螺旋輸送機設計與螺旋體有限元分析

王云先

（中鋁山東工程技術有限公司，山東 淄博 255052）

1 設計參數

螺旋輸送機結構如圖1所示，根據實際工況，設計要求的基本參數包括：最大轉動扭矩40kn·m，輸送能力20m3/h，根據文獻1，采用實體右旋單頭螺旋，螺旋有效輸送距離7.7m，卸料口525×525㎜。

圖1 螺旋輸送機結構示意圖

1.1 螺旋直徑及螺距

若已知輸送機的生產率及被輸送物料的特性，則可按下式計算螺旋的直徑D（m）：

Q——輸送機的生產率（t/h），設計為80t/h；

y——物料的充填系數，由文獻表10-31（324頁）選取為0.25；

b0——傾斜向上輸送時對輸送量的影響系數，水平取為1；

k2——螺旋螺距P與直徑D之比例系數，螺距P的大小與螺旋直徑及輸送機的布置、物料的特性有關。該螺旋水平布置，輸送的物料流動性好，具有一定的磨磋性，取為0.7；

r——被輸送物料的堆積密度（kg/m3），氧化鋁為4.0×103kg/m3；

n——螺旋轉速（r/min），根據經驗取為44.5 r/min；

g——重力加速度，g＝9.8m/s2;

計算得螺旋直徑D=0.375m，圓整為400㎜。螺距P=0.9×400＝360㎜，取350mm。

1.2 螺旋轉速

試驗研究表明，當輸送機的螺旋超過一定的轉速時，輸送物料顆粒便開始產生在垂直于輸送方向（沿徑向）的跳躍，輸送能力降低，磨損增加，從而對輸送過程產生不利的影響。螺旋轉速太低，單位時間輸送能力降低。但是，由于至今尚缺乏這方面的具體資料，因此在實際計算中，往往采用下列經驗公式來確定螺旋的最大許用轉速（r/min）：

A——經驗系數，由表10-31得A=50。

計算得nmax=79.05r/min

1.3 螺旋軸直徑

為了減輕自重，螺旋軸一般采用管軸，壁厚一般取為4～12㎜。管軸外徑的大小與螺距有關，根據資料推薦的軸徑計算公式：

1.4 充填系數的驗算

根據文獻有關公式可以計算出物料填充系數：

符合螺旋輸送機設計有關要求。

綜上，此螺旋輸送機可確定其參數：D=400mm，n＝55r/min，d＝219mm。

2 基于PRO/Mechanica的螺旋體彎曲變形及模態分析

Pro/MECHANICA可以實現與Pro/ENGINEER的完全無縫集成，該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER生成的幾何模型進行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有強大的參數化功能，那么在Pro/MECHANICA中就可以利用該優點進行模型的靈敏度分析和優化設計。具體說，當模型的一個或多個參數在一定范圍內變化時，求解出滿足一定設計指標（如質量最小、應力最小等）的最佳幾何模型。因此，本文選用Pro/ENGINEER進行三維實體建模。

圖2 加上約束及載荷的螺旋力學模型

圖3 螺旋體有限元網格模型及網格劃分信息

圖4 螺旋體應力分布、變形圖及圖表（螺旋軸直徑為219㎜）

圖5 螺旋體各階振型圖

根據經驗公式計算得到的螺旋體的有關參數，雖有其合理性的一面，但與實際工況也存在著一定的差別。螺旋軸直徑過粗，降低有效輸送面積，過細則會降低其強度。本文將利用PRO/Mechanica有限元分析軟件對螺旋體從整體上進行分析。

2.1 建立螺旋體力學模型

首先根據上述確定的參數進行分析。

在自重和物料的作用下，兩支座（為簡支梁）之間的螺旋將發生彎曲變形。螺旋主要承受扭矩M，切向力P切，法向力P法及螺旋本身自重的作用，即處于剪應力和壓應力的作用下。P切和P法可通過電機傳動功率求得，將P切和P法等效到y和z坐標軸上，加上約束，在Pro/E環境中建立如圖所示的力學模型：

2.2 劃分網格

在AutoGEM中選擇實體選項，然后點擊創建，即可對模型進行自動網格劃分。螺旋體的有限元網格模型如圖3所示。

2.3 螺旋體彎曲變形分析

按照設計要求，工作時螺旋最大彎曲撓度不得超過5㎜（螺旋外徑與槽體內壁間距），圖3為有限元計算得到的應力分布圖、變形圖及圖表。結果表明螺旋體的最大變形量為2.688㎜，小于5㎜。

從上面的分析可知，設計參數存在一定的設計裕量，能滿足強度、撓度設計要求。

2.4 螺旋體有限元模態分析

螺旋體在工作時處于旋轉狀態，如果其固有頻率與其工作頻率接近或相等時，會發生共振破壞，因此，設計時應該進行模態分析，避開各階固有頻率。

對螺旋體有限元模型的求解，一般不需要求出振動系統的全部固有頻率和振型，由于低階模態對振動系統的影響較大，因此本文僅計算前四階模態。

螺旋體工作頻率為0.9Hz，根據計算結果，該螺旋體的固有頻率避開了正常工作頻率，可知螺旋體的剛性較好。

3 結論

（1）本文通過傳統的串行設計，確立關鍵參數，建立三維模型，對螺旋體進行有限元靜、動力學分析，計算出螺旋體的應力及位移，并求出其前四階固有頻率和振型。通過應力、變形、振型和動畫顯示可以很直觀地分析螺旋體的動靜態性能，并且找到零件的薄弱環節，為螺旋體的結構設計提供理論依據。

（2）本文采用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對螺旋體進行分析，并通過它實現了實體建模和有限元分析計算的無縫集成，提高了有限元分析工作的效率。這為其他的零部件的結構設計提供了新的方法。