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構 ,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 。螺旋輥是其主要的工 作零件 。螺旋輥是在漿料的摩擦力

2、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構 ,確定螺旋輥直徑 、長 徑比 、壓縮比 、螺距等結構參數(shù) ,然后進行受 力分析和強度校核 。鑄造結構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 HRc5760 ,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 鋼 。鑄鋼 ,如 ZG270 - 500 ,具有較高的

3、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 23 mm 厚的耐磨硬質(zhì)合金 ,噴焊后的表面硬度可達 HRc5258 。2螺旋輥結構參數(shù)的確定螺旋輥的結構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 構 ,因此壓縮段起到輸送 、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

4、 ,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 。螺旋輥的主要結構參數(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 D2000 . No . 61螺旋輥的材料和結構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 。螺旋輥從結構上可 分為焊接結構和鑄造結構 。焊接結構是將螺 旋葉片和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

5、 影響螺旋輥的使用壽命 。焊接結構的材料一般采用 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構參數(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 ,而且與其他幾何尺寸 、工藝操作條件 、 漿料的性能和出漿堵頭壓力等有關 ,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

6、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 11 . 154 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)

7、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

8、為 45 ,螺 距的數(shù)目為 67 個 。2 . 4 螺距 t螺旋輥的螺距的大小對于一定直徑的螺Q = 60Dcp1 A nrcco s式中Dcp1 第一節(jié)螺旋平均直徑 ,mD1 + d1, ( D1 為螺旋輥Dcp1 =2外徑 ,d1 為螺旋輥根徑)A 第一節(jié)螺旋的法向截面積 ( m2 )A = ( tco s - b) D1 - d1 , ( t 為第2一節(jié)螺旋的螺距 ;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 .

9、 40 . 6)設 d = 0 . 5D ,t = ( 0 . 650 . 75) D ,取 t =0 . 7Dr = 1000 kg/ m3 , = 0 . 5 , c = 0 . 7 % 1 . 0 %則螺旋輥直徑 :Q = (8651236) 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 11 . 154 。廣東造紙t旋來說 ,也就是螺旋升角的大

10、小 ( t g=D ) 。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 . 627 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

11、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 ,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 。在此基礎上推導出來的齒廓曲線是一 條以

12、 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 (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

13、僅 可以增加螺牙的強度 ,而且有利于漿料中的 廢液向圓周濾鼓方向擠壓 。 V1 V n - 1V3 V2V n - 1 = V n - 2 = V2 = V1式中 V1 、V2 、V3V n 為螺旋輥各節(jié)螺旋通道的容積 ,其容積可按下式計算 :t22(DCP) + t22V = 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)2Dcp 平均直徑 ,Dcp = D + d ( m)22 . 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 . 20 . 3

14、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 . 628 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內(nèi)選取 : r = ( 1 2 )23h ,h 為槽深 , R = (12) 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

15、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。另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

16、 和 F ,再將 F 分解為軸向分r nn力 F 和周向分力 F ,如圖 2 所示 。at3 . 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 ssin+ fco s ) = 2 TDcp式中螺牙工作面的傾角螺旋升角f 漿料與螺旋面的摩擦系數(shù) ,f =0 . 20 . 5T 螺旋所受的扭矩 , T = 9 . 55 圖 2廣東造紙 2000 . No . 629 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 106 pw ( N mm) ,p

17、 為螺旋所需的T = 9 . 55 106 Nmax ( Nmm)wnwnmaxW 抗扭斷面模量 ( mm3 ) , 對于實功率 ( kw ) , nw 為螺旋工作時的轉(zhuǎn)速 ( r/ min)式中心軸 , W = d3 , d 為最小斷面16根徑 ,對于空心軸 , W = d3 ( 1Dcp 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 At164 )- 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 = h(Dc

18、p ) 2 + t 2nmax 螺 旋 輥 最 高 工 作 轉(zhuǎn) 速 ( r/min) 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 FrFr = Fnco ssin作用在螺旋面上的徑向力 p rp 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 螺旋葉片所受的軸向推力 ,對于運轉(zhuǎn)中的螺 旋輥可按下式計算 :(D) 2 + t 2Ar = ( t

19、- e)3 . 3作用在螺旋輥上的軸向分力 FaFa = Fn (co sco s- f sin)作用在螺旋面上的軸向力 pap a = FaAa式中Aa 螺旋面承受 Fa 的面積 ,Npa = 9 . 408 106nrt g (+ )Aa = D - at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)螺旋輥最后一圈螺葉的螺旋角 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 . 20 . 5(2) 螺旋輥所受的總推力也可看作由兩24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

20、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

21、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 . 150 . 25) p1 。 故作用在螺旋輥上的總軸向推力2000 . No . 6T=( Pa)W廣東造紙30 1994-2013 China Academic 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螺旋輥的合成應力根據(jù)材料力學可知 ,對塑性材料合成應 力用第三強度理論計算 ,其強度條件為pa = p1 + p2= (1 . 151 . 25) p

22、1= (1 . 151 . 25) D2p4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asd =2 + 42 =p a p a na= A =/ 4 ( d - d0 )22式中 =a +b 4p a s 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)( 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 產(chǎn)生的彎曲應力4 . 3GL

23、2= GLb =W2 W參 考 文 獻 2 2G = 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 ,19841 34W = 32 d(1 - C )2式中L 螺旋輥伸出端的長度 ( mm)r 螺旋輥材質(zhì)的密度 ( kg/ m3 ) , 鋼 材 r = 7 . 7 1043Design an d Calculat ion of Scre w Roll in Scr

24、e w Press Wa sherH 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 screw rollhave been int ro duced. Fo rces analyses and calculatio n of st rengt h to serew roll have been p roceed2ed.Key words : screw roll ; fo rces analyses ; design and calculatio n廣東造紙 2000 . No . 631 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.