滚轴筛的机械结构设计.docx
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滚轴筛的机械结构设计
1绪论
1.1总体前景展望
随着我国工业经济快速发展，各行各业急待发展，基础设施建设如火如荼地进行着。
厂房、设备、交通设施需求急剧增加，电力的需求已远远不能满足，当今年一季度我国固定资产投资同比增速超过50%时,投资快速增长导致一季度缺电程度进一步加深。
数据显示,今年一季度全社会用电量超过了4800亿千瓦（同比增长15.7%）,拉限电范围扩大到了24个省份。
可以说,电力供应总量不足,是导致目前缺电的根本原因之一,解决缺电的根本途径是要加快电力工业的发展步伐。
事实上,电力供应总量不足是由一系列因素造成的。
首先,电力建设滞后于电力需求增长,近年来我国电力基建投资占全国基建投资比例逐年下降,导致发电装机增长严重滞后于用电量增长；其次,我国经济的高速持续增长,带动了用电需求全面高涨,尤其是固定资产投资增长总额逐年攀升,但配套装机容量无法同步跟上,直接导致了缺电程度加深。
第三,高耗能行业高速增长,导致用电结构重型化,使电力供应对经济增长的支撑能力下降。
还有,电煤供应紧张等因素,也直接加剧了电力供需的紧张程度。
电力行业的滞后发展,已经成为影响我国经济增长的瓶颈因素,加快电力工业发展,尽快增长电力供应能力,是实现电力供需平衡的关键所在。
其中,加快电力基建投资和设备投资规模,可以化解目前我国电力供应总量不足的突出问题,又是解决目前缺电或电力供需紧张局面的根本途径之一。
与其他行业投资增长过快需要降温的情况不同,电力投资增长趋势却非常乐观。
所以,从我国电力工业发展的前景分析,由于电力工业是为我国经济增长提供能源的基础性产业之一,我国经济持续增长必然需要电力工业的快速发展,所以电力工业下一步将进入高速增长的发展阶段。
世界上至少今后20～30年还将主要靠化石燃料提供能源，但化石燃料利用会造成环境污染，排出CO2等温室气体，为了解决这个矛盾，要求更加广泛的使用电力。
我国早在1985年提出能源工业的发展要以电力为中心；1995年又提出能源建设要以电力为中心，这个方针与世界潮流是一致的。
从发达国家几十年的实践来看，电力增长越快，总的能源需求增长越慢；电力占终端能源比重越大，单位产值的能源消费（即能源强度）越低；
电力工业是最能清洁利用化石燃料的部门，也是效率最高地利用化石燃料的部门，发达国家几乎把污染最严重的煤炭的全部或大部分用于发电。
因此，为了应和我国经济的快速发展，我们要加快电力机械研发步伐。
从发达国家几十年的实践来看，电力增长越快，总的能源需求增长越慢；电力占终端能源比重越大，单位产值的能源消费（即能源强度）越低；
电力工业是最能清洁利用化石燃料的部门，也是效率最高地利用化石燃料的部门，发达国家几乎把污染最严重的煤炭的全部或大部分用于发电。
因此，为了应和我国经济的快速发展，我们要加快电力机械研发步伐。
由于目前我国火力发电厂使用的燃煤一般都是未经分级的原煤,粒度在0～300mm之间,大多数不符合磨煤机要求。
燃煤在输送到磨煤机之前必须经过一系列的筛分和破碎等工作,所以,煤料的筛分是一项不能忽视的重要工作。
而筛分工作的主要设备就是筛煤机。
目前,燃煤电厂常用的筛煤机有固定筛、振动筛、滚筒筛、波动筛和滚轴筛等。
这些筛机在筛分时,其筛分效率、工作粉尘、噪声、堵塞现象、金属消耗与功率等特性都因其筛种的不同而有所差异。
筛机性能的优劣不仅直接影响碎煤机的工作效率、磨耗、工耗等,而且还影响输煤系统的安全运行和费用消耗。
1.2各筛型优缺点比较
从目前掌握的资料来看,国内尚没有一种非常适合电厂工况要求的筛煤机,在输煤系统中煤的筛分仍然是一个簿弱环节,所以筛煤机在机械结构设计和性能方面有待于进一步研究。
下表是各种筛型的优缺点比较。
表1-1各种筛型优缺点比较
固
定
筛
优
点
结构简单坚固,制造容易,造价便宜,安装方便,工作较可靠
缺
点
占用空间越大,单位面积生产能力低,
只有15%-30%。
煤水份大时易堵筛
共
振
筛
优
点
结构较简单,工作较可靠,若两级振动筛串联使用,可达到较大出力
缺
点
基础的动载荷较大,单位面积的生产能力较低,分离的程度与筛孔的尺寸相接近
概
率
筛
优
点
透筛性好,生产能力高,筛分效率高,运行稳定,结构简单紧凑,对煤的水分、颗粒组成不敏感,金属与功率消耗小,便于安装,密封防尘效果好,维护量小
缺
点
是一个近似的筛分,有时发生堵塞,由于材质问题,常发生断轴、电动机地脚螺丝与地脚板振裂等事故
滚
轴
筛
优
点
对煤种的适应性好,运行平稳,无噪音,筛分效率高,不易堵塞,生产能力较高
缺
点
重量大,消耗钢材多,有时出现卡轴甚至断裂现象
波
动
筛
优
点
体积小,筛分效率高,出力大,能自清理筛面,不堵筛,对煤种的适应性好,无振动,无粉尘,噪音小
缺
点
机械传动装置故障较多
根据上表提供的信息，针对上述情况,参阅国外资料和国内几个制造筛机的厂家资料,在等厚筛分的工作原理基础上,设计出一种较为先进的新型煤筛———香蕉形滚轴筛。
2滚轴筛的机械结构设计
2.1滚轴筛的设计思想
滚轴筛的主要设计思想是：
滚轴筛煤机利用多轴旋转推动物料前移,并同时进行筛分。
它的工作机构是一排排的筛轴,各筛轴按照同一方向旋转,使物料沿筛面向前运动,同时搅动物料,小于筛孔尺寸的颗粒受自重与筛轴旋转力的作用从筛孔落下,大于筛孔尺寸的颗粒留在筛面上继续向前运动并进入碎煤机进行破碎。
它由电机、件速器、旁路机构、筛轴、机罩、堵煤报警器等组成。
工作时，电机通过减速器、传动链条驱动筛轴作同向转动，推动物料在筛面上向前滚动。
物料在滚动过程中，小块物料落下，大块物料从筛面滚过，进入碎煤机。
本系列设备具有如下特点：
1）全部采用链条传动，结构简单，寿命长，便于维护。
2）设有多组筛片清扫器，筛面清洁，筛分效率高，不易堵煤。
3）设有堵煤报警器，确保设备安全运行。
4）全密封结构，无粉尘泄漏，脊形顶面，便于冲洗。
2.2滚轴筛的工作原理
筛机是利用多轴旋转推动物料前移，并同时进行筛分的一种机械。
它由电动机经减速器减速后，通过传动轴上的伞齿轮分别传动各个筛轴，其筛轴转速可通过变频调速器改变电机转速而实现无级调速。
筛机，可在滚轴筛的入口端增装电动推杆机构控制切换挡板。
煤流既可经筛筛分，又可经挡板切换流向旁路通过。
依据等厚筛分法原理进行设计，等厚筛分法是在入料端给予料层一个比普通筛分法大的加速度,使物料运动速度加快,则料层迅速变薄并分层。
在整个筛分过程中,不管小于筛孔的颗粒在入料中所占百分比是多少,筛上料层厚度从入料端到出料端基本保持不变或递增,经过分层后,小于或等于30mm的物料利用物料的自重与筛轴旋转力的作用,沿筛孔落下,大于30mm的筛上物料,继续向前滚动,并落入碎煤机。
如果入料粒度小于或等于30mm,可由筛机旁路直接进入系统。
等厚筛分法是建立在料群运动的理论基础上。
物料在筛面上的筛分过程包括2个阶段:
第1阶段是分层阶段,物料在大的加速度作用下,按粒度大小分层;小于筛孔的颗粒透筛。
第2阶段是透筛阶段,在这个阶段物料已基本成层,小颗粒物料与筛面充分接触,上层的大颗粒又有助于下层小颗粒的透筛。
经过这样处理的筛分系统,小颗粒和筛面接触的概率大大增加,平均单位透筛能力显著提高,可达到筛面实际透筛能力的80%。
香蕉形滚轴筛正是依据这个原理,通过将筛面分成3种角度的折面布置,创造等厚条件,并充分利用滚轴转动产生的扰动力,增大筛面的抛掷强度,从
而大大提高了筛机的筛分效率。
2.3总体结构
筛机由2部分组成:
筛机主体和传动机构。
筛机主体由筛轴装配、筛箱、底座和翻板装置组成;传动机构由电机、减速器与联轴器组成。
筛机的筛轴部件分别坐落在机座两侧的轴承座支架上,每根筛轴都直接连接着1组传动机构。
为便于制造和维修,筛箱与机座、电机底座与机座、筛箱侧板组件和盖板之间靠螺栓连接。
在筛机入料端设置了1个利用电动推杆机构控制的旁路翻板装置,不仅可以用于系统中出现意外故障时临时卸料,而且当来煤粒度较小时也可直接从旁路通过。
因此,煤流既可经筛面筛分,又可以经旁路通过。
具体如图2-1所示,筛机的机械结构图。
图2-1 筛机的机械结构图
2.4筛面结构
香蕉形滚轴筛有几根装有数片梅花形筛片的筛轴,并列安装在机体上构成香蕉形筛面,采用机械传动与电机相连。
每根筛轴由小功率电机单独传动,利于检修和维护。
筛机的滚轴按3种不同角度顺筛机纵向排列,并按同一方向旋转,以使物料不仅在筛面上不断向前运动,而且不断搅拌。
2.5筛片结构
物料在筛面的运行状况主要依靠筛片控制。
因此,筛片是筛机的主要零件,而筛片的几何形状是运行的重要因素。
经过多年不同工况的实践和试验证明,当物料为煤质时,采用梅花形状的筛片对多边形块状煤将会产生最佳的拔动作用,对大于1/3筛孔尺寸的煤块还具有抛射作用,从而使筛面上的物料获得了增速,提高了筛机的筛分效果。
2.6滚轴结构
每套滚轴筛包括若干根独立驱动的滚轴（见图2-2）,它们自进料端至出料端以一定的下降坡度布置,中间破碎区呈阶梯状与破碎轮外圆相匹配。
图2-2滚轴筛布置图
滚轴有筛分轴和破碎轴2类。
筛分轴是在钢管上焊制三角形凸盘（见图2-3）,相邻轴凸盘应错开。
破碎轴是在钢管上焊制方形凸块,它们布置在滚轴筛中间、破碎轮下方的破碎区,方形凸块起到良好的挤压作用。
在破碎轴两边布置的都是筛分轴,每根筛分轴下装有1个清扫刮板,清除滚轴上粘附的煤。
图2-3筛分轴和破碎轴
1.筛分轴2.破碎轴
2.7滚轴驱动
滚轴驱动如图2-4所示,每根轴由独立的齿轮马达驱动。
轴本身由2个自调心滚子轴承支撑,马达、锥齿轮减速器通过联轴器与滚轴相连,考虑到滚轴数量较多,运行工况恶劣,联轴器采用蛇簧联轴器,许用精度低,结构简单。
各个滚轴功率不同,马达功率分912kW、715kW、515kW3种分别配给破碎轴、进料筛分轴和出料筛分轴。
滚轴配电为分组设计,23根滚轴共分4组,起动时可以按物料流向的逆序分组起动,避免过高的起动电流,也可适应重载停止后重新起动时滚轴筛上有余煤的情况。
1组滚轴中,如果有1个滚轴过载动作,只发出报警信号;当1组滚轴中有超过2个以上的滚轴发生故障时系统停机。
这在确保系统正常运行的同时减少了停机次数。
图2-4滚轴驱动
3筛机主要参数的确定
3.1筛面选择
从图3-1可知,每根筛轴上的筛片均同向等速旋转;相邻筛轴的筛片呈交错排列以构成滚动筛面。
筛面的宽度主要根据单位时间内进入筛机的原煤数量确定,筛面的长度选择主要取决于筛分效率。
根据一些电厂的实际运行经验,为了防止大块物料在筛中卡住,筛宽一般不得小于最大块度dmax的3倍,筛子的长度一般为筛宽的（2～4）倍。
如图3-1所示,筛轴中心线间距投影距离L（一般L=D+（0～15）mm）,筛片的直径D,厚度δ与相邻2个筛片侧面间隙a和筛孔最大长度b均应按筛下物粒度的要求而定,也可根据《火力发电厂运煤设计技术规定》5.04条确定,但不宜过大。
3.2筛轴的转速n
筛机的筛分速度与筛轴上的筛片直径有关,同时与筛轴转速计算公式有关。
n≥60V/πD
式中：
V———筛机的筛片线速度,单位m/min；
D———筛片直径,单位m。
由于物料在筛分过程中相互碰撞产生的阻力作用,影响物料的运行速度,因此应使筛片工作线速度V≥1.2～2.4V料。
而筛机上的物料前行速度V料为假设筛机上部输送机给料全部未筛下时,由筛机使物料产生的运行速度。
由于筛机物料流断面较皮带机物料流断面大,故V料远小于V皮带。
3.3筛机的生产率
3.3.1筛面上1个筛孔的工作面积S
如图3-2所示,S=ab
式中a———相邻2个筛片侧面间隙,单位m;
b———筛孔最大长度,m。
图3-2 筛机的筛面布置图
3.3.2每根筛轴轴向间的筛孔数Z
Z=2（Zp-1）
式中 Zp———每根筛轴上的筛片数。
当Zp=3时带入上式得：
Z=2（30-1）=58
3.3.3筛面的筛孔总数ZQ
ZQ=ZZK=2（Zp-1）ZK
式中 ZK———筛机的筛轴总数。
3.3.4筛机的筛孔总面积SQ
SQ=SZQ=2abZK（ZP-1）
3.3.5筛机每转的透筛量Q′
由于原煤呈粉、块松散混合状态,同时在筛分中因布料不均匀,故不能按全筛孔透筛,应考虑一个松散与排料不均匀系数μ。
其每转透筛量为:
Q′=SQ2πRγμ=4πRabγμZK（ZP-1）
式中 R———筛片的半径,m;
γ———物料的松散密度,t/m;
μ———松散排料不均匀系数,μ=0.2～0.3。
3.3.6筛机每h的生产率Q
Q=60nQ′η=240πRnηabγμZK·（ZP-1）
式中 Q———滚轴筛的生产率,t/h;
n———筛轴转速,r/min;
η———物料与筛面阻力影响系数,η=0.95～0.98。
3.3.7根据以上的公式,可计算出力为1354.067t/h。
3.4筛机的电动机功率
因为筛机每h处理量由筛机的宽度与筛轴的数量来决定,通过筛轴筛片的动力作用使物料在筛面上运行,所以根据单位时间内通过每根筛轴的处理量,即可确定筛机的功率。
3.4.1筛机每min生产率Q分
Q分=Q/60
式中 Q———生产率,t/h。
把Q=1500t/h代入上式得：
Q分=
=25t/min
3.4.2筛机每转的生产率Q转
Q转=Q分/n=Q/60n=Q/6n
式中 n———筛轴转数,r/min;
Q转———筛机每转的生产率,N/r。
带入数值的Q转=
=625N/r
3.4.3驱动每根筛轴所需的扭矩T
T=Q转D/2=10DQ/12n
式中 D———筛片直径D,m;
φ———筛分效率修正系数一般取0.3～0.5。
带入φ=0.5，D=0.35Q=1500t/hn=400r/min得
3.4.4驱动每根筛轴所需功率N1
N1=Tn/9550=DQ/114.6带入数值
得N1=
=2.3
3.4.5筛机每根筛轴驱动电机功率N0
N0=N/η=φDQ/114.6η
式中 η———设备机械传动总效率,η=（0.86～0.95）。
带入数据求得
N0=
=2.5kw
3.4.6筛机工作所需功率N
N=ZKN0=ZKφ·D·Q/114.6η
式中 ZK———筛机的筛轴总数。
带入ZK=10N0=2.5kw
得N=
=25kw
具体技术参数如下表所示
表3-1技术参数
入料粒度
＜300mm
筛下粒度
≤30mm
处理量
1500t/h
筛面尺寸
4000×1800（mm2）
筛孔尺寸
38×130（mm2）
外形尺寸
4710×3270×2090
筛片线速度
1.48m/s
透筛率
28.9％
传动型式
行星摆线针轮减速器加伞齿轮传动
筛分效率
≥85％
运行噪声
≤80dB
旁路要求
带旁路
驱动型式
直联式
筛
轴
电动机
辊道用电动机JG252-12型380V400r/min2.5kW
减速器
圆柱齿轴减速器HL150i=4.668
轴数
10
翻
版
电动机
电磁式制动电动机YEJ-905-4型
380V1500r/min1.1kW
开启速度
56mm/s
堵
煤
信
号
水银
开关
触点容量
≤380V2A
触头数量
常开或常闭1对
由2个水银开关组成
自重
16194kg
3.5物料的滑动
式中φk为正向滑。
令-b=cos（φk+u）,则：
式中bd称为正向滑动系数。
由撒谎能够使式得知，正向滑动系数bk<1
当bk=1时，可以求得使物料颗粒沿着筛面产生正向滑动时最小转数应该为：
为了使物料颗粒沿着筛面产生正向滑动，必须取筛子转数n≥nmin。
物料跳动条件的确定
颗粒产生跳动的条件是颗粒对筛面法向压力N=0
即mgcos=may，或者gcosa=Aw2sinφd。
由此可以得到：
式中：
bd——物料跳动系数
Φd——跳动起始角
K——震动强度，
Kv—射强度，它表明物料在筛面上跳动的剧烈程度。
上式可以写成：
当bd<1或者kv>1，则颗粒出现跳动。
当bd=1或kv=1时，则可以求得物料开始跳动时的最小转数为：
为了使物料产生跳动，必须取筛子的转数n>n0min
3.6电动机的选择
3.6.1电动机功率计算
滚轴筛的功率消耗主要是由滚轴筛为了克服筛子的运动阻力而消耗的功率N和克服轴在轴承中的摩擦力而消耗的功率来确定。
电动机的功率为：
式中：
C—阻力系数，一般C=0.2-0.3.抛掷指数较小时，C=0.25.
d—轴承内圈直径，d=0.1m
n—转动轴转数，n=85.69rmp
η—传动效率，η=0.95.
f—滚动轴承的摩擦系数，f=0.001-0.003.这里对于滚动轴承选取f=0.002.
由上式可求N=2.47KW
3.6.2选择电机
选择传动电动机型号为JS252-12型，其额定功率为2.5KW，n=400rmp
滚轴筛启动时，电动机需要克服质量的静力矩和摩擦力矩，启动后由于惯性作用，功率消耗较少，因而选用高起动转矩的电动机。
因此，按公式计算的功率，必须按启动条件校核；
式中：
Mr—电动机的启动转矩
Mh—电动机的额定转矩
M0—滚轴筛的的静力矩与摩擦静力矩之和
式中:
I=400/85.69=4.668
式中M0为滚轴筛的的静力矩与摩擦静力矩之和
式中：
为轴承的摩擦力矩
式中：
F0=mrw.w
将Mf值带入公式得
为静力矩
M0’=4.54+51.72=56.26N.m
M0=34.23N.m
由于
，所以满足
，电动机启动校核合格。
3.7主要零件的设计与计算
轴承的选择
根据滚轴筛的工作特点，应选用援助滚子轴承。
按照基本额定动载荷来选取轴承
式中：
C——基本额定动载荷
P——当量动载荷
Fl——寿命系数，fl=2.3-2.8，本次设计选取fl=2.5
Fn——转数系数，
将数据带入公式得，
故选取GB297—84，轴承型号3G3622，内径110mm，外径245mm。
轴承的寿命公式为：
式中：
L10的单位106rε——为指数。
对于滚子轴承，ε=10/3.
计算时，用小时数表示寿命比较方便。
轴承寿命为：
式中：
C——基本额定动载荷C=125.74KN
n——轴承转数
P——当量动载荷
选取额定寿命为6000h
带入公式可得Lh=15249h>6000h
因此设计中选用轴承的使用寿命为15249小时。
3.7.1皮带的设计
选用皮带的型号
带的设计功率Pd=KA——工况系数，得KA=1.3
P——传动的额定功率，P=2.5KW
根据Pd=3.25KW，小轮转数n1=1460rmp，
传动比
I=n1/n2=1.73
3.7.2带轮的基准直径
选择小带轮的基准直径dd1选取dd1=224mm
选择大带轮的基准直径dd2：
dd2=dd1xi=388mm
查表，取dd2=400mm。
带速
带速常在V=5-25m/s之间选取
带入数据得Ld0=1985.1查表选取Ld=2000mm
单根带的基本额定功率P1
根据dd1=224mm，n1=1460rmp查表得P1=1.328KW
考虑传动比的影响，额定功率的增加量△p1由机械设计手册查得△p1=0.226KW
带的根数Z
取3根，带型为B型。
3.8轴的设计
轴的设计特点
轴是组成机械的一个重要零件。
它支承着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过轴和机架连接。
所有轴上零件都绕轴心线作回转运动。
所以，在轴的设计中，不能债考率轴本身，还必须和轴系零件、部件的整体结构密切联系起来。
轴的设计特点是：
在轴系零件、部件的具体结构未确定下来之前，轴上力的作用和支点间的跨距无法精确确定，故弯矩大小和分布情况不能求出，因此在轴的设计中，必须把轴的强度计算和轴系零件、部件结构设计交错进行，边画图、边计算、边修改。
设计轴时应该考虑多方面因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度、对于高速轴还应该考虑震动稳定性问题。
轴的常用材料
轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以与为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。
轴的常用材料是35、40、45、50优质碳素钢。
最常用的是45钢，对于受载较小或不太重要的轴，也可以用普通碳素钢，轴的尺寸和重量受的限制，以与有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。
根据滚轴晒得工作特点对轴进行受力分析
Pr=250kw，n=400r/min
带的传动效率
=0.96
式中i—带的传动比，i=400/224=1.786
所以
由水平方向得：
解得：
由垂直方向得：
Fv=mg=2918.25x10=29182.5N
Fv=Fnv1+Fnv2
Fnv1x754=Fnvx754
解得：
Fnv1=14591N
由此可以看出轴的中心表面是危险截面
4CATIA制作过程
4.1CATIA简介
CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。
是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。
在70年代DassaultAviation成为了第一个用户，CATIA也应运而生。
从1982年到1988年，CATIA相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA软件分为V4版本和V5版本两个系列。
V4版本应用于UNIX平台，V5版本应用于UNIX和Windows两种平台。
V5版本的开发开始于1994年。
为了使软件能够易学易用，DassaultSystem于94年开始重新开发全新的CATIAV5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM软件的一种全新风格。
CATIAV5版是IBM和达索系统公司在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。
代表着现今这一领域的最高水平，包含了众多最先进的技术和全新的概念，指明了企业未来发展的方向，与其他同业软件相比具有绝对的领先地位。
围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统设计的CATIAV5版可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。
在这个环境中，可对产品开发过程的各方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。
产品整个开发过程包括概念设计，详细设计、工程分
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