低破碎斗式提升機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)*

吳新鋒

(湖南天下洞庭糧油實(shí)業(yè)有限公司 413000)

斗式提升機(jī)是專門用在豎直或大傾角方式向上輸送物料的設(shè)備，簡稱提升機(jī)。它可以輸送粉狀、粒狀或小塊物料，在糧油、飼料、種子等行業(yè)廣范應(yīng)用。目前，國內(nèi)普遍使用的斗式提升機(jī)在輸送糧食過程中存在破碎率偏大的問題，特別是已經(jīng)精選好的谷物經(jīng)提升又產(chǎn)生破碎，降低整套設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)。

1 提升機(jī)概況

1.1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)

按照斗式提升機(jī)的工作特征或結(jié)構(gòu)特征不同，斗式提升機(jī)可分為多種類型。按固定與否可分為固定式和移動(dòng)式；按牽引構(gòu)件的類型可分為帶式(即帶斗提升機(jī))和鏈?zhǔn)?即鏈斗提升機(jī))兩種；按照料斗的運(yùn)行速度可分為低速(<1 m/s)、中速(1 m/s～2.5 m/s)和高速(>2.5 m/s)三種。斗式提升機(jī)的類型根據(jù)其使用條件和輸送物料的性質(zhì)，如塊度、重度、溫度、脆性、流散性等來選擇[1]。本文主要研究固定式帶式中速提升機(jī)。1臺(tái)完整的提升機(jī)由以下幾個(gè)部分組成：傳動(dòng)裝置、牽引部件、機(jī)頭總成、泄爆機(jī)筒、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)筒、觀察機(jī)筒、檢修機(jī)筒、吸風(fēng)機(jī)筒、機(jī)座總成等。

1.2 工作過程

斗式提升機(jī)的工作過程可分為三個(gè)部分，即進(jìn)料、提升和出料。這三個(gè)過程緊密銜接，構(gòu)成了斗式提升機(jī)的完整工作過程。任何一個(gè)過程出現(xiàn)問題，都會(huì)影響提升機(jī)的正常工作。提升機(jī)是通過牽引構(gòu)件環(huán)繞于頭輪和底輪上，傳動(dòng)裝置安裝在機(jī)頭處，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)頭部滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)物料提升，尾輪主要用來調(diào)節(jié)牽引構(gòu)件的松緊程度。在牽引構(gòu)件的全長上每隔一定間距安裝一個(gè)料斗畚斗。為防止物料的拋撒和灰塵飛揚(yáng)，這些運(yùn)動(dòng)的部件用機(jī)殼封閉。工作時(shí)，傳動(dòng)裝置通過頭輪帶動(dòng)牽引部件和料斗運(yùn)行，畚斗從機(jī)座內(nèi)獲取物料最終實(shí)現(xiàn)物料輸送。提升機(jī)的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)在頭部，可以靈活布置其方式，張緊裝置設(shè)計(jì)在尾部，可以通過調(diào)節(jié)兩根絲桿帶動(dòng)尾部兩側(cè)滑動(dòng)板滑動(dòng)調(diào)節(jié)輸送帶的松緊，也可設(shè)計(jì)重力張緊裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。提升機(jī)的進(jìn)料口設(shè)計(jì)在機(jī)座側(cè)板處，出料口設(shè)計(jì)在機(jī)頭座。物料從進(jìn)料口進(jìn)入提升機(jī)機(jī)座，最終在機(jī)頭座出料口卸出[2]。

目前市場的提升機(jī)存在三個(gè)方面的問題：①機(jī)頭物料從畚斗拋出后撞擊在殼體上，會(huì)產(chǎn)生較大的破碎。②回流物料掉落在皮帶與尾輪之間由于擠壓也會(huì)產(chǎn)生破碎。③機(jī)座進(jìn)料口處糧食流速過快，直接撞擊在畚斗上，同樣增加了破碎率。因此，對(duì)傳統(tǒng)提升機(jī)機(jī)頭、機(jī)座、進(jìn)料口、頭尾輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少物料在提升過程產(chǎn)生破碎，研發(fā)新型低破碎提升機(jī)非常有意義。

2 低破碎提升機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

提升機(jī)卸料形式有三種：離心式、重力式和混合式三種，傳統(tǒng)提升機(jī)(見圖1)采用混合式卸料，機(jī)頭外殼設(shè)計(jì)為三個(gè)部分：左蓋、右蓋、機(jī)頭座。由于物料以拋物線方式從畚斗內(nèi)拋出，所以機(jī)頭左右蓋需設(shè)計(jì)成拋物線弧形截面[3]，使其上緣盡量靠近料斗外緣運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 傳統(tǒng)提升機(jī)機(jī)頭殼體

本文研究的低破碎提升機(jī)采用重力式卸料方式，需滿足v2/D≤4.84(v為頭輪線速度，D為頭輪直徑)。根據(jù)實(shí)際使用效果來看，如果把提升機(jī)線速度降低到1.7 m/s以下，降低破碎率增值的效果非常明顯。由于重力卸料物料是從料斗內(nèi)壁滑動(dòng)而出，物料不會(huì)因?yàn)殡x心作用撞擊在機(jī)頭罩殼上，破碎率大大降低。但是物料依靠重力從畚斗內(nèi)完全流出需要的時(shí)間相比離心卸料會(huì)增加，所以機(jī)頭座需要適當(dāng)加高，增加高度需大于2～3個(gè)畚斗間距，保證料斗內(nèi)物料全部流出，避免物料回流。低破碎提升機(jī)機(jī)頭外殼設(shè)計(jì)為左蓋、右蓋、中間機(jī)頭座、下機(jī)頭座四個(gè)部分(見圖2)。由于物料所受到重力大于離心力，因此機(jī)頭左右蓋設(shè)計(jì)成斜面即可。

圖2 低破碎提升機(jī)機(jī)頭外殼

2.2 機(jī)座結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

提升機(jī)物料從機(jī)頭畚斗拋出過程中，大部分物料會(huì)從機(jī)頭出料口流出，但是也有少部分物料碰撞機(jī)頭右蓋內(nèi)壁后軌跡不確定，從而沿著機(jī)筒回流至機(jī)座內(nèi)。部分料斗內(nèi)物料在提升機(jī)機(jī)筒內(nèi)上升的過程中也會(huì)散落到機(jī)座內(nèi)。目前提升機(jī)尾輪結(jié)構(gòu)為帶一定凸度的滾筒(見圖3)，回流物料會(huì)夾在尾輪滾筒和輸送帶之間被反復(fù)擠壓，造成物料破碎。當(dāng)尾輪滾筒與輸送帶之間存在的物料達(dá)到一定數(shù)量后，可能會(huì)造成輸送帶嚴(yán)重跑偏，損傷輸送帶或者畚斗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞整套傳動(dòng)裝置。因此，需要研究設(shè)計(jì)新的尾輪結(jié)構(gòu)，來避免這種情況出現(xiàn)。

圖3 帶一定凸度的滾筒

本文將提升機(jī)尾輪設(shè)計(jì)成錐面尾輪結(jié)構(gòu)(見圖4)。尾輪由輪轂、中間幅板、立板、三角筋板、外圈柵板組成，輪轂與中間幅板焊接完成后，立板均布在輪轂外圓，三角筋板則焊接在兩塊立板之間，避免物料進(jìn)入底輪內(nèi)部，最后外圈柵板焊接在立板上，兩端呈錐狀。當(dāng)物料落入尾輪后，由于中間三角筋板呈45°焊接在立板上，加上尾輪的旋轉(zhuǎn)，物料易從尾輪兩端流出，掉入機(jī)座內(nèi)，有效避免了尾輪與輸送帶擠壓產(chǎn)生破碎。另外，這種新型的尾輪結(jié)構(gòu)還可以保證輸送帶在運(yùn)行過程中尾部不易產(chǎn)生跑偏。

圖4 錐面尾輪結(jié)構(gòu)

2.3 進(jìn)料口結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于采用重力卸料線速度降低，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下滑，可用提高畚斗裝滿系數(shù)的方法來彌補(bǔ)，進(jìn)料準(zhǔn)確和延長進(jìn)料時(shí)間是提高畚斗裝滿系數(shù)的關(guān)鍵。創(chuàng)新思路是在原提升機(jī)進(jìn)料口(見圖5)的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)部設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)增加畚斗的填充系數(shù)。

圖5 原提升機(jī)進(jìn)料口

本文利用Inventor建立改進(jìn)后進(jìn)料口的三維模型[4]，設(shè)計(jì)進(jìn)料口寬度約為畚斗寬度的0.8，進(jìn)料口高度不小于畚斗高度，使物料直接準(zhǔn)確地進(jìn)入畚斗內(nèi)。在進(jìn)料的高度方向設(shè)置兩層隔板，物料分上中下三層進(jìn)入畚斗，相當(dāng)于多次進(jìn)料，既延長了進(jìn)料時(shí)間，又減少了物料入斗時(shí)的彈性飛濺，物料在進(jìn)料口處呈立式矩形截面入斗(見圖6)。這種結(jié)構(gòu)既減少了物料進(jìn)入提升機(jī)機(jī)座產(chǎn)生的破碎，又增加了提升機(jī)畚斗裝滿系數(shù)，提升機(jī)產(chǎn)量得到有效提高。

圖6 低破碎提升機(jī)進(jìn)料口

2.4 頭輪結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

提升機(jī)的頭輪(見圖7)在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)兩個(gè)問題：①頭輪軸輪轂連接鍵、鍵槽被破壞；②輪轂幅板焊接處出現(xiàn)開裂。出現(xiàn)這些問題的原因，一是提升機(jī)在物料提升過程中，頭輪傳遞的扭矩非常大，并且提升機(jī)產(chǎn)量越高、高度越高，扭矩越大。扭矩主要是由頭輪軸通過鍵連接傳遞給輪轂，如果再加上提升機(jī)反復(fù)重載啟動(dòng)，該鍵極容易被破壞。二是頭輪幅板的材質(zhì)為Q235A，輪轂的材料為45鋼，這兩種材料的焊接性能非常差，特別是用在受力部件，焊后非常容易開裂[5]。所以輪轂與焊板焊接的頭輪結(jié)構(gòu)并不適用于提升機(jī)頭輪。

圖7 原提升機(jī)頭輪

本文采用新結(jié)構(gòu)錐套焊接套(見圖8)替代原來的輪轂。錐套與頭輪軸連接，錐套和焊接套通過錐面配合，焊接套則直接與幅板焊接。錐套焊接套在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)中，國內(nèi)也是近幾年才開始使用。由于焊接套采用焊接性能較好的材料制作，因此可以與幅板焊接，并且焊后性能良好。錐套與焊接套采用錐面配合，依靠頂緊螺釘來確保錐套抱緊頭輪軸。[6]采用錐套焊接套結(jié)構(gòu)可以輕松將頭輪與頭輪軸分開，當(dāng)頭輪或者頭輪軸在使用過程中出現(xiàn)損壞時(shí)，只需要更換其中一個(gè)部件就可以了，大幅降低設(shè)備維修保養(yǎng)成本。

圖8 低破碎提升機(jī)頭輪

總之，使用錐套焊接套可以使提升機(jī)傳動(dòng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，低噪音，低震動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。整個(gè)傳動(dòng)裝置工作性能得到了提高，頭輪軸與頭輪的剛度和強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，傳遞扭矩同時(shí)可以承受較大的徑向力，增強(qiáng)了傳動(dòng)裝置的可靠性和承載能力。

3 結(jié)論

通過對(duì)提升機(jī)機(jī)頭、機(jī)座以及進(jìn)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了提升機(jī)在物料輸送過中產(chǎn)生的破碎。頭輪采用錐套焊接套的結(jié)構(gòu)，解決了提升機(jī)頭輪焊接后易出現(xiàn)連接鍵被破壞、幅板開裂、尾輪輸送帶跑偏的問題，生產(chǎn)制作以及后期維修成本大幅度降低。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得提升機(jī)輸送對(duì)破碎比較敏感的物料應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，從而帶來一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。