关于提高螺旋输送机效率的研究

张德军+林春梅

摘要：为提高螺旋输送机的输送效率、降低能耗，在对螺旋输送机内部物料的运动和受力情况进行分析的基础上推导出体积输送率公式，根据公式的函数特性确定各种参数对输送效率的影响，这对螺旋输送机的设计具有重要的指导作用。

关键词：固体输送；螺旋输送；输送效率

中图分类号：TH132.1 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-14-95-2

螺旋输送机是一种不具有挠性牵引构件的旋转类型的物料输送机械，具有设备结构简单、制造容易、操作维护简单方便、系统密闭性好等特点，广泛地用于建材、冶金、化工、电力等工业生产部门,是现代化生产和物料输送不可缺少的重要机械设备之一[1]。但是目前螺旋输送机的设计过程中需要确定的参数较多，而且各个参数对设备的效率影响较大，大多数螺旋输送机工作过程中能量损失较大、效率较低。因此在国家节能减排的号召下，迫切需要通过利用固体输送理论对螺杆螺槽中固体物料的运动分析和受力分析来了解认识螺槽中固体输送的本质，求出各种条件下的固体输送率，指导人们正确地设计螺旋输送器各部分的结构尺寸和参数，减少设备能量损失，提高设备运行效率。

1 固体输送理论

固体输送理论是根据固体与固体摩擦的静力平衡为基础对固体物料输送过程本质进行研究的科学。目前为止，较为完善的固体输送理论主要由达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论；由郑（Chung）提出的建立在粘性牵附理论基础上的固体输送理论；由特德尔（Tedder）提出的建立在能量平衡基础上的固体输送理论，本文主要利用了达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论，其基本模型是在下述假设条件下建立的[2]。一是粉末物料颗粒在输送过程中被压实成密实的无内变形的固体塞，其特性类似于连续的弹性体；二是固体塞同螺杆底面、螺杆侧面、机筒内表面同时紧密地接触；三是固体塞与各螺杆表面和料筒表面的摩擦系数可以取不同的数值，但必须是一个常数；作用于固体塞上的摩擦力符合库仑定律F=fP；四是螺杆和机筒之间的间隙忽略不计，螺槽深度不变，并且螺槽是矩形的，螺纹圆角半径不计；五是固体塞所受的压力p是随着螺槽流道距离Z的变化而变化；六是螺槽中粉末物料的自身重力可以忽略不计。

2 物料输送过程的运动分析

如图1所示，根据以上假设在固体塞上取一个微单元，进行运动分析，假定料筒不动，螺杆以转速n绕轴线转动，设外圆切线速度为V1，则V1=πDbn，固体塞在螺槽中必然沿着螺槽的方向相对移动，其速度用V2表示，根据点的速度合成定理可得

（1）

根据达涅耳和莫耳的固体输送理论，固体输送的体积生产率Qs可以用绝对速度V3的轴向分量V和垂直于轴线的截面积A（同一截面上的机筒面积减螺杆面积）的乘积来计算[3]： Qs=VA（2）

由图1中可得螺旋叶片顶部的螺纹升角■有如下的数学几何关系：

■（3）

由上式可得：■（4）

则：

■（5）

H1——螺旋叶片高度

i——螺纹头数

■——螺旋升角平均值

■（6）

■（7）

螺旋槽平均宽度 ■（8）

则■（9）

3 物料输送过程的受力分析

由公式（9）计算Qs，当螺杆参数已知时，只有牵引角■未知，下面通过对固体塞在螺槽中的受力分析，求解牵引角■。

如图2所示，固体塞在螺槽中运动时所受的力可分为八个力来考虑[4]：

正压力：F2、F6、F7、F8

摩擦力：F1、F3、F4、F5

F1是运动着的微元和机筒内表面的摩擦力，其方向和绝对速度V3相反，大小为：

■（10）

■——机筒与固体塞之间的摩擦系数

F2、F6 是周围的粉末物料对微元的正压力。

■ （11）

P1、P2 ——固体塞前后的压力

F7、F8是螺楞对微元的正压力。

■（12）

■（13）

令■ （14）

显然，■是推进面作用在微元上的一个正推力。

F3、F4是固体塞螺杆叶片上的摩擦力。

■（15）

■（16）

■——螺杆与固体塞之间的摩擦系数

F5是螺杆底面对微元产生的摩擦力。

■（17）

将上述八个力分解为轴向分力： ■ （i=1,2,3…8）

切向分力：■ （i=1,2,3…8）

这些轴向分力的合力应等于微元的质量m乘以微元轴向加速度，螺旋输送机在工作过程中出料速度基本是均匀不变的，也就是说固体塞的运动是稳定的，流速为常数，即加速度等于零，则有：

■ （i=1,2,3…8） （18）

同样的方法将每个切向分力乘以其作用半径则得扭矩平衡方程：

■（i=1,2,3…8） （19）

将以上两式组成方程组求解，可得：

■ （20）

经三角变换可得：

■ （21）

其中 ■

■（22）

■ （23）

■——沿螺槽深度上牵引角的平均值

■——螺槽平均直径

4 关于公式的讨论

根据公式（6）、（21）可知，牵引角■是影响固体输送率的重要因素，当■=0时，根据公式（6）可以得到此时的输送率为0，因此为保证输送效率，应该使■尽量大一点，此时K、M应该尽量的小一点。由公式（21）、（22）、（23）可知其数值取决于螺杆的几何参数。根据公式（22）可知在螺杆的基本尺寸确定的情况下，牵引角■主要取决于粉末物料对螺杆的摩擦系数■和螺旋料槽内表面的摩擦系数■。为了使牵引角■大一点提高输送率，应该尽量降低螺杆表面的粗糙度减少粉末物料和螺杆之间的摩擦系数，螺旋料槽内表面的粗糙度应该尽量大一点来提高内表面的粗糙度来增加内表面和粉末物料之间的摩擦系数。因此为减少效率损耗，螺杆加工完后表面要进行抛光处理来减低表面粗糙度。通过上面的分析和公式（6）可知当p1=p2，■=0时可以得到最大输送生产率：

■

在这种情况下上式对■求导令■可以求得最佳螺旋升角■，即当螺杆的螺距S等于螺杆大径D时其体积输送率最高。

参考文献

[1] 夏如铁,张武彩,孙秉礼.螺旋秤的设计和选用[J].水泥工程,2009,(4)．

[2] 朱复华.螺杆设计及其理论基础[M].北京：轻工业出版社,1984．

[3] Yoshiyuki Shimizu，Peter A. Cundall.Three-dimensional DEM simulations of bulk handing by screw conveyors [J].Journal of engneering mechanics,2001,(9)．

[4] A. S. MERRITT，R. J. MAIR.Mechanics of tunnelling machine screw conveyors: model tests [J] .Geotechnique,2006,56(9) ．

endprint

摘要：为提高螺旋输送机的输送效率、降低能耗，在对螺旋输送机内部物料的运动和受力情况进行分析的基础上推导出体积输送率公式，根据公式的函数特性确定各种参数对输送效率的影响，这对螺旋输送机的设计具有重要的指导作用。

关键词：固体输送；螺旋输送；输送效率

中图分类号：TH132.1 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-14-95-2

螺旋输送机是一种不具有挠性牵引构件的旋转类型的物料输送机械，具有设备结构简单、制造容易、操作维护简单方便、系统密闭性好等特点，广泛地用于建材、冶金、化工、电力等工业生产部门,是现代化生产和物料输送不可缺少的重要机械设备之一[1]。但是目前螺旋输送机的设计过程中需要确定的参数较多，而且各个参数对设备的效率影响较大，大多数螺旋输送机工作过程中能量损失较大、效率较低。因此在国家节能减排的号召下，迫切需要通过利用固体输送理论对螺杆螺槽中固体物料的运动分析和受力分析来了解认识螺槽中固体输送的本质，求出各种条件下的固体输送率，指导人们正确地设计螺旋输送器各部分的结构尺寸和参数，减少设备能量损失，提高设备运行效率。

1 固体输送理论

固体输送理论是根据固体与固体摩擦的静力平衡为基础对固体物料输送过程本质进行研究的科学。目前为止，较为完善的固体输送理论主要由达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论；由郑（Chung）提出的建立在粘性牵附理论基础上的固体输送理论；由特德尔（Tedder）提出的建立在能量平衡基础上的固体输送理论，本文主要利用了达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论，其基本模型是在下述假设条件下建立的[2]。一是粉末物料颗粒在输送过程中被压实成密实的无内变形的固体塞，其特性类似于连续的弹性体；二是固体塞同螺杆底面、螺杆侧面、机筒内表面同时紧密地接触；三是固体塞与各螺杆表面和料筒表面的摩擦系数可以取不同的数值，但必须是一个常数；作用于固体塞上的摩擦力符合库仑定律F=fP；四是螺杆和机筒之间的间隙忽略不计，螺槽深度不变，并且螺槽是矩形的，螺纹圆角半径不计；五是固体塞所受的压力p是随着螺槽流道距离Z的变化而变化；六是螺槽中粉末物料的自身重力可以忽略不计。

2 物料输送过程的运动分析

如图1所示，根据以上假设在固体塞上取一个微单元，进行运动分析，假定料筒不动，螺杆以转速n绕轴线转动，设外圆切线速度为V1，则V1=πDbn，固体塞在螺槽中必然沿着螺槽的方向相对移动，其速度用V2表示，根据点的速度合成定理可得

（1）

根据达涅耳和莫耳的固体输送理论，固体输送的体积生产率Qs可以用绝对速度V3的轴向分量V和垂直于轴线的截面积A（同一截面上的机筒面积减螺杆面积）的乘积来计算[3]： Qs=VA（2）

由图1中可得螺旋叶片顶部的螺纹升角■有如下的数学几何关系：

■（3）

由上式可得：■（4）

则：

■（5）

H1——螺旋叶片高度

i——螺纹头数

■——螺旋升角平均值

■（6）

■（7）

螺旋槽平均宽度 ■（8）

则■（9）

3 物料输送过程的受力分析

由公式（9）计算Qs，当螺杆参数已知时，只有牵引角■未知，下面通过对固体塞在螺槽中的受力分析，求解牵引角■。

如图2所示，固体塞在螺槽中运动时所受的力可分为八个力来考虑[4]：

正压力：F2、F6、F7、F8

摩擦力：F1、F3、F4、F5

F1是运动着的微元和机筒内表面的摩擦力，其方向和绝对速度V3相反，大小为：

■（10）

■——机筒与固体塞之间的摩擦系数

F2、F6 是周围的粉末物料对微元的正压力。

■ （11）

P1、P2 ——固体塞前后的压力

F7、F8是螺楞对微元的正压力。

■（12）

■（13）

令■ （14）

显然，■是推进面作用在微元上的一个正推力。

F3、F4是固体塞螺杆叶片上的摩擦力。

■（15）

■（16）

■——螺杆与固体塞之间的摩擦系数

F5是螺杆底面对微元产生的摩擦力。

■（17）

将上述八个力分解为轴向分力： ■ （i=1,2,3…8）

切向分力：■ （i=1,2,3…8）

这些轴向分力的合力应等于微元的质量m乘以微元轴向加速度，螺旋输送机在工作过程中出料速度基本是均匀不变的，也就是说固体塞的运动是稳定的，流速为常数，即加速度等于零，则有：

■ （i=1,2,3…8） （18）

同样的方法将每个切向分力乘以其作用半径则得扭矩平衡方程：

■（i=1,2,3…8） （19）

将以上两式组成方程组求解，可得：

■ （20）

经三角变换可得：

■ （21）

其中 ■

■（22）

■ （23）

■——沿螺槽深度上牵引角的平均值

■——螺槽平均直径

4 关于公式的讨论

根据公式（6）、（21）可知，牵引角■是影响固体输送率的重要因素，当■=0时，根据公式（6）可以得到此时的输送率为0，因此为保证输送效率，应该使■尽量大一点，此时K、M应该尽量的小一点。由公式（21）、（22）、（23）可知其数值取决于螺杆的几何参数。根据公式（22）可知在螺杆的基本尺寸确定的情况下，牵引角■主要取决于粉末物料对螺杆的摩擦系数■和螺旋料槽内表面的摩擦系数■。为了使牵引角■大一点提高输送率，应该尽量降低螺杆表面的粗糙度减少粉末物料和螺杆之间的摩擦系数，螺旋料槽内表面的粗糙度应该尽量大一点来提高内表面的粗糙度来增加内表面和粉末物料之间的摩擦系数。因此为减少效率损耗，螺杆加工完后表面要进行抛光处理来减低表面粗糙度。通过上面的分析和公式（6）可知当p1=p2，■=0时可以得到最大输送生产率：

■

在这种情况下上式对■求导令■可以求得最佳螺旋升角■，即当螺杆的螺距S等于螺杆大径D时其体积输送率最高。

参考文献

[1] 夏如铁,张武彩,孙秉礼.螺旋秤的设计和选用[J].水泥工程,2009,(4)．

[2] 朱复华.螺杆设计及其理论基础[M].北京：轻工业出版社,1984．

[3] Yoshiyuki Shimizu，Peter A. Cundall.Three-dimensional DEM simulations of bulk handing by screw conveyors [J].Journal of engneering mechanics,2001,(9)．

[4] A. S. MERRITT，R. J. MAIR.Mechanics of tunnelling machine screw conveyors: model tests [J] .Geotechnique,2006,56(9) ．

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摘要：为提高螺旋输送机的输送效率、降低能耗，在对螺旋输送机内部物料的运动和受力情况进行分析的基础上推导出体积输送率公式，根据公式的函数特性确定各种参数对输送效率的影响，这对螺旋输送机的设计具有重要的指导作用。

关键词：固体输送；螺旋输送；输送效率

中图分类号：TH132.1 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-14-95-2

螺旋输送机是一种不具有挠性牵引构件的旋转类型的物料输送机械，具有设备结构简单、制造容易、操作维护简单方便、系统密闭性好等特点，广泛地用于建材、冶金、化工、电力等工业生产部门,是现代化生产和物料输送不可缺少的重要机械设备之一[1]。但是目前螺旋输送机的设计过程中需要确定的参数较多，而且各个参数对设备的效率影响较大，大多数螺旋输送机工作过程中能量损失较大、效率较低。因此在国家节能减排的号召下，迫切需要通过利用固体输送理论对螺杆螺槽中固体物料的运动分析和受力分析来了解认识螺槽中固体输送的本质，求出各种条件下的固体输送率，指导人们正确地设计螺旋输送器各部分的结构尺寸和参数，减少设备能量损失，提高设备运行效率。

1 固体输送理论

固体输送理论是根据固体与固体摩擦的静力平衡为基础对固体物料输送过程本质进行研究的科学。目前为止，较为完善的固体输送理论主要由达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论；由郑（Chung）提出的建立在粘性牵附理论基础上的固体输送理论；由特德尔（Tedder）提出的建立在能量平衡基础上的固体输送理论，本文主要利用了达内尔（Darnel）和莫尔（Mol）提出并经塔德摩尔（Tadmor）和波罗夷（Broyer）加以完善的，建立在固体摩擦机理理论上的固体输送理论，其基本模型是在下述假设条件下建立的[2]。一是粉末物料颗粒在输送过程中被压实成密实的无内变形的固体塞，其特性类似于连续的弹性体；二是固体塞同螺杆底面、螺杆侧面、机筒内表面同时紧密地接触；三是固体塞与各螺杆表面和料筒表面的摩擦系数可以取不同的数值，但必须是一个常数；作用于固体塞上的摩擦力符合库仑定律F=fP；四是螺杆和机筒之间的间隙忽略不计，螺槽深度不变，并且螺槽是矩形的，螺纹圆角半径不计；五是固体塞所受的压力p是随着螺槽流道距离Z的变化而变化；六是螺槽中粉末物料的自身重力可以忽略不计。

2 物料输送过程的运动分析

如图1所示，根据以上假设在固体塞上取一个微单元，进行运动分析，假定料筒不动，螺杆以转速n绕轴线转动，设外圆切线速度为V1，则V1=πDbn，固体塞在螺槽中必然沿着螺槽的方向相对移动，其速度用V2表示，根据点的速度合成定理可得

（1）

根据达涅耳和莫耳的固体输送理论，固体输送的体积生产率Qs可以用绝对速度V3的轴向分量V和垂直于轴线的截面积A（同一截面上的机筒面积减螺杆面积）的乘积来计算[3]： Qs=VA（2）

由图1中可得螺旋叶片顶部的螺纹升角■有如下的数学几何关系：

■（3）

由上式可得：■（4）

则：

■（5）

H1——螺旋叶片高度

i——螺纹头数

■——螺旋升角平均值

■（6）

■（7）

螺旋槽平均宽度 ■（8）

则■（9）

3 物料输送过程的受力分析

由公式（9）计算Qs，当螺杆参数已知时，只有牵引角■未知，下面通过对固体塞在螺槽中的受力分析，求解牵引角■。

如图2所示，固体塞在螺槽中运动时所受的力可分为八个力来考虑[4]：

正压力：F2、F6、F7、F8

摩擦力：F1、F3、F4、F5

F1是运动着的微元和机筒内表面的摩擦力，其方向和绝对速度V3相反，大小为：

■（10）

■——机筒与固体塞之间的摩擦系数

F2、F6 是周围的粉末物料对微元的正压力。

■ （11）

P1、P2 ——固体塞前后的压力

F7、F8是螺楞对微元的正压力。

■（12）

■（13）

令■ （14）

显然，■是推进面作用在微元上的一个正推力。

F3、F4是固体塞螺杆叶片上的摩擦力。

■（15）

■（16）

■——螺杆与固体塞之间的摩擦系数

F5是螺杆底面对微元产生的摩擦力。

■（17）

将上述八个力分解为轴向分力： ■ （i=1,2,3…8）

切向分力：■ （i=1,2,3…8）

这些轴向分力的合力应等于微元的质量m乘以微元轴向加速度，螺旋输送机在工作过程中出料速度基本是均匀不变的，也就是说固体塞的运动是稳定的，流速为常数，即加速度等于零，则有：

■ （i=1,2,3…8） （18）

同样的方法将每个切向分力乘以其作用半径则得扭矩平衡方程：

■（i=1,2,3…8） （19）

将以上两式组成方程组求解，可得：

■ （20）

经三角变换可得：

■ （21）

其中 ■

■（22）

■ （23）

■——沿螺槽深度上牵引角的平均值

■——螺槽平均直径

4 关于公式的讨论

根据公式（6）、（21）可知，牵引角■是影响固体输送率的重要因素，当■=0时，根据公式（6）可以得到此时的输送率为0，因此为保证输送效率，应该使■尽量大一点，此时K、M应该尽量的小一点。由公式（21）、（22）、（23）可知其数值取决于螺杆的几何参数。根据公式（22）可知在螺杆的基本尺寸确定的情况下，牵引角■主要取决于粉末物料对螺杆的摩擦系数■和螺旋料槽内表面的摩擦系数■。为了使牵引角■大一点提高输送率，应该尽量降低螺杆表面的粗糙度减少粉末物料和螺杆之间的摩擦系数，螺旋料槽内表面的粗糙度应该尽量大一点来提高内表面的粗糙度来增加内表面和粉末物料之间的摩擦系数。因此为减少效率损耗，螺杆加工完后表面要进行抛光处理来减低表面粗糙度。通过上面的分析和公式（6）可知当p1=p2，■=0时可以得到最大输送生产率：

■

在这种情况下上式对■求导令■可以求得最佳螺旋升角■，即当螺杆的螺距S等于螺杆大径D时其体积输送率最高。

参考文献

[1] 夏如铁,张武彩,孙秉礼.螺旋秤的设计和选用[J].水泥工程,2009,(4)．

[2] 朱复华.螺杆设计及其理论基础[M].北京：轻工业出版社,1984．

[3] Yoshiyuki Shimizu，Peter A. Cundall.Three-dimensional DEM simulations of bulk handing by screw conveyors [J].Journal of engneering mechanics,2001,(9)．

[4] A. S. MERRITT，R. J. MAIR.Mechanics of tunnelling machine screw conveyors: model tests [J] .Geotechnique,2006,56(9) ．

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