螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的连续输送机械,利用工作构件即螺旋的旋转运动，使物料向前运送,是现代化生产和物流运输不可缺少的重要机械设备之一。螺旋输送机在国民经济的各个部门中得到了相当广泛的应用,已经遍及冶金、采矿、动力、建材、轻工、码头等一些重工业及交通运输等部门,主要是用来运送大宗散货物料,如煤、矿石、粮食、砂、化肥等。在机械制造部门,螺旋输送机是生产过程中组成现代化有节奏流水作业线所必不可少的设备之一,在粮食、饲料、轻纺织、化工、食品等行业,采用螺旋输送机往往不单纯是输送物料,同时还伴随进行某些工艺处理等。螺旋输送机种类较多、结构差异大、设计参数多,并且各参数之间相互联系和制约,使得设计和选择复杂、难度大,尤其是一些主要参数,如果选择和组合不当,将会严重影响螺旋输送机的生产效率和工作性能。
1 螺旋输送机工作原理
螺旋输送机主要分为水平和垂直螺旋输送机,可分别沿水平、倾斜或垂直方向输送物料,这两种机型也是最常用的。水平螺旋输送机主要利用摩擦力输送物料,而垂直螺旋输送机主要利用离心力输送物料。螺旋输送机根据结构可分为双螺旋输送机和单螺旋输送机,后者使用较多。螺旋输送机的安装方式有固定式和移动式两种,大部分螺旋输送机采用固定式。另外,按轴承布置状况,螺旋输送机还可分为有吊挂轴承和无吊挂轴承两类。有吊挂轴承是除了在螺旋体两端有轴承支撑外,在中部还设置轴承,轴承悬挂于壳体上支撑螺旋体,这种结构的优点是轴的刚度较好,挠曲变形小,缺点是结构复杂,物料运行不畅,主要用于长度大于5 m的螺旋输送机；无吊挂轴承则只在螺旋体两端有轴承支撑,结构简单,物料输送运行通畅,但螺旋体轴容易发生挠曲变形,主要用于长度小于5 m的螺旋输送机。
饲料工业中的螺旋输送机主要用于原料的输送和混合，长度较短，水平运送。一般采用实体螺旋叶片、无吊挂轴承、等螺距的单头普通水平布置的螺旋输送机。本文仅以此类螺旋输送机进行探讨，其结构如图1所示，由一根装有螺旋叶片的转轴和料槽组成。转轴通过轴承安装在料槽两端轴承座上，转轴一端的轴头与驱动装置相连。料槽顶面和槽底开有进、出料口。其工作原理是：物料从进料口加入，当转轴转动时，物料受到螺旋叶片法向推力的作用，该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力，有可能带着物料绕轴转动，但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦力的缘故，不与螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着料槽轴向移动。
1. 进料口 2. 槽体 3. 螺旋轴 4. 卸料口
螺旋输送机在输送物料过程中,物料由于受旋转螺旋的影响,其运动并非是单纯的沿轴线做直线运动，而是在一复合运动中沿螺旋轴做一个空间运动。设螺旋输送机的螺旋为标准的等螺距、等直径,螺旋面升角为α的单头螺旋。当螺旋面的升角α在展开的状态时,螺旋线用一条斜直线来表示。下面以距离螺旋轴线r处的物料颗粒M作为研究对象,进行运动分析(见图2)。
旋转螺旋面作用在物料颗粒M上的力为P，由于物料与叶片的摩擦关系，P力的方向与螺旋面的法线方向偏离了β角。β角的大小由物料对螺旋面的摩擦角ρ及螺旋面的表面粗糙程度决定，对于一般热压或用冷轧钢板拉制的螺旋面，可忽略其表面粗糙程度对β角的影响，即认为β=ρ。P力可分解为法向分力P1，和径向分力P2。物料颗粒M在P力的作用下，在料槽中进行着一个复合运动，既沿轴向移动，又沿径向旋转，如图3所示，既有轴向速度V1，又有圆周速度V2，其合速度为V。
当螺旋体以角速度ω绕轴回转时,距离螺旋叶片任一半径r处的O点物料颗粒M的运动速度可由速度三角形求解。叶片上O点的线速度VO就是物料颗粒M牵连运动的速度，可用矢量OA表示，方向为沿O点回转的切线方向；物料颗粒M相对于螺旋面的相对滑动速度，平行于O点的螺旋线切线方向，可用矢量AB表示。若不考虑叶片摩擦，则物料颗粒M绝对运动的速度V。应是螺旋面上O点的法线方向，可用矢量OB表示。由于物料与叶片有摩擦，物料颗粒M自O点的运动速度V的方向应与法线偏转摩擦角ρ相同。对V进行分解,则可得到物料颗粒自O点移动的轴向速度V1和圆周速度V2。其中，V1就是料槽中物料的轴向输送速度,而V2则是对物料输送的阻滞和干扰。
根据物料颗粒M运动速度图的分析，可得到物料轴向移动的速度为：
所以(1)式又可写成：
式中：S——螺旋螺距（mm）；n——螺旋转速（r/min）；?蕊——物料与叶片间的摩擦系数，?蕊=tanρ；ρ——叶片与物料的摩擦角(°)；α——螺旋面升角(°)。
由式(2)及式(3)可得出,物料在料槽内轴向移动速度V1和圆周速度V2随半径r而变化的曲线(见图4)。
由图4可见,V2在半径长度范围内是变化的,在螺旋轴后随半径的增加而减小,因此,物料在螺旋内的移动过程中要产生相对滑动,V1在半径长度范围内也变化，随半径的增加而增加。可见,且靠近螺旋轴的物料的V2比外层的大，而V1却比外层的要小；反之,靠近螺旋外侧的物料V1大、V2小。这将使内层物料较容易随螺旋轴转动,因而产生一个附加的物料流。螺旋在一定的转数之前,这种附加的物料流对物料运动的影响并不显著。但是,当超过一定的转数时,物料就会产生垂直于输送方向的跳跃翻滚,起搅拌而不起轴向的推进作用。这不仅会降低物料的输送效率,加速设备构件的磨损,而且会增大螺旋功率的消耗。因此，为了避免这种现象的产生,螺旋的转数不得超过它的临界转速。
2 螺旋输送机主要设计参数分析
2.1 输送量
输送量是衡量螺旋输送机生产能力的一个重要指标,一般根据生产需要给定,但它与其它参数密切相关。在输送物料时，螺旋轴径所占据的截面虽然对输送能力有一定的影响,但对于整机而言所占比例不大,因此,螺旋输送机的物料输送量可粗略按下式计算：
Q＝3 600F·λ·V1·ε
式中：Q——螺旋输送机输送量（t/h）；F——料槽内物料层横截面积(m2)，F=φD2π/4，其中，φ——填充系数(见表1)；D——螺旋叶片直径(mm)；λ——物料的单位容积质量(t/m3)，它同原料的种类、湿度、切料的长度以及净化方式、效果等多种因素有关，其值查阅相关的手册；ε——倾斜输送系数，考虑到螺旋输送机倾斜布置时对物料输送效果的影响，倾斜输送系数见表1。
在实际工作中，通常不考虑物料轴向阻滞的影响，因此物料在料槽内的轴向移动速度V1≈Sn/60。
∴Q=47D2S·n·?渍·?姿·ε(4)
由上式可以看出，螺旋输送机的物料输送量与D、S、n、φ、λ、ε有关，当物料输送量Q确定后，可以调整螺旋外径D、螺距S、螺旋转速n和填充系数φ四个参数来满足Q的要求。
2.2 螺旋轴转速
螺旋轴的转速对输送量有较大的影响。一般说来，螺旋轴转速加快，输送机的生产能力提高，转速过小则使输送机的输送量下降。但转速也不宜过高，因为当转速超过一定的极限值时，物料会因为离心力过大而向外抛，以致无法输送。所以还需要对转速n进行一定的限定，不能超过某一极限值。
当位于螺旋外径处的物料颗粒不产生垂直于输送方向的径向运动时，则它所受惯性离心力的最大值与其自身重力之间应有如下关系：
mω2maxr≤mg
式中：K——物料的综合系数(见表2)；g——重力加速度(m/s2)；nmax——螺旋的最大转速,即临界转速(r/min)。
式中：A——物料的综合特性系数(见表2)。
因此，螺旋输送机的螺旋转速应根据物料输送量、螺旋直径和物料的特性而定，在满足输送量要求的前提下，螺旋转速不宜过高，更不允许超过它的临界转速，即：
n≤nmax (7)
式中：n——螺旋的实际转速(r/min)。
2.3 螺旋叶片直径
螺旋叶片直径是螺旋输送机的重要参数，直接关系到输送机的生产量和结构尺寸。一般根据螺旋输送机生产能力、输送物料类型、结构和布置形式确定螺旋叶片直径。
将式(6)代入式(4)，并设S=K1D，K1为螺旋螺距与直径的比例系数，一般取K1=0.8，则式(4)为
式中：K——物料综合特性系数。
物料综合特性系数为经验数值。一般说来，根据物料的性质，可将物料分成4类。第1类为流动性好、较轻且无磨琢性的物料；第2类为无磨琢性但流动性较第1类差的物料；第3类为粒度尺寸及流动性同第2类接近，但磨琢性较大的物料；第4类为流动性差且磨琢强烈的物料。各种物料的K值见表2。
螺旋叶片的直径通常制成标准系列,D=100、120、150、200、250、300、400、500和600 mm，目前发展到D=1 000 mm，最大可达1 250 mm。为限制规格过多过乱，国际标准化组织在系统研究、试验的基础上制订了螺旋输送机标准草案，规定螺旋直径优先采用R10基本系列数据。根据式(8)计算出来的D值应尽量圆整成以上标准直径(mm)。
2.4 螺距
螺距不仅决定着螺旋的升角,还决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面,所以螺距的大小直接影响着物料输送过程。输送量Q和直径D一定时,螺距改变,物料运动的滑移面随着改变，这将导致物料运动速度分布的变化。通常螺距应满足下列两个条件:即考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系两个条件,来确定最合理的螺距尺寸。
从图2可知，物料颗粒M所受螺旋面在轴向的作用力Pt为
Pt=Pcos(α+β)≈Pcos(α+ρ)
为使Pt>0，必须满足α<π/2-ρ，因为在rmin=d/2处的α最大(d为螺旋轴直径)，Pt最小，所以许用螺距可由下式求得：
Smax≤πdtan(π/2-ρ)或Smax≤πk1D/?蕊
若令k1=d/D，则Smax≤πk1D/?蕊
式中——物料与叶片间的摩擦系数；k1——螺旋轴直径系数，k1=0.3～0.6。
另外，螺距的大小将影响速度各分量的分布。当螺距增加时，虽然轴向输送速度增大，但是会出现圆周速度不恰当的分布情况；相反，当螺距较小时，速度各分量的分布情况较好，但是轴向输送速度却较小。在确定最大的许用螺距时，必须满足的第二个条件是建立在使物料颗粒具有最合理的速度各分量间的关系的基础上的，即应使物料颗粒具有尽可能大的轴向输送速度，同时又使螺旋面上各点的轴向输送速度大于圆周速度。即V2≤V1，由此可得：
整理得：S≤2rtan(π/4-ρ)，因此在2r=D处(在螺旋外径处)，故可将上式写成：
S'max≤2πDtan(π/4-ρ)
所以螺距S应满足以下两个条件：
Smax≤πk1D/?蕊S'max≤2πDtan(π/4-ρ)(10)
物料的摩擦系数同物料在料槽里的运动取向、运动速度、物料的尺寸、湿度以及螺旋叶片材料及表面状态等有关。输送物料的摩擦系数可参考连续运输机设计手册。通常可按下式计算螺距：
S=K1D(11)
对于标准的输送机，通常螺距为K1=0.8~1.0；当倾斜布置或输送物料流动性较差时K1≤0.8；当水平布置时，K1=0.8~1.0。
2.5 螺旋轴直径
螺旋轴直径的大小与螺距有关，因为两者共同决定了螺旋叶片的升角，也就决定了物料的滑移方向及速度分布，所以应从考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量的适当分布来确定最合理的轴径与螺距之间的关系。
根据物料的运动分析可知，要保证物料在料槽中的轴向移动，螺旋轴径处的轴向速度V1要大于0，即螺旋内升角α<π/2-ρ，又因为tanρ=?蕊，tanα=S/(πd)，所以螺距与轴径之间的关系必须满足的条件之一是：
实践证明，对大多数螺旋输送机来说，一般其螺旋体的结构均能满足第一个条件的要求但对螺旋体直径较小(例如D=100 mm)的螺旋输送机来说，其α2不一定能满足第一个条件的要求，因而在确定较小直径螺旋体的S和d时，必须进行这项验算工作。
轴径与螺距的关系还应满足的第二个条件是：螺旋轴径处的轴向速度V1要大于圆周速度V2，即V1>V2，由式(9)整理可得：
根据式(9)计算,当?蕊取0.3,S=(0.8~1)D时,d≥(0.47~0.59)D；当?蕊值增加时，d/D值还要增加。也就是说，根据式(13)计算得出的轴径相当大，这势必降低有效输送截面。为了保证足够的有效输送截面从而保证输送能力，就得加大结构，使得输送机结构粗大笨重，成本增加。所以，螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结构的综合，在能够满足输送要求的前提下，应尽可能使结构紧凑。由于螺旋输送机的填充系数较低，只要保证靠近叶片外侧的物料具有较大的轴向速度，且轴向速度大于圆周速度即可。
一般轴径计算公式为：
d=(0.2~0.35)D(14)
2.6 填充系数
物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消耗有很大影响。当填充系数较小时，物料堆积高度较低，大部分物料靠近螺旋外侧，因而具有较高的轴向速度和较低的圆周速度，物料在输送方向上的运动要比圆周方向显著得多，运动的滑移面几乎平行于输送方向，这时垂直于输送方向的附加物料流减弱，能量消耗降低；相反，当填充系数较高时，物料运动的滑移面很陡，其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强，这将导致输送速度的降低和附加能量的消耗。因而，填充系数适当取小值较有利，一般取φ<50%。此外，倾斜角度的大小对填充系数也有一定的影响。各种物料的填充系数φ值可参考表1。
2.7 倾斜角度
螺旋输送机的倾斜角度对于螺旋输送机输送过程的生产率和功率消耗都有影响，一般它是以一个影响系数的形式来体现的，倾斜输送系数见表1。螺旋输送机输送能力将随着倾斜角度的增加而迅速降低，同时，螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送效果。另外倾斜角度的大小还会影响填充系数，倾斜角度对填充系数的影响见表1。倾斜角度越大，允许的填充系数越小，螺旋输送机的输送能力越低。因此，在满足使用条件的前提下，螺旋输送机尽量避免倾斜布置，而最好采用水平布置；若工艺需要采用倾斜布置，为了提高输送效率，倾斜角度也不宜太大，一般倾斜角度γ=100°～200°。若一级不能满足要求，可采用多级倾斜布置，以减少损耗。
2.8 传动功率
螺旋输送机的驱动功率，是用于克服在物料输送过程中的各种阻力所消耗的能量，主要包括以下几个部分：①使被运物料提升高度H(水平或倾斜)所需的能量；②被运物料对料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能量消耗；③物料内部颗粒间的相互摩擦引起的能量消耗；④物料沿料槽运动造成在止推轴承处的摩擦引起的能量消耗；⑤中间轴承和末端轴承处的摩擦引起的能量消耗。从另外的角度，也可以这样分：物料与料槽间摩擦消耗的功率；物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率；轴承处摩擦消耗的功率；提升物料及物料颗粒间相互运动消耗的功率。
这样，螺旋输送机的电动机驱动功率，就由机构运动过程中所产生的阻力来决定。阻力主要由以下几个部分组成：①物料与料槽之间的磨擦阻力；②物料对螺旋的摩擦阻力；③物料倾斜向上输送时的阻力；④物料悬挂轴承下的堆积阻力；⑤物料被搅拌所产生的阻力；⑥轴承的摩擦阻力。在计算功率的时候，为简便起见，可以总结螺旋输送机功率为以下几个主要部分。即总的轴功率P应包括物料运行需要功率P1，空载运转所需功率P2，以及由于倾斜引起的附加功率P3三个部分，并且
P1=QLμ/367；P2=DL/20；P3=QH/367＝QHsinβ/367；
P=P1+P2+P3=QLμ/376+DL/20+QHsinβ/367(14)
式中：P——螺旋输送机的驱动功率(kW)；Q——输送量(t/h)；L——输送距离(m)；H——倾斜高度（m），H=Lsinβ；D——螺旋外径(m);μ——物料运行阻力系数。
对于电动机驱动功率为
式中：ξ——功率储备系数，一般取值为1.2～1.4；η——电动机传动效率，η≤0.9，一般为了方便取以0.9计算。
对于连续运行系统中的螺旋输送机，由于整个系统连续作业，且自动化程度很高，任何一个部位发生故障都会影响整个系统的正常运转。因此，这种场合使用的输送机应有较大的功率储备。
3 结语
螺旋输送机是一种连续的物料输送机械，由于连续运输机在工作原理、结构特点、输送物料的方法和方向以及其它一系列特性上各有不同，因此种类繁多。在螺旋输送机的设计中，主要是根据输送物料性质、输送量、输送距离、输送倾角、螺旋转速来确定螺旋输送机的生产率和功率。设计参数主要有两类，一类为设计常量，它是根据客观规律，具体条件所确定的已知数据或者是预先给定的参数。另一类为设计变量，它是设计中可变化的需要确定的结构参数。由于饲料原料多种多样，而且原料的特性随原料的种类、产地、湿度以及备料净化方式及效果等各种因素的不同而改变，因此，在确定螺旋输送机的主要参数时，要从其输送机理、物料的特性等方面入手，尽可能进行多种试验，取得一些设计参数，才能设计出较符合物料特性的螺旋输送机。
螺旋输送机对于减轻繁重的体力劳动，提高劳动生产率，实现物料输送过程的机械化和自动化，都具有重要的现实意义。未来螺旋输送机发展方向和趋势是：①大运量、高速度、长使用寿命；②低能源消耗；③智能化发展；④空间可弯曲输送；⑤组合复合化输送，向着大型化发展；⑥扩大使用范围；⑦环保意识设计，减少污染，实现绿色设计的目标。
参考文献：略 作者：陈广富 徐余伟
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