螺旋输送机螺旋轴断裂的分析计算

李玉胜

摘要：实际生活中，螺旋输送机的作用与价值是显著的，被广泛应用于各个矿山、化工、医药、造纸等行业，促进了这些行业的快速发展。究其功能，只要是用于物料的破碎输送，为各个企业节省了不少的人力、物力、财力。在螺旋输送机中，螺旋轴是其中的重要零部件，在落选输送机工作运转中，起到了至关重要的作用。在一段时期内，各行各业的螺旋轴都出现了断裂显现，也正因其重要性，引申出我们本次的研究与分析，探究主题为螺旋输送机螺旋轴断裂的分析计算，通过对螺旋输送机螺旋叶片进行受力分析，以挠曲率为刚度条件，对螺旋轴进行最大挠度校核，选取使用寿命更长的螺旋轴。

关键词：螺旋输送机;受力分析;最大挠度;挠曲率

0  引言

众所周知，机械在运转过程中，难免会出现部分零部件的损坏，螺旋输送机也不例外，螺旋轴是该机器中比较容易出现问题的零部件。螺旋轴的损坏多以断裂形式出现，在较常一段时期内，深深困扰着各行各业，也严重干扰与阻碍了各行各业的正常运转。由此可见，对螺旋输送机螺旋轴断裂的进行分析与计算有其必要性和意义。也希望能够通过本次的研究，可以为相关行业、企业带去实际性帮助。

1  简介

螺旋输送机是由带有螺旋叶片的转动轴在一密闭的机壳内旋转，使进入的物料沿机壳向前移动，在运转中，螺旋推动物料作轴向运动。物料可以从槽底合适的开口落下来或是从槽的端部输出。当然，螺旋轴的材料会根据使用场合的不同而有所差异，如常用的碳钢、合金钢、耐磨钢、铝合金等，这些材料的性能、价位均不相同，其中，属碳钢材质更受欢迎，只因其能满足强度、刚度硬性标准，还能为企业节约经济成本、减少螺旋轴自重，是一种不可多得的材料，因此，在日常生产过程中，碳钢材质的螺旋轴更为常见。

某石化厂包装单元V-710螺旋输料机，东西各一台，型号为ZBM L600/25，是全自动称重包装码垛生产线的一部分，属于一段跨度螺旋轴，它主要是由变频电机、减速机、轴承（UCF210）、螺旋轴等组成。其中电机及减速机的参数可见表1。

2  受力分析

东侧螺旋输送机于2016年6月和11月发生了螺旋轴断裂，致使该设备无法继续使用。螺旋轴断裂的位置均在轴的中部。断裂如图1所示。

V-710螺旋输送机的螺旋轴材质为0Cr18Ni9，螺旋長度为1785mm，2016年6月和11月断裂的螺旋轴的主轴均使用的是直径为Φ60×5mm的不锈钢空心管，该螺旋轴的参数见表2。

对螺旋叶片进行受力分析，以螺旋中径d为螺旋叶片当量直径，叶片受力见图2。

由图2可知，螺旋叶片对物料的推力F分解为两个分力：Fa、Ft。

Fa为轴向分力，推动物料沿轴向前进;Ft为圆周分力，使物料沿圆周回转。

式中：d1——螺旋叶片中径，mm;l——螺旋叶片中径周长，mm;α——螺旋中径上螺旋角，°;Fa——主动端轴承承受轴向力，从动端轴承轴向力为零，N。

3  折断原因分析

在螺旋输送机中，决定其工作性能、生产效率和使用寿命的主要零部件就是螺旋轴。螺旋轴在很长一段时期内遭受断裂的影响，而造成断裂的缘由需要深究，具体观点如下：

一段跨度螺旋轴一般用无缝钢管外焊螺旋叶片制成，轴两端有轴承支承，中间悬空。螺旋轴受力主要是承受弯矩、扭矩和轴力的作用，受力最大的危险截面是在轴的中部。相对弯矩而言，扭矩和轴力引起的受力变形很小，约为前者的1/6-1/10，在实际计算时可忽略不计。[1]由于物料的粘度特性，该设备在运行时，物料附着在螺旋叶片上，输送仓内物料越积越多，在轴的中部易由于弯矩的作用而发生断裂。

螺旋轴运转一周，轴上各点的受到的弯矩、扭矩和轴力均循环一周，螺旋轴一直处于以上几种力的循环往复的作用中。所以，疲劳断裂是一段式螺旋轴折断的主要原因，疲劳断裂是最大线应变达到单向应力状态下的极限值而造成的。由于线应变在工程上近似于挠曲率，而螺旋轴的挠曲率是其最大挠度与跨度之比，所以可以通过挠曲率对该轴进行检验。

由计算可知，更新后螺旋轴的叶片所受到的圆周分力和轴向分力均小于更新前螺旋轴螺旋轴的叶片所受到的圆周分力和轴向分力，空心轴的最大挠度和挠曲率均小于更新前的空心轴。相应的线应变比更新前而减小，螺旋轴上各点的受到的弯矩、扭矩和轴力也比更新前而减小。可见使用直径为Φ76mm不锈钢空心管制造的螺旋轴，它的使用寿命相比直径为Φ76mm不锈钢空心管制造的螺旋轴使用寿命更长。

4  结束语

螺旋输送机是输送设备中最重要的设备之一，它的应用价值是值得肯定的，这是毋庸置疑的，从中不难看出，螺旋输送机成为了产品生产环节中不可或缺的一部分，也由此奠定了其在生产中的重要地位。鉴于这点，就有必要对螺旋输送机中的螺旋轴的断裂进行分析与探究，只因螺旋轴的断裂对影响螺旋输送机的正常运转，会给相关企业、行业带去经济损失和实际困扰。通过对叶片受力分析和空心轴的最大挠度和挠曲率的分析计算，可看出使用直径为Φ76mm钢管制造的螺旋轴，它的使用寿命更长，为更多企业提供了建议与解决渠道，使得本次的研究有了重要突破，相信可以为进一步解决螺旋输送机的螺旋轴断裂问题提有效依据和凭证。

参考文献：

[1]宋诚生，董玉德，李延峰，赵韩.螺旋输送机螺旋轴的设计和寿命预测方法的研究[J].中国机械工程，2003（12）：66-69，6.

[2]宋诚生，汪煌生.大跨度螺旋输送机的设计和应用[J].轻工机械，1999（04）：31-33，37.

[3]张晓伟，董敏敏，倪春林，刘菲菲，李慧燕，邵立承，李得龙.螺旋输送机两端支撑滚动轴承选择计算[J].山东化工，2017，46（11）：126-127.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2013.

[5]JB/T 7679-2008，螺旋输送机[S].