摘 要

水平螺旋输送机属于连续运输机中的一种，在工农业领域经常用到，用于短距离散货物料的输送，是当今条件下不可缺少的运输机械之一。对其进行优化设计，研究它运输物料的过程并改善工艺流程均可以带来巨大的经济效益，所以对螺旋输送机进行这两个方面的研究有重要意义。

本文对水平螺旋输送机进行了参数设计，根据输送能力800t/h的要求来计算对应参数并进行了参数校核。与此同时，利用SolidWorks软件建立了三维模型，借助EDEM软件将输送物料的过程进行仿真，并通过EDEM软件进行了螺旋体的受力分析。所借助的离散元分析方法在工农业领域中的机械设计以及散粒物料的研究方面有着广泛的应用。并从经济性分析的角度对设计出的水平螺旋输送机进行了简易的评估。

关键词：水平螺旋输送机，螺旋体受力分析；离散元分析方法

Abstract

The horizontal screw conveyor belongs to one of the continuous conveyors. It is often used in the industrial and agricultural fields and is used for the transportation of short-distance bulk materials. It is one of the indispensable transportation machines under the current conditions.

Optimizing the design, studying the process of transporting materials and improving the process can bring huge economic benefits. Therefore, it is important to carry out research on these two aspects of the screw conveyor.

In this dissertation, the parameters of the horizontal screw conveyor are designed. According to the requirement of 800t/h, the corresponding parameters are calculated and the parameters are checked. At the same time, the 3D model was built by using SolidWorks software. The process of conveying materials was simulated by EDEM software, and the force analysis of the spiral was carried out by EDEM software. The discrete element analysis method with which it is used has a wide range of applications in mechanical design in the industrial and agricultural fields and in the study of bulk materials. The designed horizontal screw conveyor was easily evaluated from the perspective of economic analysis.

Key Words：horizontal screw conveyor；spiral force analysis；DEM

目录

第1章 绪论 1

1.1 论文撰写的目的及意义 1

1.1.1 水平螺旋输送机概述 1

1.1.2 螺旋输送机工作原理 2

1.1.3 螺旋输送机国内外研究现状 2

1.1.4 螺旋输送机存在的不足 3

1.2 离散元法概述 3

1.2.1 离散元法简介 3

1.2.2 离散元分析方法发展趋势 3

1.3 基于离散元仿真的螺旋输送机研究 4

1.4 论文研究的目的及意义 4

1.5 本章小结 5

第2章 设计计算 6

2.1 设计要求 6

2.2 参数选择 6

2.2.1 物料的确定及其对应参数 6

2.2.2 螺旋直径D的确定 6

2.2.3 螺旋轴直径d的确定 7

2.2.4 螺距S的确定 7

2.2.5 转速n的确定 7

2.2.6 堆积密度ρ填充系数ψ及运行阻力系数λ的确定 7

2.2.7 螺旋输送机倾角系数C的选择 7

2.3 参数的校核 8

2.4 轴承选择 9

2.5 电机选择 9

2.6 叶片选择 9

2.7 本章小结 10

第3章 离散元仿真参数校正实验 11

3.1 参数校正实验的内容 11

3.2 堆积角仿真实验设计 11

3.3 堆积角仿真实验中涉及的参数 12

3.3.1 颗粒直径的设置 12

3.3.2 材料属性的设置 12

3.3.3 重力的设置 12

3.3.4 物料颗粒生成速度的设置 12

3.3.5 接触模型及接触属性的设置 12

3.4 堆积角仿真实验步骤 14

3.5 堆积角仿真实验结果 15

3.6 堆积密度仿真实验设计 16

3.7 堆积密度仿真实验步骤 17

3.8 堆积密度仿真实验结果 17

3.9 本章小结 18

第4章 水平螺旋输送机的建模仿真及受力分析 19

4.1 水平螺旋输送机建模仿真流程 19

4.2 水平螺旋输送机的三维建模 20

4.2.1 三维模型外观展示 20

4.2.2 三维模型细节尺寸介绍 21

4.3 水平螺旋输送机输送物料的离散元仿真介绍 22

4.3.1 仿真参数设置 22

4.3.2 仿真步骤 22

4.4 对水平螺旋输送机螺旋体的受力分析 23

4.4.1 螺旋体受力 23

4.4.2 螺旋体所受力矩 25

4.4.3 数据分析 27

4.5 本章小结 27

第5章 经济性分析 28

5.1 制造成本 28

5.2 使用保养 29

第6章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 论文撰写的目的及意义

1.1.1 水平螺旋输送机概述

螺旋输送机主要用于运输块状的物料、颗粒状的物料以及黏性偏小的粉末状^[1]物料，如炉渣、干燥河砂、煤块、石灰等化工产品以及稻谷、小麦、玉米粉等农业产品。螺旋输送机根据组成结构的差异，能够将螺旋输送机区分有轴螺旋与无轴螺旋；此外，鉴于螺旋壳体形式的不同，又将其划分为U 型螺旋输送机和管式螺旋输送机；螺旋输送机输送物料时，物料被螺旋叶片所带动沿着螺旋轴的方向移动，同时由于螺旋安装方式的不同存在一定的差异，布置方式常为水平，同时也可以垂直或者倾斜布置，由于输送方向的灵活，螺旋输送机的应用范围十分普遍。

于1887年，美国生产出世上首台螺旋输送装置^[3]。在此之后，螺旋输送装置应用于粮食、化工、冶金、码头等多种行业，并随者工业水平的提升，其功能逐渐增加并在运输过程中完成压缩等工艺流程，在具体输送物料过程中还能够实现变频调速并且做到了控制定量输送。

螺旋输送机普遍应用于农业和工业领域中，用于短到中等距离运输或提升散装材料。它们对于干燥固体颗粒的运输十分有效，可以很好的控制吞吐量。螺旋输送机可以在固废处理^[13]（包括飞灰处理、除臭过滤装置卸料、垃圾渗沥液的处理）领域发挥重要作用。螺旋输送机在煤炭、化工、农业、建材及机械加工等领域作为一种连续输送设备被普遍使用。

螺旋输送机的机械构造简单、成本较低、能够可靠稳定地工作；具有噪声低、维修成本低、易于长输送距离等优点。虽然螺旋输送机的活动机制以及输送原理简单，但是螺旋输送机的机械结构是比较复杂的。设计者往往严重依赖于经验性数据，导致螺旋运输机能耗过大，效率不足。

螺旋输送机的组成部分包括电动机机，减速机，联轴器，前端、中间、尾端支座，外壳，入料口，卸料口以及螺旋轴。当螺旋输送机输送距离较大时，则由分段壳体与分段螺旋轴接合而成。在中间部分会设置多个吊轴承用于支承，通常设置吊轴承的间隔距离为3～4m，同时也可以通过挠度计算来确定吊轴承的间隔距离。吊轴承的数目应尽量少，原因是在吊轴承处容易发生物料停滞堵塞的现象。壳体材料通常选用厚度不小于4mm的钢板或钢管。

1.1.2 螺旋输送机工作原理

螺旋输送机的工作原理：电机带动螺旋状的心轴旋转；在螺旋状的心轴回转时螺线能够向前或向后移动，继而促使物料与之一起运动，实现物料的远距离输送。

1.1.3 螺旋输送机国内外研究现状

（1）国外研究现状^[4]

国外的螺旋输送机主要进行对流动性好的物料^[3]的中远距离输送，这些物料主要是干燥的散货。对螺旋输送机研究机型参数设计并实现定量输送。还探究了设计参数、货物属性与属性能力三者的关系。并设计出了多种特殊机型来实行复杂场合的工作条件，但由于这些特殊机型设计计算流程困难，制造所需的成本也很高，难以推广使用，仍需通过改进常用设备来在保证收益的前提下发挥出作用。

此外对螺旋卸船机的研究也处于领先地位，螺旋卸船机系统^[16][17] 可以通过不同规格的水平螺旋输送机和垂直螺旋输送机搭配构成，单个机器运输能力均在1000t/h以上。

（2）国内研究现状^[4]

我国是工农业的大国，对于螺旋输送装置需求量大，应用于各个行业。螺旋输送装置部件的设计参数有利于解决实际输送过程中的堵塞、输送效率低、能耗大、使用寿命短等问题。

在理论研究与参数设计方面。我国很多学者针对多种型号的水平以及垂直螺旋输送机^[12]的性能参数进行了大量的试验研究，被测试的各种机型能够满足输送要求。但是伴随着输送量的加大以及更多行业的使用需求，对机器的技术与质量要求也随之提升，所以改良并深入探究螺旋输送机的参数设计以及理论分析，并且着重提升其输送性能，就能够满足今后的需求。

我国大多数研究主要针对的是螺旋输送机的输送原理来进行的，计算方法过程繁杂且精度低，计算完成后仍需进行实践检验。实验法得出结论需要的时间长，耗费的资金以及人力物力也很大。

进入21世纪以来，计算机技术得到了前所未有的发展，对螺旋输送机设计计算已经不仅仅限制于手绘图纸，使用经验公式，设计手册等传统机械设计的方法。更多的研究人员将目光放在了传统的机械设计与先进的虚拟样机技术相结合，开发出了更为先进快捷的设计流程，使用建模软件可以在参数设计完成后进行虚拟建模和装配，缩减了成本，节约了时间，同时也降低了人为因素如绘图、计算等带来的误差。并且开发出了专业的设计计算软件，将螺旋输送机的设计步骤规范化、流程化。

1.1.4 螺旋输送机存在的不足

螺旋输送机使用时容易受到环境条件的制约，大部分机型只能用于直线运输，装配有曲轴的螺旋输送机制造成本高，不具备大范围推广使用的条件。另外输送距离短，面临较长距离输送时就需要用到多个螺旋输送机组合使用，在连接处的技术要求高，并容易造成物料堵塞、停滞等问题。

螺旋输送机的适应能力差。即使输送的是同种物料，当物料本身性质（如颗粒大小、温度、湿度、粘度等）不同时，对应的其结构参数也有多种差别，均不成系列。缺乏适应能力强的输送装置，如此导致了行业内的设计规范不统一， 零部件需要定制，增加了制造成本。

螺旋输送机的用于输送物料零部件易于磨损，维修保养成本高，能量的传递效率低，耗能较大。

1.2 离散元法概述

1.2.1 离散元法介绍

离散单元法最早由美国学者Cundall^[5]提出，是一种对散粒物料的分析方法。这种方法的思路是将分析对象分化为具有本体性质（质量、密度、泊松比等）的微小单元体的集合，然后以研究对象本体的性质来对这些微小单元体之间的接触关系进行设置。从而通过这些微小单元体之间的每一时刻的关系逆向推导出本体的运动或者受力状态。

1.2.2 离散元分析方法发展趋势

离散元分析方法从产生到现在，随着越来越对的学者对离散元法的深入研究^[2][14]，它的理论也逐渐变得完善。并在工农业领域^[11]得到了广泛使用，是一种对散粒、小块状物体进行分析的可行有效的方法。随着分析对象种类的增加以及对精度要求的提升，根据离散元法分析的原理可知，精度要求越高，所划分的微小单元体就越小，动辄会进行百万、千万甚至更高数量级的计算。此时就根据离散元法的理论对其算法过程进行优化设计，从而达到提高精度或者节约时间的目的。

此外，离散元分析软件与其他软件相耦合是现今离散元法发展的一个重要方向。例如：EDEM作为一款经典的离散元分析软件与Adams耦合成功解决了离散元仿真过程中的几何体构件较为复杂的运动问题；此外EDEM软件与ANSYS的耦合，可以用来解决从连续的介质到非连续介质的问题。多个软件的耦合使用也拓宽的离散元分析法的适用范围。

1.3 基于离散元仿真的螺旋输送机研究

螺旋输送机运输的物料大部分均为块状、粉末状的散货。这些被运输的物料在螺旋输送机中的运动过程可以很好的通过EDEM软件进行仿真来进行分析。在使用实体进行研究之前，通过EDEM软件对螺旋输送机工作过程进行仿真既可以研究物料的各种性能，也可以模拟出螺旋输送机工作中可能产生的一些状况，可以节约用实物所耗费的人力物力资源。范召、胡国明^[5]对水平螺旋输送机的不同参数进行了离散元仿真实验，考察了螺旋输送机工作过程中螺旋转速、填充率等参数之间的关系。不仅如此，也可以对不同型式规格的螺旋输送机进行离散元仿真来研究螺旋输送机本身的性质。

1.4 论文研究的目的及意义

通过本次毕业论文的撰写，能够对水平螺旋输送机有全面的认识，并且在整体设计过程中运用所学知识，将大学四年过程中所学到的知识应用在实践中，同时能够熟练掌握查阅相关资料并从中获得自己所需信息的能力。根据相关文献并参考之前的设计，自主完成水平螺旋输送机的设计过程，从前期的理论分析计算到概念设计再到设计以及三位建模、离散元仿真等工作，并对其螺旋体进行受力分析。完成论文的过程是将自身所学的专业知识与实践工作相结合的过程，使自己的设计能力和实践能力都有了很大的提高，不但在理论方面加深认识，同时也对未来所涉及的工作有了一定的了解，将理论与实际的设计工作相结合并加以运用。另外在毕业论文的撰写过程中，是对具体的设计思路的一次实践，尽管可能做的不太完善，但独立自主的设计以及分析过程可以为以后的学习工作打下良好的基础。

1.5 本章小结

本章主要总结了对螺旋输送机的国内外研究现状，简介EDEM软件以及离散元分析方法的来历以及应用，以及离散元方法在螺旋输送机设计方面的应用，最后写了撰写此论文的目的及意义。

第2章 设计计算

2.1 设计要求

螺旋输送机是通过电机来带动螺旋轴与螺旋叶片的旋转，利用被运输的物料和螺旋叶片之间的摩擦力产生相对的转速，从而实现对物料的运输。具有结构简单、横截面积小、密封性优良，操作简单、易于维修、有利于密闭的运输。因此可以广泛的运用在工农业领域中。在本次毕业设计中要求设计水平螺旋运输机，输送能力为800t/h，输送距离为10m，输送的倾角为0°。

2.2 参数选择

在本次设计中选择设计的是LS型螺旋输送机，现有的螺旋输送机的输送能力

（2.1）

2.2.1 物料的确定及其对应参数

运输的物料的原始数据以及工作条件是设计螺旋输送机的依据在本次设计中选择的是无烟煤，密度为1530kg/m³。

2.2.2 螺旋直径D的确定

根据LS型螺旋输送机螺旋的标准直径系列

表2.1 LS型螺旋输送机规格系列（部分）

根据LS型螺旋输送机的规格系列以及现有的运输物料能力接近的螺旋输送机的螺旋直径，初选此螺旋输送机的螺旋直径为1000mm。

2.2.3 螺旋轴直径d的确定

螺旋轴直径d的确定^[10]与螺旋直径D有关，二者关系见公式2.2：

（2.2）

同时，根据已有的同类产品所使用的螺旋轴，将螺旋轴直径设为219mm。

2.2.4 螺距S的确定

螺距是测量沿螺旋线方向两个螺纹间的距离，由表2.1可得螺旋直径D为1000mm时，螺距为560mm。，鉴于输送物料的要求为800t/h，经过初步计算后560mm螺距不能达到输送能力的要求，且手册出版日期与论文撰写的时间间隔较大，与当下的技术能力存在一定差异，则初选螺距S为800mm。

2.2.5 转速n的确定

螺旋输送机的圆周速度不允许过大，速度过大会导致输送物料受到较大的离心力作用，则无法起到运输物料的作用。螺旋输送机允许的最大的主轴转速取决于螺旋直径D，可以按照公式2.2来计算。

（2.3）

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