一種臥床墊料車物料輸送機構的設計

黨憲斌，楊勝超，陳文斐

一種臥床墊料車物料輸送機構的設計

黨憲斌，楊勝超，陳文斐

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

隨著奶牛養殖場規模的日益擴大，需要一種裝載量大、墊料高效的大型墊料車來滿足牧場臥床墊料需求。當前國內奶牛場臥床墊料主要是采用裝載機或者小型墊料車方式，效率較低，成本較高。文章是基于卡車箱體結構形式，設計一種液壓馬達驅動，鏈輪、鏈條傳動的雙攪龍墊料輸送機構，經過驗證，墊料效率得到極大提高，同時攪龍上端減壓帽設計，有效降低攪龍輸送扭矩，減小發動機使用功率、降低墊料成本。

墊料車；輸送機構；攪龍；摩擦阻力

前言

研究表明，定期給奶牛臥床鋪墊干燥的細沙、鋸末等，并且墊料由外向里呈6°坡型，可增加奶牛躺臥舒適性，有助于奶牛產奶量的提高[1]。國內奶牛臥床墊料方式主要有裝載機加人工填平、小型三輪車輸送帶式、中卡攪龍式、拖拉機牽引攪龍式等，這些墊料方式一般單次裝料量小于8m3，單位時間拋料量小于1m3/min，墊料效率較低。

另外，中、大型牧場的牛場過道長度一般大于400m，小型墊料車需要多次裝料，往返途中浪費較多能源和時間，更加降低了工作效率，提高了成本。

圖1 中大型牧場牛舍

1 臥床墊料車結構簡介

本款臥床墊料車主要由底盤和上裝組成，墊料為干燥細沙，為了提高作業效率，需增加單次作業的裝載量，采用重型卡車底盤。上裝箱體采用如3所示的倒梯形結構，主要包括箱體總成輸送機構及側面拋撒機構。

圖2 臥床尺寸

輸送機構主要通過底盤的分動箱取力，帶動液壓泵產生高壓油，通過液壓馬達、減速機及鏈輪組帶動水平布置在箱體底部的雙攪龍轉動，攪龍前端設計有撥料葉片，將物料輸送至拋料口。拋料口處有液壓馬達帶動的高速旋轉葉片，將物料拋送至指定區域。

圖3 臥床墊料車整車布置圖

以400m長中型牧場牛舍為例，假設臥床墊料寬度1.4m，墊料厚度2.5cm，單次完成臥床墊料至少需要14m3的墊料，考慮到墊料利用效率，裝載容量設計為15m3。按照墊料量1m3/min計算，單趟完成臥床墊料工作僅需15分鐘。

2 輸送機構設計

如圖4所示，輸送機構的兩根攪龍平行布置于箱體底部，同步、同向轉動。攪龍上端有減壓帽，防止攪龍正上方沙子直接壓在攪龍上，減少攪龍工作時的扭矩。輸送機構主要功能是將箱體內沙料輸送至箱體左側拋撒機構入口處，輸送狀態要求連續、均勻，輸送過程包括整體縱向推進和端頭側向撥送，保證箱體內各處沙料按設計軌跡定量、準確的送入拋撒機構。

圖4 攪龍箱體內布置方式

根據箱體結構特點，輸送方式采用雙排LS型螺旋輸送機，整套機構主要由螺旋輸送機、鏈輪、減速機和液壓馬達組成。液壓馬達提供驅動力，減速機與上端小鏈輪相連接，下端兩個大鏈輪與攪龍相連接。通過減速機、鏈輪組實現攪龍轉速及扭矩的調整。下圖5為輸送機構結構形式示意圖，圖6為鏈輪布置方式。

圖5 輸送機構結構

圖6 鏈輪布置

2.1 螺旋輸送機計算、選型

按照整車性能參數要求及攪龍安裝方式，輸送機構的物料輸送量要大于1m3/min，即單個攪龍物料輸送量Iv=30 m3/h，才能保證拋沙量要求。擬采用雙排LS型螺旋輸送機輸送沙料，輸送傾角β=0°，輸送機長度L=5.5m，物料溫度t≤50℃。

結合《JB/T 7679—2008螺旋輸送機》和《連續輸送機械設計手冊》[2]，參考《LS型螺旋輸送機技術參數表》及Iv=30 m3/h，考慮箱體攪龍安裝空間，輸送攪龍的葉片直徑應小于550mm,初步選取LS500型螺旋輸送機。查閱《LS型螺旋輸送機規格系列》，獲知螺旋直徑D=500mm，螺距S=400mm，最大推薦主軸轉速n=63r/min。

2.1.1螺旋輸送機輸送量的校核

輸送機的輸送量主要受主軸轉速、螺旋直徑及物料填充系數的影響，對上述參數設計進行分析、校核如下：

（1）LS型螺旋輸送機的螺旋直徑計算、校核

螺旋輸送機的直徑D，取決于其輸送物料的輸送量和物料粒度的大小，可按下式計算：

式中：D——螺旋直徑（m）；K——物料特性系數，I——質量輸送量（t/h）；——物料在輸送槽體中的填充系數；——物料的堆積密度（t/m3）；C——螺旋輸送機傾角系數。

即計算值0.364m< D（0.5m）；

如輸送的物料粒度較大，還需對螺旋直徑進行校核，由于該輸送物料為細沙，顆粒很小，無需再對螺旋直徑進行再校核。綜上，此螺旋直徑D=500mm，滿足實際輸送量要求。

（2）LS型螺旋輸送機的主軸轉速計算、校核

根據《JB/T 7679—2008螺旋輸送機》 ：

式中：I—質量輸送量（t/h）；—物料的堆積密度（t/ m3）；—物料在輸送槽體中的填充系數；D—螺旋直徑（m）；S——螺距；n—螺旋主軸轉速（r/min）。

就近圓整為主軸轉速系列值中的n=20 r/min <36r/ min>，符合標準要求。

以上計算均是基于沙料填充狀態=0.33，對螺旋輸送機進行選型、校核。本次設計的臥床墊料車是將LS型螺旋輸送機全部埋入沙料之下，全埋時取1。在保證輸送量不變，選取的螺旋輸送機型不變的情況下，根據式（1）、（2）可知，螺旋輸送機直徑、主軸轉速都標準要求。

在保證輸送量不變，螺旋輸送機直徑D不變并且取1時，主軸轉速應為n=20×0.33=6.6 r/min，就近圓整為主軸轉速系列值中的n=8 r/min。

2.1.2 LS螺旋輸送機驅動功率計算、校核

撥料葉片所需扭矩相對于攪龍不大，在計算中不予考慮。主要對攪龍輸送功率進行計算。LS螺旋輸送機的驅動功率，由物料運行時所需的功率P、空轉運行時的功率P和傾斜輸送物料的功率P組成。

本車的輸送機為水平輸送，可知P=0。根據《JB/T 7679—2008螺旋輸送機》[2]中螺旋輸送機驅動功率計算公式：

本次設計的LS型螺旋輸送機全部埋入沙料之下且有一定深度，輸送驅動力主要是克服物料運動摩擦阻力f，而f與物料壓力成正比，由于沙料流動性好，其內部壓力狀態類似于靜水壓力，假設其壓力與深度成正比，則f與埋入沙料深度成正比。將螺旋輸送機所受壓力等效在其質心位置，有螺旋輸送機剛好埋入沙料時壓力集中高度為h1=500mm/ 2=250mm，現埋入深度為1700mm，h2=1700mm/2=850mm。綜上，埋入沙料1700mm時，f2：f1=h2：h1=850/250=3.4，摩擦阻力是一般狀態的3.4倍。

LS螺旋輸送機的驅動裝置的總效率，一般取η=0.8～0.9。此處選取0.9，則兩臺螺旋輸送機所需的實際總功率為21.8kw。

2.2 輸送機構所需功率、扭矩計算

已知輸送機構的動力傳輸過程即：液壓馬達——減速機——鏈輪——輸送機，鏈輪是液壓馬達與螺旋輸送機之間的傳動，作用是調整傳動扭矩和速比。鏈輪輸出功率即為螺旋輸送機輸入功率，即：

機械傳動效率：P輪入=P輪出/η，其中傳動效率η為0.8～0.9，此處為提高安全系數，取η=0.8，代入上式：

由公式：P = T×ω，功率P一定，則扭矩T與角速度ω成反比。則當LS型螺旋輸送機全部埋入沙料之下時主軸轉速最低為n=8r/min，此時大鏈輪所需扭矩最大，則：

依據上裝結構空間及所需轉速及扭矩要求，大鏈輪設計輸出鏈輪齒數z為25，分度圓直徑為405.32mm，齒頂圓直徑為432.6mm，齒根圓直徑為376.74mm，為矩形內花鍵（花鍵型號10×82H7×92H10×12H11）連接，所配鏈條型號為32A；小鏈輪設計輸入鏈輪齒數z為11，分度圓直徑為180.31mm，齒頂圓直徑為203.49mm，齒根圓直徑為151.73，為平鍵（平鍵型號22×14×120）連接；所配鏈條型號為32A。

綜合以上計算知，鏈輪前端需要減速機提供的輸出功率為21.8kw，提供的輸出扭矩為11449（N·m）。

2.3 輸送機構安裝連接件強度設計

2.3.1輸送機中心軸設計、計算

設計輸送機中心軸預采用空心軸，材料采用45鋼。查閱《機械設計手冊》[3]，軸管直徑估算：

式中：d管——軸管直徑（mm）；T——軸所傳遞的扭矩（N·m）；tp—許用扭轉切應力（Mpa）；A—系數；α—空心軸的內徑與外徑之比；代入以上計算參數計算：

為了提高安全系數，將軸管直軸徑數值再取1.1倍數，圓整得 d=220mm，壁厚22mm。對軸管扭轉強度進行校核，同上取許用扭轉切應力[]=35 Mpa，其最大切應力為：

軸管滿足強度條件。

端頭軸直徑估算：

對此軸扭轉強度進行校核，同上取許用扭轉切應力[] =35 Mpa，其最大切應力為：

端頭軸滿足強度條件，其它連接件如花鍵、軸承等參考相關設計標準選型計算。

3 實驗驗證

通過多次實驗測量，滿載15m3的沙料，在13分鐘完成了拋灑，平均拋沙量達1.15m3/min，大于設計值。通過查看液壓馬達的轉速、排量及液壓馬達入口處液壓油工作壓力，計算出液壓馬達的輸入功率P=△Pq=21.6KW，小于鏈輪前端需要減速機提供的輸出功率為21.8kw，主要是因為墊料初期沙子自流，會使攪龍的工作扭矩有所降低。

4 結論

本文基于臥床墊料車，設計了一種箱體底部平行布置雙攪龍輸送機構，在攪龍工作扭矩計算時，根據沙子流動性較好特點，利用靜水壓原理，假設攪龍物料運動摩擦阻力f與物料高度成正比，計算出攪龍的工作扭矩及功率。通過后期的試驗驗證，證明了假設的正確性，本文的分析方法及結論可以為相關設計提供參考。

[1] 羅陽.兩種臥床墊料對奶牛趴臥行為及健康狀況的影響.[J]中國奶牛,2018(3):14-17.

[2] 王鷹.連續輸送機械設計手冊.北京:中國鐵道出版社,2001.

[3] 成大仙.機械設計手冊.北京:化學工業初版,2007.

Design of Conveying Mechanism with Material Transfer for Vehicle of bed projectile

Dang Xianbin, Yang Shengchao, Chen Wenfei

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., LTD., Shaanxi Xi’an 710200 )

With the developing of cow farm,a kind of large loading and high efficiency large-scale Vehicle of bed projectile is needed. At present, the main form of bed projectile are loader or small-scale cushioning Vehicle,which is low efficiency and high in cost.This paper is based on the package of truck, design a transporting mechanism which driving depend on hydraulic motor and chain wheel, the result shows the efficiency of material transporting is greatly improved. Meanwhile the design of lower pressure-relief cap on the upper,can not only reduce the torque of material transporting, but also the engine power and the cost.

Vehicle of bed projectile;Mechanism with Material transporting;Screw Converyor; Friction drag

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

黨憲斌，男，工程師，就職于陜西汽車控股集團有限公司技術中心，現從事技術管理、產品研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.023