关键词：螺旋输送装置，参数设计，CAD

The design of the screw conveyor

ABSTRACT

In this paper, the high viscosity and solid materials transportation, cement as raw material to design a screw conveyor device, including the drive motor selection, reducer design and screw axis design. This design mainly uses the literature method, the experience summary method, the computation verification method completes the main parameter design.

First through the relevant empirical formula to calculate the main parameters of the spiral conveying device of the screw shaft part, obtained throughput for 1.836t/h, spiral blade diameter of 80mm, the pitch is 80mm, the ascending angle of helix surface is , the screw shaft diameter is 24mm, screw spindle speed is 100r/min, transmission power is 0.146242kw.

Then refer to Mechanical Design (7th), Modern Mechanical Design Manual, Mechanical Design Manual, the motor model Y2-712-4, calculation of high speed small gear module 1.25, pitch diameter is 16.25mm, the tooth width is 16.3mm, the number of teeth is 13:; high speed gear wheels module 1.25, pitch diameter is 67.5mm, tooth width 11mm, tooth number is 54; low speed gear module 1.75, pitch diameter is 24.5mm, the tooth width is 25mm, the number of teeth is 13; low speed gear module 1.75, pitch diameter is 76.5mm, the tooth width is 20mm, the number of teeth is 45; the specific structure of the reducer the high speed shaft, intermediate shaft, low speed shaft, the shaft section diameter and length.

Finally, drawing the assembly diagram of the parts drawing and reducer with CAD.

KEY WORDS: Screw conveyor, Parameter Design, CAD

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1螺旋输送装置简述 1

1.2 螺旋输送装置的工作原理 1

1.3螺旋输送机的类型 1

1.4螺旋输送装置的主要结构 2

1.4.1螺旋叶片 2

1.4.2螺旋主轴 4

1.4.3轴承 4

1.4.4螺旋机壳 4

1.5螺旋输送装置的优化研究 5

1.6 螺旋输送装置的应用以及存在的问题 6

第二章 螺旋输送装置的设计与选择 7

2.1 螺旋输送装置的设计条件 7

2.2 输送物料的运动分析 7

2.3 螺旋叶片的计算 9

2.4 螺旋输送装置转速计算 10

2.5 螺旋机壳内径计算 11

2.6 螺旋主轴直径计算与校核 11

2.6.1主轴的应力计算 11

2.6.2主轴所受的扭矩计算 12

2.7轴承与联轴器的选择 13

2.8 传动功率的确定 13

2.9本章小结 14

第三章 电动机选型及减速器设计 15

3.1 电机的选型 15

3.2减速器设计 15

3.2.1 减速器的选型 15

3.2.2 传动装置总传动比的确定及各级传动比的分配 16

3.2.3 传动装置的运动参数和动力参数计算 17

3.2.4 高速级齿轮的设计 17

3.2.5 低速级齿轮的设计 21

3.2.6 轴的设计计算 25

3.3本章小结 31

第四章 螺旋输送装置的安装和使用维护 32

4.1 螺旋输送装置的安装调试 32

4.2 螺旋输送装置的使用维护 32

结论与展望 34

参考资料 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1螺旋输送装置简述

螺旋输送装置是一种没有挠性牵引构件的连续输送装置，其结构简单，横向尺寸紧凑，操作方便，便于维护，可封闭输送，物料不易抛洒，灰尘不易外扬，污染小；可水平安装，倾斜安装和垂直安装。1887年，第一台螺旋输送装置由阿基米德发明，后经改进和不断完善，逐渐研制出了多种类型的螺旋输送装置，在冶金、建材、化工、粮食及机械加工等领域有着广泛的应用。我国目前采用的螺旋输送机有GX系列和LS系列^[1]，GX螺旋输送机是我国最早定型生产的通用性生产设备，LS螺旋输送机是在GX螺旋输送机的基础上修改设计的新一代螺旋输送装置。

1.2 螺旋输送装置的工作原理

螺旋输送装置主要是依靠带有螺旋叶片的轴在封闭的料槽中旋转或令带有内螺旋叶片的圆筒旋转从而推动物料运动，水平螺旋输送装置主要利用摩擦力输送物料，垂直螺旋输送装置主要利用离心力输送物料，物料在输送过程中会与螺旋输送装置内部产生剧烈摩擦，有被碾碎的可能，装置本身的能耗和机件磨损也较为严重，因此螺旋输送装置不宜过长，一般不超过70m，输送能力一般小于100t/h。另外，螺旋输送装置在输送的过程中还可以起到搅拌、混合的作用，例如在饲料的输送过程中，饲料受螺旋旋转的影响，会在一复合运动中沿螺旋轴做一个空间运动，从而起到搅拌、混合的作用^[2]。

1.3螺旋输送机的类型

(1)螺旋输送装置可分为普通螺旋输送机、螺旋管输送机、垂直输送机和可弯曲螺旋输送机四大类^[3]。也可分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机，我们平时所说的螺旋运输装置一般是指有轴螺旋输送机。

(2)螺旋输送装置的螺旋叶片主要有满面式、带式、月牙式和锯齿式。螺旋片主要有满面式、带式、月牙式和锯齿式。满面式主要用来输送干燥后的粉状、粒状及有沾附性的物料，其推力大、效率高，是应用最广的一种；带式多用于输送较大粒状块状和捎带粘性的物料，也可进行两种物料的混合作业；月牙式是将月牙状的叶片按输送方向，以一定距离用螺钉固定在螺旋轴上形成的螺旋，其角度按物料推进方向和速度可以很方便地加以调节，具有强烈的搅拌作用，适用于输送潮湿发粘和易挤压成块的物料；锯齿式适用于输送粘性大和腐蚀性强的物料，同时具有搅动和松散的作用。

(3)螺旋输送机的螺旋叶片分为左旋与右旋两种旋向。

1.4螺旋输送装置的主要结构

螺旋式输送装置的结构如图1-1所示。主要由传动轴1、头部轴承2、进料口

主轴4、吊轴承5、螺旋叶片6、支座7，9、出料口8和机壳10所组成。

图1-1 螺旋式输送装置结构

刚性的螺旋体通过头、尾部和中间部位的轴承支承于机壳，形成可实现物料输送的转动构件，螺旋体的运转通过安装于头部的驱动装置实现，进出料口分别开设于机壳尾部上侧和头部下侧。进出料口均可沿机器的长度方向安装多个，并用平板闸门启闭，只有其中一个卸料，传动装置可以装于机壳头部或尾部。

1.4.1螺旋叶片

螺旋体是螺旋输送机实现物料输送的主要构件它由螺旋叶片和螺旋轴两部分构成。常用的叶片有满面式和带式两种形式。按叶片在轴上的盘绕方向不同可分为右旋和左旋两种(逆时针盘绕为左旋，顺时针盘绕为右旋)。螺旋体输送物料方向由叶片旋向和轴的运转向决定，一般先确定叶片旋向，然后按左旋用右手、右旋用左手的原则，四指弯曲方向为轴旋转方向，大拇指伸直方向即为输送物料方向。同一螺旋体上有两种旋向的叶片，能同时实现两个不同方向物料的输送。螺旋轴通常采用直径30-70mm的空心钢管。

螺旋叶片通常采用简易制造法，即用1.5-4.0mm厚的薄钢板冲压或剪切成带缺口的圆环，将圆环拉制成一个螺距的叶片，然后将若干个单独的叶片经焊接或铆接于螺旋轴形成一个完整的螺旋叶片^[4]。圆环的尺寸如图1-2所示，用下面的公式计算：

(1-1)

(1-2)

(1-3)

式中：R—圆环外圆半径；

R—圆环内圆半径；

—圆环的缺角；

—一个螺距叶片外螺旋线的长度（mm）；

—一个螺距叶片内螺旋线的长度（mm）。



图1-2 螺旋叶片及下料尺寸

当运送干燥的小颗粒或粉状物料时，宜采用实体螺旋，这是最常用的型式。

运送块状的粘滞性的物料时，宜采用带式螺旋。当运送韧性和可压缩性的物料

时，宜采用叶片式或成型的螺旋浆，这两种螺旋往往在运送物料的同时还可以对物料进行搅拌，揉捏及混合等工艺操作。

带式螺旋是利用径向杆柱把螺旋带固定在轴上。有些螺旋是用宽的钢带经过链形轧辊轧成的一个没有接头的整螺旋体。在一根螺旋转轴上，有时可以一半是右旋的，一半是左旋的。这样可将物料同时从中间输送到两端或从两端输送到中间，根据需要进行设计。螺旋的螺距有三种对于GX型螺旋输送机，实体螺旋螺距等于直径的0.8倍，LS型螺旋输送机实体螺旋螺距等于直径的0.8-1倍，带式螺旋螺距等于直径。

1.4.2螺旋主轴

图1-3螺旋输送机轴

螺旋输送机轴一般是空心的，由长1-3米的节段装配而成。通常采用钢管制成的，因在强度相同情况下，它的重量要小得多，而且互相连接也方便。轴头起到连接各个节段的作用如图2-4，可以利用轴头3插入空心轴的衬套5内以螺钉2固定连接来，这些圆轴还可用作中间吊轴承和头部轴承的颈部。这种方式可使结构紧凑如图2-5，但装卸较麻烦，大型的螺旋输送机则是采用法兰连接。采用一段两端带法兰的短轴2与螺旋轴1的端法兰接起来，这种连接方法装卸容易，但径向尺寸相对大一些。

1.4.3轴承

轴承是安装于机壳外部用于支承螺旋体的构件，按其安装位置和作用不同可分为头部轴承和尾部轴承。头部应装止推轴承，以承受由于运送物料之阻力所产生的轴向力，一般放在输送物料的前方。当轴较长时，应在每一中间节段内装一吊轴承，用于支撑螺旋轴，吊轴承一般采用对开式滑动轴承。

1.4.4螺旋机壳

机壳是由3-8毫米厚的薄钢板制成，水平慢速螺旋输送机的机壳通常用2-4mm厚的薄钢板制成。横断面两侧壁垂直，底部为半圆形，每节机壳的端部和侧壁上端均用角钢焊接加固，以保证机壳的刚度，实现节与节间、顶部盖板与机壳的连接。机壳底部应设置铸铁件或角钢焊接件的支承脚，以保证输送物料过程的强度。垂直快速螺旋输送机机壳横断面为圆形，通常采用薄壁无缝钢管制成。不锈钢或薄钢板制成圆筒或带有垂直侧边的U形槽，为了便于连接和增加刚性在料槽的纵向边缘及各节段的横向接口处都焊有角钢，用可拆卸的盖子盖在上面。机壳的内直径要稍大于螺旋直径，使两者之间有一间隙。螺旋和机壳制造、装配愈精确间隙可愈小。这对减少磨损和动力消耗非常重要。一般间隙为5.0-15毫米。

1.5螺旋输送装置的优化研究

随着螺旋输送装置在各行业中应用的扩大，对其性能要求也越来越高。目前在实际应用过程中仍存在功耗大、生产率低等问题，解决这些问题的方法就是利用先进的技术手段对输送过程进行动态监控及对螺旋输送装置进行优化设计。

在输送过程的动态监控方面，Yoshiyuki Shimizu，Philip J．OWEN等人先后利用离散单元法^[5]对不同形状的散粒物料在不同状态下的螺旋输送机内的运动情况进行模拟仿真，并把得出的结论与试验值和经验值比较，结果表明他们所采取的方法是可行的^{[6] [7]}。Jigar Patel等通过分析离散单元法在螺旋输送机输送过程仿真方面的研究现状，并提出了建议: 未来有限元法能代替离散单元法实现物料在输送机内运动整个过程的动态观察及分析^[8]。

孟文俊，王晓竑对垂直螺旋输送机内散体物料的分布情况进行分析，表明机器内散体物料可视为非牛顿流体，并利用FLUENT软件对垂直螺旋输送机输送过程进行模拟，得到物料的密度分布规律^[9]。

在优化设计方面，赵红霞，王淑珍对螺旋输送机进行简化，从摩擦理论出发得出螺旋输送机的效率优化公式，并计算出常用的螺旋输送机在效率优化后的螺距。根据计算结果，螺距优化后，螺旋输送机的效率比未优化时提高值在5% ～ 10%之间^[10]。

吴淑芳通过对现行螺旋输送机在使用过程中出现的故障进行分析和研究，发现螺旋输送装置达不到预期寿命的根本原因是密封设计的不合理导致轴头磨损和轴承的损坏，最终影响了螺旋输送机的寿命，于是对现有的密封结构作出了改进，提高了螺旋输送装置的寿命^[11]。

徐展，江红祥运用优化设计理论,以螺旋输送机螺旋体的输送效率和螺旋体质量为目标函数建立了多目标优化数学模型,并应用粒子群算法进行优化求解，求解优化结果表明，优化设计后的螺旋输送机的重量减少8.2%，输送效率提高4.5%^[12]。

王铁流，郭晓梅等以Pro/Engineer 软件建立螺旋输送机螺旋体的三维实体模型，通过有限元分析研究螺旋体主要结构尺寸对其强度和刚度影响的敏感性，对螺旋体关键尺寸对设计目标影响的程度进行分析并进行优化，有效、快速、形象、直观地完成螺旋体的优化设计^[13]。

舒服华以重量最小和传动效率最大为双优化目标,建立了螺旋输送机优化模型,并利用蚁群算法进行优化求解并以实例证明,在满足机器使用性能的条件下,有效降低了螺旋输送机的重量和提高了输送效率^[14]。

1.6 螺旋输送装置的应用以及存在的问题

由于粮食、化工、冶金、码头等多种行业的需求，螺旋输送装置自诞生以来经过不断完善，逐渐发展出了多种系列的螺旋输送装置。在实际应用过程中不仅能完成揉搓、压缩、搅拌、混合等处理，还能实现变频调速和准确控制输送量。随着工业技术的发展，螺旋输送装置在各个领域的应用越来越广泛，例如粮仓里运送粮食^[15]，生产钾肥^[16]，输送玉米秸秆^[17]，输送石油钻井过程中产生的钻屑^[18]等。

但是，螺旋输送装置一直存在着运行阻力大，功耗大，机件磨损快，适应性差，可靠性不高等问题。在这些方面，许多学者进行了研究。

商兴国，王杰通过对螺旋叶片实际磨损量的测量，发现，螺旋输送机叶片的磨损不同于普通的接触磨损，螺旋叶片的磨损主要在外缘，不同位置的叶片磨损量不同，磨损随物料移动其磨损量增大^[19]。

杨志勇，蔡秀凡根据调研获得的资料，对螺旋输送机叶片、吊轴承、螺旋等部位磨损形式和机理的进行了探讨和分析，了解了其磨损的内在原因。并针对其具体磨损形式和磨损程度，提出相应对策，在一定程度上解决了螺旋输送机磨损问题，延长了其使用寿命^[20]。

农余勇对螺旋输送装置常见的故障进行了研究和分析，提出了相应的预防及改造措施^[21]。

宋诚生,董玉德,李延峰等提出以许用挠曲率为刚度条件,以校核刚度为主要计算方法, 对受育扭作用的螺旋愉送机螺旋抽进行轴径和跨度的系列化设计，并研究了根据挠曲率进行疲劳寿命预侧,和螺旋轴折断的原因^[22]。

第二章 螺旋输送装置的设计与选择

2.1 螺旋输送装置的设计条件

根据毕业设计的要求，初步确定所要设计的螺旋输送装置是安装与砂浆喷涂机中，为单螺杆泵输送水泥砂浆的小型螺旋输送装置，长度为1m，已知单螺杆泵的参数：1.836t/h , 全压力0.3MPa。

2.2 输送物料的运动分析

螺旋转输送机在输送物料过程中，物料的运动由于受旋转螺旋的影响，其运动并非是单纯的沿轴线作直线运动，而是在一复合运动中沿螺旋轴作一个空间运动。

如图2-1，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2-1 物料颗粒受力分析图

图2-1中，由于物料与叶片的摩擦关系，P 力的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板拉制的螺旋面，可忽略其表面粗糙程度对 角的影响，即认为=。

物料颗粒M在P力的作用下，在料槽中进行着一个复合运动，既沿轴向移动，又沿径向旋转，既有轴向速度V1，又有圆周速度V2，其合速度为V，速度的分解图如图2-2。

图2-2 物料颗粒速度分解图

若螺旋的角速度为，根据物料颗粒M运动速度图的分析，可得到物

料轴向移动的速度为：

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