斗式提升机的关键结构创新与优化设计

（上海大学 机电工程与自动化学院 上海市智能制造及机器人重点实验室，上海 200072）

0 引言

斗式提升机是一种连续输送机械，通常将物料垂直提升，在某些特殊条件下也可倾斜运送。料斗通过尾部自动装料，在运转过头部链轮后又自行抛料。已在水泥、冶金与食品储运等行业获得了普遍的使用[1]。它是一种将散料垂直输送的大型复杂提升设备，由于客户需求量大，一直以来都是采用传统的大批量生产模式[2]。

燕山大学的王军等[2]对斗式提升机模块化快速设计关键技术进行研究，通过模块划分和模块检索的方法实现了斗式提升机模块化产品的成本预算，从而可以提高中大型复杂机械的设计效率。山东农业大学的宿佃斌等[3]对基于SolidWorks的斗式提升机进行优化设计，主要解决了降低斗式提升机在运输过程中的破碎率的问题。韩彦良[4]基于TRIZ理论创新设计方法对斗式提升机托架结构等进行优化设计，将之前的铸造件进行分解，改为组焊件等，结构简单，进一步提高了效率。武汉轻工大学的彭勇辉[5]对斗式提升机的主参数快速计算与定制、模块信息查询以及对斗式提升机进行再设计，实现了斗式提升机快速定制设计，缩短了斗式提升机的设计周期，满足了市场快速多变的定制需求。W. McBride·M. Sinnott·P.W. Cleary[6]对斗式提升机头轮离散部分过渡区的建模分析，通过机头部模型的离散元素模拟的结果，更好地对斗式提升机操作的机械参考头端处的颗粒的运动分析。Matt D.Sinnott[7]用边界法（IBM）通过一个耦合的气体颗粒数值模型来分析气体流动时外壳和机筒头部粒子的轨迹。J.L.Pérez-Aparicio.R. Bravo[8]通过非连续变形分析（DDA）对斗式提升机的料斗进行了优化数值设计，最终确定了合适的料斗几何形状。

由于斗式提升机本身特殊的条件，其正常工作必须满足相应的条件。它必须正确地选择结构类型、通过实际工作的需求来设计合理的运动速度以此来确定最佳形状畚斗。其畚斗的型号及大小还有卸载方式都需要正确恰当地选择。本文针对以上问题进行主要的畚斗设计和结构优化设计，并进行整体建模与机头的粒子仿真。

综上所述，本文针对目前斗式提升机抛洒物料时的回流现象导致的效率低，耗功率现象进行了畚斗的理论设计，初步可以实现中高产量的运输。同时在现有斗式提升机的基础上进行了结构改进，主要创新的结构有：头轮和底轮、机壳、张紧装置、畚斗等。该设备能提高输送效率，减少运输时间，对输送行业有一定的经济效益。

1 斗式提升机概况

1.1 斗式提升机结构分析

由于我国特殊的国情，垂直式的斗式提升机占据了绝对多数。在这其中应用最广的有三种类型：TD型带式、TH型环链式和皿型板链式。斗式提升机的分类方式很多，不同的分类标准就有不同的划分方式。根据按料斗型式不同来划分，可分为浅斗式、深斗式、有导向边斗式。按卸载特性分为离心式、离心-重力式、重力式。离心式卸料主要是带式的，适用于运送流散性好的粉状、颗粒状和小块状物料。重力式卸料使用带挡边的料斗运送块状的、沉重的物料[9]。

斗式提升机是专门用于连续垂直输送散料的设备，由于其具有占地面积小、提升高度高且输送量大等特点，因而在饲料和粮食等加工厂中广泛使用[1]。本文对于改进后的斗式提升机利用SolidWorks进行了三维建模，如图1和图2所示。斗式提升机主要由驱动装置1、牵引部件2、料斗3、壳体4、底轮5、张紧装置6、抛料口7等部分组成。其中, 张紧装置、料斗、机壳是关键的设计部件。

图1 斗式提升机局部图

图2 斗式提升机示意图

1.2 工作过程分析

斗式提升机的运转工作原理是：物料由提升机底部装载入料斗，与提升链或带一同运转到顶部，越过头轮后向下翻转，料斗将其中的物料抛出到相应的接收装置内[1]。斗式提升机的工作程序可以简化为三部分：装料过程、提升过程和卸料过程。斗式提升机运行一段时间并且接触下部的粮食后，其带上的畚斗在转动过程中会顺势挖取部分粮食，然后垂直提升，当达到机头部分时候，又随着带的转动而将粮食抛洒出去，由输送机输送至目的地。

在输送过程中还伴随着回流现象的产生，从而降低输送效率和磨损机壳畚斗并影响其寿命，在实际过程中应该尽力减小并克服该现象的发生。对此，必须对料斗的卸料过程进行探索研究，通过分析模拟，并且做出了相对应的机壳形状，以确定畚斗型号、头部罩壳的尺寸，其目的是减少提升机在工作中的物资流失，减少运输时间，提高运输效率。

2 斗式提升机畚斗的设计

畚斗是斗式机的承载构件，材料有钢制和塑料,其各有优缺点。由于现在塑料畚斗质量越来越好，同时也为了减少重量，故本次设计材料选用塑料畚斗。塑料斗时用尼龙或聚丙烯经模压成型，其特点是重量轻、耐磨、与机壳碰撞时不会产生火花。

离散元素法（DEM）是用于在粒子级对粒状流进行建模的数值工具。它作为一种优化工具显示出巨大的潜力，适用于各种处理颗粒物料的行业。对于不同形状的畚斗承载相同的物料，用粒子分析软件进行了模拟抛洒物料的情况。下表是利用EDEM软件对三种不同畚斗形状及不同速度进行散粒体分析，如表1所示。有三种形状不同的畚斗。形状1是深斗型，其抛洒物料不太理想，有三分之一的物料未能抛洒出去。形状3的物料抛洒路径过大，从而绘制机头的形状尺寸偏大。形状2的畚斗效果最佳，可通过表二分析抛料情况。

表1 不同的料斗及线速度

表2 不同的料斗抛料情况

3 斗式提升机关键结构的创新设计

3.1 机壳的创新设计

针对机壳在运输过程中易磨损的现象，斗式提升本次机壳创新设计了一种新型机壳，可减少机壳受到粮食在运输过程中的振动的影响，从而延长使用寿命。机筒常用1～2mm厚的钢板制成，考虑到此次设计是中高产量高效率卸净粮食，故机壳厚度选择3mm。机筒的四条棱角上配以角钢，增强其刚度。为了使其机壳便于安装也易于修理，所以采用一段一段的标准节组装而成，每节长度是2～2.5m，每节的两段焊有角钢。为了保证机筒的密封性能，每段机壳连接是要采用垫片，再使用螺栓将其固定。为了加强机壳的强度并考虑到减轻整体的重量，本次设计在机壳外围加入了交叉桁条，同时也可以增强其刚度，如图3所示。

同时，在机壳的外面设置了观察窗和检修门，便于工作人员时刻观察物料的承载提升输送情况。观察窗设置在距离地面1.5m高度的位置，便于观察。同时设置的检修门也在距离地面1～2m左右的高度，检修门宽度达1.4m，便于工作人员更换畚斗和进行检修，如图4所示。

图3 机壳基本单元

图4 机壳（有观察窗）

3.2 头轮和底轮的创新设计

一般情况下，斗式提升机的头轮和底轮都用铸铁或铸钢制成，个别情况下尺寸较大时候也用钢板焊接而成。由于本次设计的提升机产量达到中高产量需求，故设计的头轮尺寸也比一般的大。在查阅大量相关文献和前人设计之后，决定将底轮制成鼠笼状，可以防止带和底轮间夹杂物料，从而防止可能出现打滑的现象，如图5所示。为了防止带的跑偏，头轮与底轮的形状可以制作成鼓型，一般突起高度为2～4mm。头轮和底轮的宽度应该比带子宽20～50mm。因为一般情况下斗提机的头轮是驱动轮，在其头轮的圆周上面专门覆盖一层橡胶材料的作用很大，不仅仅可以防止打滑，而且也增加了头轮的摩擦系数和耐损耗能力。

3.3 张紧装置的设计

传统的张紧装置通常是通过调节底轮，通过改变它的上下位置来张紧皮带。这种张紧装置改变了底轮的位置，使得挖料系数会发生改变，也改变了畚斗每次在挖取粮食的角度，故难以保证其承载能力达到最佳效果。本次设计的张紧装置是通过改变部分机壳的伸缩来改变张紧的长度，由伸缩杆改变从而改变张紧力的大小。这种张紧方案在张紧过程中不会使底部盛料畚斗距离粮食的高度及角度发生变化，故更为有效，如图6所示。

图5 底轮

图6 张紧装置

4 结论

通过对畚斗的研究和粒子抛洒仿真，从而确定了最佳形状的畚斗，优化了头轮罩壳的结构尺寸，粮食回流现象基本消失，从而提高了运输效率。同时又针对斗式提升机部分关键结构进行了改进，使得斗式提升机运行平稳，并延长了使用寿命，从而可带来一定的经济效益。