輪式洗砂機(jī)設(shè)計(jì)

于磊 宋珺頤 吳林峰 向長春

摘要：黃河因其地質(zhì)和氣候特點(diǎn)，造成中下游河床日益抬高，對(duì)其河床泥沙進(jìn)行開采后清洗回收，可作為制作建筑物的有效材料。因此，設(shè)計(jì)了一款輪式洗砂機(jī)，該洗沙機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、主軸、傳動(dòng)系統(tǒng)、葉輪、洗沙池、支架等零部件組成，其工作原理是利用電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力由傳動(dòng)裝置傳遞到主軸，進(jìn)而帶動(dòng)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成洗沙池中砂石的清洗。該洗沙機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，為泥沙的綜合利用提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：輪式洗沙機(jī);泥沙回收;砂石清洗

引言：黃河因其上游地質(zhì)和氣候特點(diǎn)，造成下游成為“地上懸河”，河床的日益抬高，給中下游河道兩岸帶來一定的洪澇安全隱患。各級(jí)管理部門在河勢和防洪安全不被影響的前提下，通過有計(jì)劃的開采河床泥沙，進(jìn)一步減輕泥沙的淤積。開采后的泥沙經(jīng)過清洗之后，可以作為房屋、橋梁等建筑物材料[1]。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一款泥沙清洗專用設(shè)備—輪式洗砂機(jī)。

1輪式洗沙機(jī)方案設(shè)計(jì)

輪式洗沙機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸、支架、葉輪、洗沙池等組成。其工作原理是通過電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)的減速后，將動(dòng)力傳遞給主軸，主軸進(jìn)而帶動(dòng)葉輪緩慢的做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，把待清洗的砂石原料倒入下料口，葉輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)會(huì)使水箱中的石料相互打磨，去除掉砂石表面的雜質(zhì)，同時(shí)，加水形成強(qiáng)沖擊力的水流，把比重低的雜質(zhì)清除掉，完成砂石的清洗。清洗干凈的砂石由葉片帶走，通過輸送帶運(yùn)送至倉庫或打包運(yùn)輸。

1.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置由帶傳動(dòng)、二級(jí)減速器和齒輪傳動(dòng)構(gòu)成，帶傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給二級(jí)減速器，經(jīng)齒輪傳動(dòng)減速后傳遞到主軸，進(jìn)而帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)。

帶傳動(dòng)采用普通V帶傳動(dòng)，帶輪材料選用HT200，采用鑄造加工，帶輪通過鍵與電動(dòng)機(jī)輸入軸和減速器的輸入軸相連;已知電動(dòng)機(jī)的功率是15kW，轉(zhuǎn)速是730r/min，電動(dòng)機(jī)每天工作12h，工況系數(shù)取1.3，根據(jù)已知的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)輪式洗砂機(jī)的帶傳動(dòng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，電機(jī)計(jì)算功率為：

Pc=KAP。

式中：Pc為計(jì)算功率（kW）;P為傳遞的額定功率（kW）;KA為工作情況系數(shù)。

綜合考慮洗砂機(jī)的載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間等因素，KA=1.3，P=15KW，則Pc=19.5kW

根據(jù)計(jì)算功率Pc =19.5kW和小帶輪轉(zhuǎn)速n=730r/min，選擇帶的型號(hào)為C型，小帶輪基準(zhǔn)直徑

為dd1=200mm，傳動(dòng)比i=3，則大帶輪直徑dd2=600mm取標(biāo)準(zhǔn)值有dd2=560mm，則中心距a0=1200mm，帶的基準(zhǔn)長度Ld=3550mm，帶輪α1≥120°，傳動(dòng)帶的根數(shù)Z=6。

減速器采用二級(jí)減速器，型號(hào)為ZQ650-50-I-Z;設(shè)計(jì)的輪式洗砂機(jī)齒輪傳動(dòng)裝置部分是開式齒輪傳動(dòng)，大小齒輪材料選用42CrMo，采用鍛造加工并進(jìn)行正火和淬火處理，齒輪通過鍵分別與減速器的輸出端和主軸連接，根據(jù)減速器的型號(hào)可得出齒輪的傳動(dòng)比為3.12。

1.2葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉輪是輪式洗砂機(jī)的重要部件，葉輪的旋轉(zhuǎn)使砂子在清洗槽中相互研磨，進(jìn)而去除砂子表面的雜質(zhì)[3-4]，葉輪為焊接件，由葉輪板，旋轉(zhuǎn)支架，篩網(wǎng)，管子等焊接安裝而成，中間的管子和支撐板是焊接在一起的，篩網(wǎng)是通過螺絲螺母固定在葉輪板上面，旋轉(zhuǎn)支架包括沿轉(zhuǎn)軸周向固定設(shè)置的多個(gè)支臂和設(shè)置在支臂上的環(huán)形幅板，支臂對(duì)稱設(shè)置在轉(zhuǎn)軸兩端，幅板分別固定安裝在兩側(cè)各支臂上。

1.3洗沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洗砂池用來盛裝所需清洗的泥沙，放料的同時(shí)加水，由葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)砂石物料之間相互研磨，以去除掉砂石表面的雜質(zhì)，留在水箱里的雜志，后通過放水口排出，進(jìn)行下一步加工，而清洗干凈的砂石物料會(huì)從旋轉(zhuǎn)的葉輪倒出出料槽，完成洗砂工作，由底面和側(cè)面的板子以及安裝軸承的架子焊接而成。

2主軸的強(qiáng)度校核

主軸是輪式洗砂機(jī)最主要的構(gòu)件，電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的動(dòng)力通過主軸施加到葉輪上，從而完成砂石的清洗，因此，需要對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。本文采用solidworks三維建模軟件對(duì)其數(shù)字化建模，ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。

分析結(jié)果可以得出整根軸的等效應(yīng)力在大部分區(qū)域內(nèi)都比較小，最大應(yīng)力位于軸與葉輪連接面上，為27.73×106MPa;最小應(yīng)力位于套在大齒輪的端面，為97160Pa，可以得出，整根軸的應(yīng)力分布均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。等效彈性應(yīng)變是表征模型變形過程中塑性應(yīng)變累積值，分析結(jié)果得出最大和最小彈性應(yīng)變與最大和最小等效應(yīng)力分布類似，說明了軸上等效應(yīng)力的集中會(huì)在同位置處產(chǎn)生較大的彈性應(yīng)變，因此，軸的等效彈性應(yīng)變?cè)诖蟛糠謪^(qū)域同樣比較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)語

本文針對(duì)黃河中下游開采的泥沙設(shè)計(jì)了一種輪式洗砂機(jī)，該輪式洗砂機(jī)通過開式齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，操作方便。泥沙開采有效治理黃河河床泥沙淤積造成的河床逐漸抬高難題，同時(shí)也為社會(huì)建造相關(guān)建筑物提供了一定的資源，符合國家和社會(huì)節(jié)能、環(huán)保發(fā)展方向，采沙、用沙技術(shù)值得進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳林峰，耿明全，許金山.水射流無損插樁極具的研制級(jí)試驗(yàn)應(yīng)用[J].人民黃河，2014，36（6）：4-5+25.

[2]李文燕，朱延波，雷玲，吳志陽，黨國棟.圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械工程師，2019（11）：55-57+63.

[3]一種新型葉輪洗砂機(jī).甘肅省，靈臺(tái)縣新建鑫建材廠，2019-08-27.

[4]孟兆明，代博興.V帶傳動(dòng)最佳設(shè)計(jì)的方法與步驟[J].橡塑技術(shù)與裝備，2016，42（23）：67-71.

[5]翟直上.自動(dòng)渦洗式洗砂機(jī)的研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

作者簡介：于磊：1974年11月，女，漢族，河南鄭州，工程師，主要從事：水利水電機(jī)械設(shè)備制造安裝、咨詢管理及技術(shù)工作。