螺旋擠漿機螺旋輥的設計計算

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1、黃石茂 (華南理工大學工業(yè)裝備與控制工程系 ,廣州 510641) 摘 要 本文介紹了設計計算螺旋輥時如何選擇材料和結(jié)構(gòu) ,對螺旋輥的受力進行了分析 ,同時對 螺旋輥進行了強度計算和校核 。 關(guān)鍵詞 螺旋輥 ;受力分析 ;設計計算 螺旋擠漿機是采用高濃高壓方式來提取 黑液的洗漿設備 ,這種設備造價和投資低 ,壓 濾脫水能力強 ,提取率高 ,且在高濃狀態(tài)下擠 壓 ,所得黑液濃度和溫度較高 ,有利于漿料和 黑液的保溫 。因而在中小型造紙廠得到廣泛 的應用 。 螺旋擠漿機是利用螺旋輥在固定的圓筒 形濾鼓內(nèi)旋轉(zhuǎn) ,使?jié){料在濾鼓內(nèi)軸向推進中 受擠壓而脫水 、濃縮 。螺旋輥是其主要的

2、工 作零件 。螺旋輥是在漿料的摩擦力及各種阻 力下工作 , 其主要失效為磨損 , 也有設計不 當 ,由于強度不夠而破壞的 。螺旋輥設計計 算時 ,要根據(jù)螺旋擠漿機的生產(chǎn)能力和工作 條件來選擇材料和結(jié)構(gòu) ,確定螺旋輥直徑 、長 徑比 、壓縮比 、螺距等結(jié)構(gòu)參數(shù) ,然后進行受 力分析和強度校核 。 鑄造結(jié)構(gòu)的材料一般采用球墨鑄鐵和鑄 鋼 。如 Q T900 - 2 ,其強度比 40Cr 鋼低 10 % ～20 % ,其他性能與 40Cr 鋼接近 ,淬火后回 火硬度可達 HRc57～60 ,而耐磨性比 40Cr 鋼 高 40 % ,且可以進行精密鑄造 , 其加工性能 與減震性都優(yōu)于 40Cr

3、 鋼 。 鑄鋼 ,如 ZG270 - 500 ,具有較高的強度 和較好的塑性 ,鑄造性能和切削性能良好 ,為 提高其耐磨性 ,壓縮段螺旋工作面和出料段 表面應噴焊 2～3 mm 厚的耐磨硬質(zhì)合金 ,噴 焊后的表面硬度可達 HRc52～58 。 2 螺旋輥結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 螺旋輥的結(jié)構(gòu)按其作用分為輸送段 、壓 縮段和出料段 (光軸段) 三個區(qū)段 。輸送段起 到計量和喂料的作用 ,它的設計確定了進料 的能力 。漿料首先從料斗以一定的供料量進 入機內(nèi)的濾鼓和螺旋輥之間的間隙 ,物料被 輸送段強行推進到壓縮段 ,壓縮段的長度較 長 ,此段設計成定外徑 、變根徑和變螺距的結(jié) 構(gòu) ,因此壓縮段

4、起到輸送 、壓縮物料進行脫 水 、形成料塞和增加料塞密度的作用 。物料 再向前進入出料段 ,物料在出料段進一步受 到均勻壓縮 ,最后將料定壓 、定量地由出口擠 出 。出料段一般作為裝設堵頭之用 。錐形堵 頭尾端有調(diào)節(jié)螺旋輥軸向移動的裝置 。用以 調(diào)節(jié)出漿間隙與堵漿壓力 。 螺旋輥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)一般有 : 螺旋輥 直徑 、壓縮比 、長徑比 、螺距和螺旋槽深度等 。 2 . 1 螺旋輥直徑 D 2000 . No . 6 1 螺旋輥的材料和結(jié)構(gòu)的選擇 螺旋輥的材料除應滿足強度和剛度外 , 還應具有很好的耐磨性 。螺旋輥從結(jié)構(gòu)上可 分為焊接結(jié)構(gòu)和鑄造結(jié)構(gòu) 。焊接結(jié)構(gòu)是將螺 旋葉片和

5、軸分別加工好焊接在一起 ,其特點 是加工方便 ,成本低 ,但螺旋葉片厚度一般不 變化 ,壓縮段后段的螺旋葉片磨損較快 ,直接 影響螺旋輥的使用壽命 。 焊接結(jié)構(gòu)的材料一般采用 45 號鋼和 40Cr 鋼 。45 號鋼的切削加工性能較好 ,成本 較低 ,而耐磨性和耐腐蝕性較低 。40Cr 鋼的 強度比 45 號鋼高 20 % , 加工后進行表面淬 火 ,其硬度可達 HRc45 。 《廣東造紙》 26 螺旋輥直徑是螺旋擠漿機的主要結(jié)構(gòu)參 數(shù)之一 。在設計螺旋輥時 ,一般都已知所需 要的生產(chǎn)能力 。生產(chǎn)能力不僅與螺旋輥直徑 有關(guān) ,而且與其他幾何尺寸 、工藝操作條件 、 漿

6、料的性能和出漿堵頭壓力等有關(guān) ,所以 ,用 理論公式計算是有困難的 ,因此 ,螺旋輥的直 徑往往用以下方式選取 。 在初步確定的螺旋擠漿機生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn) 速之后 ,可根據(jù)近似的生產(chǎn)能力公式確定 。 近似的生產(chǎn)能力公式 Q ( kg/ h) 為 : 多數(shù)螺旋輥為圓柱形 ,為達到 1∶1 . 15～ 4 的壓縮比 , 可以改變螺旋槽的深度或改變 螺旋的螺距 ,也可以同時改變 。 等距變深螺旋是從進料端的第一個螺旋 槽開始直至壓縮段的最后一個螺旋槽的深度 是逐漸變淺 ,這種螺旋輥加工方便 ,螺旋表面 可以達到一定光潔度 。等深變螺距是指螺旋 槽深度不變 ,螺距從進料段第一螺距開始至 壓縮段

7、末端是從寬逐漸變窄 。這種螺旋輥當 輥徑較大時 ,在出漿處的漿層太厚 ,容易內(nèi)外 干度不均勻 。變深變距螺旋輥是指螺旋槽深 度和螺紋升程 ( 從進料段開始至壓縮段末端 都是逐漸變化 ,即螺旋升程) 從寬逐漸變窄 , 螺旋槽深度由深逐漸變淺 。這種螺旋輥具有 前兩種螺旋輥的特點 ,雖然加工比較麻煩 ,但 可以獲得比只收斂螺距或減小螺槽深度具有 更大優(yōu)點 ?，F(xiàn)時國內(nèi)新設計的螺旋輥大多采 用這種螺旋輥 。 2 . 3 長徑比和螺距數(shù)目 在螺旋輥直徑和壓縮比一定的條件下 , 螺距數(shù)多 ,壓縮段長 ,即長徑比大 ,結(jié)果增加 物料在壓縮段內(nèi)停留時間 ,使?jié){料逐步壓縮 和逐漸排出廢液 。同時對漿料

8、送進量波動的 緩沖能力增加 。但是長徑比太大會使?jié){料產(chǎn) 生過壓打滑 ,內(nèi)摩擦力增加引起末端阻力增 大 ,使電耗增加 ,而且使?jié){料發(fā)熱 ,甚至過干 引起堵塞 。因此長徑比不能太大 ,但太短又 容易跑漿 。螺旋輥的長徑比一般為 4～5 ,螺 距的數(shù)目為 6～7 個 。 2 . 4 螺距 t 螺旋輥的螺距的大小對于一定直徑的螺 Q = 60πDcp1 A nr

9、= ( tco βs - b) D1 - d1 , ( t 為第 2 一節(jié)螺旋的螺距 ;β為第一節(jié)螺 旋平均直徑處的螺旋角 ; b 為第 一節(jié)螺旋的螺葉厚度 。) n ———轉(zhuǎn)速 ( r/ min) c ———進漿濃度 ( %) , (0 . 7 %～1 . 0 %) r ———絕干漿比重 ( kg/ m3 ) < ———進漿填充系數(shù) (常數(shù) 0 . 4～0 . 6) 設 d = 0 . 5D ,t = ( 0 . 65～0 . 75) D ,取 t = 0 . 7D r = 1000 kg/ m3 , < = 0 . 5 , c = 0 . 7 % ～ 1 . 0

10、 % 則螺旋輥直徑 : Q = (865～1236) D3 n 進漿濃度小者取小值 , 反之亦然 。初步 選取螺旋直徑后 ,再根據(jù)已確定的其他參數(shù) 通過生產(chǎn)能力近似公式進行驗算或修正螺旋 輥直徑 。 2 . 2 壓縮比 壓縮比是進料端第一個螺旋槽的容積與 最后一個螺旋槽容積之比 。壓縮比一般由物 料而定 ,物料不同要求的壓縮比也不同 。對 于紙漿 ,一般為 1∶1 . 15～4 。 《廣東造紙》 t 旋來說 ,也就是螺旋升角的大小 ( t gβ=πD ) 。 采用較小的螺距則漿料受到的軸向分力增 加 ,周向分力減小 ,有利于漿料的推進 ,但動 力消耗有些增加 (設螺

11、旋總長不變) 。一般進 料端的第一個螺距約取 ( 0 . 65 ～0 . 75) D , 逐 步減小到最后一個螺距取 ( 0 . 3 ～0 . 5 ) D , D 為螺旋輥外徑 。易脫水的漿 ,螺距及螺旋槽 深度可大些 ,難脫水 ,則短些 。 2000 . No . 6 27 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 為了使?jié){料本身在壓縮過程中的相對運 動減少到最低的限度 ,使得漿料少受損傷 ,減 少功率消耗和螺旋的磨損 。因此

12、,漿料投進 擠漿機后 ,就要迅速而又均勻地受到擠壓 ,并 且壓力的上升要比較平穩(wěn) ,最好前段與后段 的壓力差不要太大 ,使?jié){料受到一個較長時 間的擠壓脫水 ,以達到均勻壓縮的目的 。根 據(jù)均勻壓縮原理 ,要求每段壓縮相同 ,即 小值 。此值過大 ,漿層變厚 ,不易脫水 ,也較 易發(fā)生打滑現(xiàn)象 ,這對大直徑的螺旋擠漿機 更為突出 。 2 . 6 螺旋槽截面形狀 有的研究者曾設想螺旋工作表面的齒廓 上諸點產(chǎn)生的徑向分力和周向分力保持一定 的比例 ,即使“防滑”和“打滑”之間保持相對 統(tǒng)一 。在此基礎(chǔ)上推導出來的齒廓曲線是一 條以 e 為底的指數(shù)曲線 。但徑向分力增加的 同時使物料與螺旋

13、面之間的摩擦力增加 ,即 使克服物料前進阻力的周向分力增加 ,其防 滑效果就不明顯 , 因此 , 為了簡化計算和制 造 ,齒廓曲線完全可以是一條直線 。 螺旋槽截面形狀對漿料擠壓有著極大影 響 。常用的截面形狀有鋸齒形和雙楔形 。如 圖 1 所示 。鋸齒形螺槽的工作面與螺旋輥軸 線垂直 (也有采用 5°傾斜面) ,背面有較大的 傾角 (α≤30°) ,且過渡圓弧角 R 較大 ,這樣可 以減少對漿料的徑向分力 ,不過分增加漿料 與濾鼓的摩擦力 ,避免漿料受過分搓絞 ,有利 于漿料的推進 。雙楔形螺槽的工作面傾角和 背面傾角均采用較大的傾角 ,這種螺槽不僅 可以增加螺牙的強度 ,而且有利于漿料

14、中的 廢液向圓周濾鼓方向擠壓 。 V1 V n - 1 V3 V2 V n - 1 = V n - 2 = = V2 = V1 式中 V1 、V2 、V3 V n 為螺旋輥各節(jié)螺 旋通道的容積 ,其容積可按下式計算 : πt 2 2 (πDCP) + t 2 2 V = 4 (D - d ) - bh 式中 D ———螺旋輥外徑 ( m) d ———螺旋輥根徑 ( m) t ———該節(jié)螺距 ( m) b ———該節(jié)平均牙厚 ( m) h ———該節(jié)牙深 ,h = D - d ( m) 2 Dcp ———平均直徑 ,Dcp

15、= D + d ( m) 2 2 . 5 螺旋槽深度 螺旋槽深度是螺旋輥外半徑與根半徑之 差 ,一般取 0 . 2～0 . 3 倍螺旋輥外徑 ,近來趨 向取小值 ,易脫水的漿取大值 ,難脫水的漿取 圖 1 《廣東造紙》 2000 . No . 6 28 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 工作面與槽底圓弧半徑 r 和背面與槽底 的螺旋(<260mm) 的轉(zhuǎn)速約為 30r/ min 。 圓弧半徑可在下列范圍

16、內(nèi)選取 : r = ( 1 ～ 2 ) 2 3 h ,h 為槽深 , R = (1～2) r ,直徑大者取大值 。 螺葉法向?qū)挾?e 一般取 ( 0 . 05 ～0 . 08 ) D ,e 值太大不但占據(jù)螺槽容積 ,而且增加功 率消耗 ,也容易使?jié){料在螺牙間隙剪切強度 過大而造成漿料擠碎 。e 值也不能太小 , 不 但削弱螺牙強度 ,增大回流 ,降低產(chǎn)量 ,還使 螺牙磨損加速 。另外由于螺旋推力較大 ,摩 擦劇烈 ,最后一個螺牙摩擦最大 ,為此 ,螺牙 應逐個加厚 。 2 . 7 轉(zhuǎn)速 螺旋轉(zhuǎn)速取決于漿料在擠漿機內(nèi)所停留 時間 ,這又與漿料的濾水性、脫水量、出漿濃度 有關(guān)。另

17、外從擠漿機近似生產(chǎn)能力公式可知 : 轉(zhuǎn)速是決定生產(chǎn)能力的一個主要因素。大直 徑的螺旋(<387mm) 的轉(zhuǎn)速為 15r/ min ,小直徑 3 螺旋輥的受力分析 當螺旋擠漿機正常工作時 ,螺旋輥受到 漿料施于的一個法向合力 F ,這一合力分解 N 為徑向分力 F 和 F ′,再將 F ′分解為軸向分 r n n 力 F 和周向分力 F ,如圖 2 所示 。 a t 3 . 1 作用在螺旋輥上的周向分力 Ft 當計及螺旋面上的摩擦力時 Ft = Fn (co sαsinβ+ fco βs ) = 2 T Dcp 式中 α———螺牙工作面的傾角 β—

18、——螺旋升角 f ———漿料與螺旋面的摩擦系數(shù) ,f = 0 . 2～0 . 5 T ———螺旋所受的扭矩 , T = 9 . 55 × 圖 2 《廣東造紙》 2000 . No . 6 29 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 106 pw ( N ·mm) ,p 為螺旋所需的 T = 9 . 55 ×106 Nmaxη ( N·mm) w nw nmax W ———抗扭斷面模量 ( mm3 )

19、 , 對于實 功率 ( kw ) , nw 為螺旋工作時的轉(zhuǎn) 速 ( r/ min) 式中 心軸 , W = π d3 , d 為最小斷面 16 根徑 ,對于空心軸 , W = π d3 ( 1 Dcp ———平均直徑 ,Dcp = D + d ,D 為螺旋輥外 2 徑 ,d 為螺旋輥根徑 ( mm) 作用在螺旋面上的周向力 p t : p t = Ft ·At 16 4 ) - C , 式中 C = d/ d0 , d0 為內(nèi) 孔直徑 。 ———電機最大傳動功率 ( kw) Nmax 式中 At ———承受 Ft 的投影面積 , At

20、 = h (πDcp ) 2 + t 2 nmax ———螺 旋 輥 最 高 工 作 轉(zhuǎn) 速 ( r/ min) η———傳動效率 由軸向力產(chǎn)生的壓縮應力 軸向力為作用在所有螺旋葉片上的軸向 3 . 2 作用在螺旋輥上的徑向分布 Fr Fr = Fnco sαsinβ 作用在螺旋面上的徑向力 p r p r = Fr ·Ar 式中 Ar ———承受 Fr 的有效面積 , 4 . 2 分力之和 ,由于作用在每個螺旋葉片上的軸 向分力不一樣 ,因此計算過程較為復雜 ,工程 上為了計算的簡便 ,通常采用兩種簡化的計 算方法 : (1) 螺旋輥所受的軸向力看作最后一圈 螺旋葉片

21、所受的軸向推力 ,對于運轉(zhuǎn)中的螺 旋輥可按下式計算 : (πD) 2 + t 2 Ar = ( t - e) 3 . 3 作用在螺旋輥上的軸向分力 Fa Fa = Fn (co sαco sβ- f sinβ) 作用在螺旋面上的軸向力 pa p a = Fa·Aa 式中 Aa ———螺旋面承受 Fa 的面積 , N pa = 9 . 408 ×106 nrt g (β+ <) Aa = D - a·t 式中 N ———電機功率 ( kw) n ———螺旋輥工作轉(zhuǎn)速 ( r/ min) r ———螺旋輥最后一圈螺葉的平均半 徑 ( mm) β———螺旋輥最后一圈螺

22、葉的螺旋角 < ———摩擦角 ,t g< = f ,f 為漿料與螺旋 葉片間的動態(tài)摩擦系數(shù) ,f = 0 . 2 ～0 . 5 (2) 螺旋輥所受的總推力也可看作由兩 2 4 螺旋輥的強度校核 螺旋輥在工作時由電機的驅(qū)動而轉(zhuǎn)動 , 從而對物料進行推進 、擠壓而物料企圖阻止 螺旋輥的旋轉(zhuǎn)和擠壓 ,只有電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 大于物料的摩擦力矩 ,螺旋輥產(chǎn)生的軸向推 力大于物料的反壓力 ,物料的壓出才能不斷 進行 ,因而對螺旋輥既受扭又受壓 ,對懸臂式 螺旋輥又有受彎的聯(lián)合作用 。由于在一般情 況下螺旋輥根徑處的承載能力最差 。所以 , 對螺旋輥的強度計算 ,可進一步歸納為在上 述復

23、合應力作用下輸送段第一個螺牙根徑斷 面的強度計算 。 4 . 1 由扭矩 T 產(chǎn)生的剪應力 部分組成 :出料處物料對螺旋輥頭部端面的 作用力 p 1 ;另一部分是在螺旋輥的工作長度 上 ,各螺槽內(nèi)物料與濾鼓 、物料與螺旋輥間摩 擦力有一個軸向分力 p2 ,此力也對螺旋輥有 壓縮作用 ,這就是物料摩擦作用產(chǎn)生的壓力 。 p2 的計算較復雜 , 工程上一般取 p2 = ( 0 . 15 ～0 . 25) p1 。 故作用在螺旋輥上的總軸向推力 2000 . No . 6 T τ= ( Pa) W 《廣東造紙》 30 ? 1994-2013 China Academi

24、c Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. g ———重力加速度 ( m/ s2 ) 其余符號意義同前 。 4 . 4 螺旋輥的合成應力σ 根據(jù)材料力學可知 ,對塑性材料合成應 力σ用第三強度理論計算 ,其強度條件為 pa = p1 + p2 = (1 . 15～1 . 25) p1 = (1 . 15～1 . 25) πD2p 4 式中 p ———出料處頭部壓力 , Pa 。 由軸向力 pa 產(chǎn)生的軸向壓應力σa σ s σd = 2 + 4τ

25、2 ≤[σ= σ p a p a n σa = A = π/ 4 ( d - d0 ) 2 2 式中 σ=σ σ a + b 4p a σs ———螺旋輥材質(zhì)的屈服極限 ( Pa) n ———安全系數(shù) ,n = 3 實際上 ,由于螺旋輥自重引起的彎曲應 力很小 ,一般可以忽略不計 。對于出料端有 支承的螺旋輥比懸臂式受力情況好 ,變形也 比懸臂式小 ,這里不再討論 。 = ( Pa) π( d2 - d2 ) 0 式中 d ———螺旋輥最小斷面的根徑 ( mm) d0 ———螺旋輥中心的孔徑 ( mm) 由螺旋輥自重 G

26、產(chǎn)生的彎曲應力 4 . 3 G·L 2 = GL σb = W 2 W 參 考 文 獻 π 2 2 G = 8 (D + d ) L rg 華南工學院、天津輕工業(yè)學院合編. 制漿造紙機械與設 備. 北京 :輕工業(yè)出版社 ,1981 陳啟新 ,薛宗華編著. 紙漿洗滌與濃縮設備. 北京 : 輕 工業(yè)出版社 ,1986 華南工學院輕工機械教研組編. 輕工機械專業(yè)閱讀資 料之一. 廣州 :華南工學院 ,1984 1 π 3 4 W = 32 d (1 - C ) 2 式中 L ———螺旋輥伸出端的長度 ( mm) r —

27、——螺旋輥材質(zhì)的密度 ( kg/ m3 ) , 鋼 材 r = 7 . 7 ×104 3 Design an d Calculat ion of Scre w Roll in Scre w Press Wa sher H u a n g S hi m ao ( So ut h China U niversit y of Technology , Guangzho u 510641) Abstract : In t his paper , choice of material and co nst ructio n in design and calculatio n of s

28、crew roll have been int ro duced. Fo rces analyses and calculatio n of st rengt h to serew roll have been p roceed2 ed. Key words : screw roll ; fo rces analyses ; design and calculatio n 《廣東造紙》 2000 . No . 6 31 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.