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1、黄石茂 (华南理工大学工业装备与控制工程系 ,广州 510641)摘 要 本文介绍了设计计算螺旋辊时如何选择材料和结构 ,对螺旋辊的受力进行了分析 ,同时对 螺旋辊进行了强度计算和校核 。关键词 螺旋辊 ;受力分析 ;设计计算螺旋挤浆机是采用高浓高压方式来提取黑液的洗浆设备 ,这种设备造价和投资低 ,压 滤脱水能力强 ,提取率高 ,且在高浓状态下挤 压 ,所得黑液浓度和温度较高 ,有利于浆料和 黑液的保温 。因而在中小型造纸厂得到广泛 的应用 。 螺旋挤浆机是利用螺旋辊在固定的圆筒 形滤鼓内旋转 ,使浆料在滤鼓内轴向推进中 受挤压而脱水 、 浓缩 。螺旋辊是其主要的工 作零件 。螺旋辊是在浆料
2、的摩擦力及各种阻 力下工 作 , 其 主 要 失 效 为 磨 损 , 也 有 设 计 不 当 ,由于强度不够而破坏的 。螺旋辊设计计 算时 ,要根据螺旋挤浆机的生产能力和工作 条件来选择材料和结构 ,确定螺旋辊直径 、 长 径比 、 压缩比 、 螺距等结构参数 ,然后进行受 力分析和强度校核 。铸造结构的材料一般采用球墨铸铁和铸 钢 。如 Q T900 - 2 ,其强度比 40Cr 钢低 10 %20 % ,其他性能与 40Cr 钢接近 ,淬火后回 火硬度可达 HRc5760 ,而耐磨性比 40Cr 钢 高 40 % ,且可以进行精密铸 造 , 其 加 工 性 能 与减震性都优于 40Cr 钢
3、 。 铸钢 ,如 ZG270 - 500 ,具有较高的强度 和较好的塑性 ,铸造性能和切削性能良好 ,为 提高其耐磨性 ,压缩段螺旋工作面和出料段 表面应喷焊 23 mm 厚的耐磨硬质合金 ,喷 焊后的表面硬度可达 HRc5258 。2螺旋辊结构参数的确定螺旋辊的结构按其作用分为输送段 、 压 缩段和出料段 (光轴段) 三个区段 。输送段起 到计量和喂料的作用 ,它的设计确定了进料 的能力 。浆料首先从料斗以一定的供料量进 入机内的滤鼓和螺旋辊之间的间隙 ,物料被 输送段强行推进到压缩段 ,压缩段的长度较长 ,此段设计成定外径 、 变根径和变螺距的结 构 ,因此 压 缩 段 起 到 输 送 、
4、 压 缩 物 料 进 行 脱 水 、 形成料塞和增加料塞密度的作用 。物料 再向前进入出料段 ,物料在出料段进一步受到均匀压缩 ,最后将料定压 、 定量地由出口挤 出 。出料段一般作为装设堵头之用 。锥形堵 头尾端有调节螺旋辊轴向移动的装置 。用以 调节出浆间隙与堵浆压力 。 螺旋辊的主要结构参数一般有 : 螺旋辊 直径 、 压缩比 、 长径比 、 螺距和螺旋槽深度等 。2 . 1 螺旋辊直径 D2000 . No . 61螺旋辊的材料和结构的选择螺旋辊的材料除应满足强度和刚度外 , 还应具有很好的耐磨性 。螺旋辊从结构上可 分为焊接结构和铸造结构 。焊接结构是将螺 旋叶片和轴分别加工好焊接在
5、一起 ,其特点 是加工方便 ,成本低 ,但螺旋叶片厚度一般不变化 ,压缩段后段的螺旋叶片磨损较快 ,直接 影响螺旋辊的使用寿命 。 焊接 结 构 的 材 料 一 般 采 用 45 号 钢 和40Cr 钢 。45 号钢的切削加工性能较好 ,成本 较低 ,而耐磨性和耐腐蚀性较低 。40Cr 钢的 强度比 45 号钢高 20 % , 加工后进行表面淬 火 ,其硬度可达 HRc45 。26广东造纸螺旋辊直径是螺旋挤浆机的主要结构参数之一 。在设计螺旋辊时 ,一般都已知所需 要的生产能力 。生产能力不仅与螺旋辊直径 有关 ,而且与其他几何尺寸 、 工艺操作条件 、 浆料的性能和出浆堵头压力等有关 ,所以
6、 ,用 理论公式计算是有困难的 ,因此 ,螺旋辊的直 径往往用以下方式选取 。在初步确定的螺旋挤浆机生产能力和转 速之后 ,可根据近似的生产能力公式确定 。 近似的生产能力公式 Q ( kg/ h) 为 :多数螺旋辊为圆柱形 ,为达到 11 . 154 的压缩比 , 可以改变螺旋槽的深度或改变 螺旋的螺距 ,也可以同时改变 。等距变深螺旋是从进料端的第一个螺旋 槽开始直至压缩段的最后一个螺旋槽的深度 是逐渐变浅 ,这种螺旋辊加工方便 ,螺旋表面 可以达到一定光洁度 。等深变螺距是指螺旋 槽深度不变 ,螺距从进料段第一螺距开始至 压缩段末端是从宽逐渐变窄 。这种螺旋辊当辊径较大时 ,在出浆处的浆
7、层太厚 ,容易内外 干度不均匀 。变深变距螺旋辊是指螺旋槽深度和螺纹升程 ( 从进料段开始至压缩段末端 都是逐渐变化 ,即螺旋升程) 从宽逐渐变窄 ,螺旋槽深度由深逐渐变浅 。这种螺旋辊具有 前两种螺旋辊的特点 ,虽然加工比较麻烦 ,但 可以获得比只收敛螺距或减小螺槽深度具有 更大优点 。现时国内新设计的螺旋辊大多采用这种螺旋辊 。2 . 3长径比和螺距数目 在螺旋辊直径和压缩比一定的条件下 , 螺距数多 ,压缩段长 ,即长径比大 ,结果增加物料在压缩段内停留时间 ,使浆料逐步压缩 和逐渐排出废液 。同时对浆料送进量波动的 缓冲能力增加 。但是长径比太大会使浆料产 生过压打滑 ,内摩擦力增加引
8、起末端阻力增大 ,使电耗增加 ,而且使浆料发热 ,甚至过干 引起堵塞 。因此长径比不能太大 ,但太短又 容易跑浆 。螺旋辊的长径比一般为 45 ,螺 距的数目为 67 个 。Q = 60Dcp1 A nrcco s 式中Dcp1 第一节螺旋平均直径 ,mD1 + d1Dcp1 =, ( D1 为 螺 旋 辊2 外径 ,d1 为螺旋辊根径)A 第一节螺旋的法向截面积 ( m2 )D1 - d1A = ( tco s - b), ( t 为第2 一节螺旋的螺距 为第一节螺旋平均直径处的螺旋角 ; b 为第 一节螺旋的螺叶厚度 。)n 转速 ( r/ min)c 进浆浓度 ( %) , (0 . 7
9、 %1 . 0 %)r 绝干浆比重 ( kg/ m3 ) 进浆填充系数 (常数 0 . 40 . 6)设 d = 0 . 5D ,t = ( 0 . 650 . 75) D ,取 t =0 . 7Dr = 1000 kg/ m3 , = 0 . 5 , c = 0 . 7 % 1 . 0 % 则螺旋辊直径 :Q = (8651236) D3 n进浆浓度小者取小值 , 反之亦然 。初步 选取螺旋直径后 ,再根据已确定的其他参数 通过生产能力近似公式进行验算或修正螺旋 辊直径 。2 . 2压缩比 压缩比是进料端第一个螺旋槽的容积与 最后一个螺旋槽容积之比 。压缩比一般由物料而定 ,物料不同要求的压
10、缩比也不同 。对 于纸浆 ,一般为 11 . 154 。 广东造纸2 . 4螺距 t 螺旋辊的螺距的大小对于一定直径的螺t旋来说 ,也就是螺旋升角的大小 ( t g =D ) 。采用较 小 的 螺 距 则 浆 料 受 到 的 轴 向 分 力 增加 ,周向分力减小 ,有利于浆料的推进 ,但动 力消耗有些增加 (设螺旋总长不变) 。一般进 料端的第一个螺距约取 ( 0 . 65 0 . 75) D , 逐 步减小 到 最 后 一 个 螺 距 取 ( 0 . 3 0 . 5 ) D , D 为螺旋辊外径 。易脱水的浆 ,螺距及螺旋槽深度可大些 ,难脱水 ,则短些 。2000 . No . 627为了
11、使浆料本身在压缩过程中的相对运动减少到最低的限度 ,使得浆料少受损伤 ,减 少功率消耗和螺旋的磨损 。因此 ,浆料投进挤浆机后 ,就要迅速而又均匀地受到挤压 ,并 且压力的上升要比较平稳 ,最好前段与后段 的压力差不要太大 ,使浆料受到一个较长时 间的挤压脱水 ,以达到均匀压缩的目的 。根 据均匀压缩原理 ,要求每段压缩相同 ,即小值 。此值过大 ,浆层变厚 ,不易脱水 ,也较易发生打滑现象 ,这对大直径的螺旋挤浆机 更为突出 。2 . 6螺旋槽截面形状 有的研究者曾设想螺旋工作表面的齿廓 上诸点产生的径向分力和周向分力保持一定 的比例 ,即使 “防滑” 和 “打滑” 之间保持相对 统一 。在
12、此基础上推导出来的齿廓曲线是一 条以 e 为底的指数曲线 。但径向分力增加的同时使物料与螺旋面之间的摩擦力增加 ,即 使克服物料前进阻力的周向分力增加 ,其防 滑效果 就 不 明 显 , 因 此 , 为 了 简 化 计 算 和 制 造 ,齿廓曲线完全可以是一条直线 。 螺旋槽截面形状对浆料挤压有着极大影响 。常用的截面形状有锯齿形和双楔形 。如 图 1 所示 。锯齿形螺槽的工作面与螺旋辊轴 线垂直 (也有采用 5 倾斜面) ,背面有较大的 倾角 (30) ,且过渡圆弧角 R 较大 ,这样可 以减少对浆料的径向分力 ,不过分增加浆料与滤鼓的摩擦力 ,避免浆料受过分搓绞 ,有利 于浆料的推进 。双
13、楔形螺槽的工作面倾角和 背面倾角均采用较大的倾角 ,这种螺槽不仅 可以增加螺牙的强度 ,而且有利于浆料中的 废液向圆周滤鼓方向挤压 。V1 V n - 1V3 V2 V n - 1 = V n - 2 = V 2 = V1式中 V1 、V2 、V3V n 为螺旋辊各节螺 旋通道的容积 ,其容积可按下式计算 : t2222V = 4 (D - d ) - bh(DCP) + t式中D 螺旋辊外径 ( m)d 螺旋辊根径 ( m)t 该节螺距 ( m)b 该节平均牙厚 ( m)h 该节牙深 ,h = D - d( m)2Dcp 平均直径 ,Dcp = D + d ( m)2 2 . 5螺旋槽深度螺
14、旋槽深度是螺旋辊外半径与根半径之 差 ,一般取 0 . 20 . 3 倍螺旋辊外径 ,近来趋 向取小值 ,易脱水的浆取大值 ,难脱水的浆取图 1 广东造纸 2000 . No . 628的螺旋 (260mm) 的转速约为 30r/ min 。工作面与槽底圆弧半径 r 和背面与槽底圆弧半径可在下列范围内选取 : r = ( 1 2 )23 h ,h 为槽深 , R = (12) r ,直径大者取大值 。 螺叶 法 向 宽 度 e 一 般 取 ( 0 . 05 0 . 08 ) D ,e 值太大不但占据螺槽容积 ,而且增加功 率消耗 ,也容易使浆料在螺牙间隙剪切强度 过大而造成浆料 挤 碎 。e
15、值 也 不 能 太 小 , 不但削弱螺牙强度 ,增大回流 ,降低产量 ,还使 螺牙磨损加速 。另外由于螺旋推力较大 ,摩 擦剧烈 ,最后一个螺牙摩擦最大 ,为此 ,螺牙 应逐个加厚 。2 . 7 转速螺旋转速取决于浆料在挤浆机内所停留 时间 ,这又与浆料的滤水性 、 脱水量 、 出浆浓度 有关 。另外从挤浆机近似生产能力公式可知 : 转速是决定生产能力的一个主要因素 。大直 径的螺旋 (387mm) 的转速为 15r/ min ,小直径3螺旋辊的受力分析当螺旋挤浆机正常工作时 ,螺旋辊受到 浆料施于的一个法向合力 F ,这一合力分解N 为径向分力 F 和 F ,再将 F 分解为轴向分r nn 力 F 和周向分力 F ,如图 2 所示 。at 3 . 1作用在螺旋辊上的周向分力 F 当计及螺旋面上的摩擦力时tFt = Fn (co ssin+ fco s ) = 2 TDcp式中 螺牙工作面的倾角 螺旋升角f 浆料与 螺 旋 面 的 摩 擦 系 数 ,f =0 . 20 . 5T 螺旋所受的扭矩 , T = 9 . 55 图 2广东造纸 2000 . No . 629106 pw ( N mm) ,p 为螺旋所需的T = 9 . 55 106 Nmax ( Nmm
