低破碎斗式提升機關鍵結構創新與優化設計*

吳新鋒

(湖南天下洞庭糧油實業有限公司 413000)

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

1 提升機概況

1.1 提升機結構

按照斗式提升機的工作特征或結構特征不同，斗式提升機可分為多種類型。按固定與否可分為固定式和移動式；按牽引構件的類型可分為帶式(即帶斗提升機)和鏈式(即鏈斗提升機)兩種；按照料斗的運行速度可分為低速(<1 m/s)、中速(1 m/s～2.5 m/s)和高速(>2.5 m/s)三種。斗式提升機的類型根據其使用條件和輸送物料的性質，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。1臺完整的提升機由以下幾個部分組成：傳動裝置、牽引部件、機頭總成、泄爆機筒、標準機筒、觀察機筒、檢修機筒、吸風機筒、機座總成等。

1.2 工作過程

斗式提升機的工作過程可分為三個部分，即進料、提升和出料。這三個過程緊密銜接，構成了斗式提升機的完整工作過程。任何一個過程出現問題，都會影響提升機的正常工作。提升機是通過牽引構件環繞于頭輪和底輪上，傳動裝置安裝在機頭處，通過聯軸器帶動頭部滾筒轉動來實現物料提升，尾輪主要用來調節牽引構件的松緊程度。在牽引構件的全長上每隔一定間距安裝一個料斗畚斗。為防止物料的拋撒和灰塵飛揚，這些運動的部件用機殼封閉。工作時，傳動裝置通過頭輪帶動牽引部件和料斗運行，畚斗從機座內獲取物料最終實現物料輸送。提升機的傳動裝置設計在頭部，可以靈活布置其方式，張緊裝置設計在尾部，可以通過調節兩根絲桿帶動尾部兩側滑動板滑動調節輸送帶的松緊，也可設計重力張緊裝置實現自動調節。提升機的進料口設計在機座側板處，出料口設計在機頭座。物料從進料口進入提升機機座，最終在機頭座出料口卸出[2]。

目前市場的提升機存在三個方面的問題：①機頭物料從畚斗拋出后撞擊在殼體上，會產生較大的破碎。②回流物料掉落在皮帶與尾輪之間由于擠壓也會產生破碎。③機座進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，對傳統提升機機頭、機座、進料口、頭尾輪進行結構創新與優化設計，減少物料在提升過程產生破碎，研發新型低破碎提升機非常有意義。

2 低破碎提升機關鍵結構創新設計

2.1 機頭結構創新設計

提升機卸料形式有三種：離心式、重力式和混合式三種，傳統提升機(見圖1)采用混合式卸料，機頭外殼設計為三個部分：左蓋、右蓋、機頭座。由于物料以拋物線方式從畚斗內拋出，所以機頭左右蓋需設計成拋物線弧形截面[3]，使其上緣盡量靠近料斗外緣運動軌跡。

圖1 傳統提升機機頭殼體

本文研究的低破碎提升機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)。根據實際使用效果來看，如果把提升機線速度降低到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壁滑動而出，物料不會因為離心作用撞擊在機頭罩殼上，破碎率大大降低。但是物料依靠重力從畚斗內完全流出需要的時間相比離心卸料會增加，所以機頭座需要適當加高，增加高度需大于2～3個畚斗間距，保證料斗內物料全部流出，避免物料回流。低破碎提升機機頭外殼設計為左蓋、右蓋、中間機頭座、下機頭座四個部分(見圖2)。由于物料所受到重力大于離心力，因此機頭左右蓋設計成斜面即可。

圖2 低破碎提升機機頭外殼

2.2 機座結構創新設計

提升機物料從機頭畚斗拋出過程中，大部分物料會從機頭出料口流出，但是也有少部分物料碰撞機頭右蓋內壁后軌跡不確定，從而沿著機筒回流至機座內。部分料斗內物料在提升機機筒內上升的過程中也會散落到機座內。目前提升機尾輪結構為帶一定凸度的滾筒(見圖3)，回流物料會夾在尾輪滾筒和輸送帶之間被反復擠壓，造成物料破碎。當尾輪滾筒與輸送帶之間存在的物料達到一定數量后，可能會造成輸送帶嚴重跑偏，損傷輸送帶或者畚斗，嚴重時會損壞整套傳動裝置。因此，需要研究設計新的尾輪結構，來避免這種情況出現。

圖3 帶一定凸度的滾筒

本文將提升機尾輪設計成錐面尾輪結構(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，避免物料進入底輪內部，最后外圈柵板焊接在立板上，兩端呈錐狀。當物料落入尾輪后，由于中間三角筋板呈45°焊接在立板上，加上尾輪的旋轉，物料易從尾輪兩端流出，掉入機座內，有效避免了尾輪與輸送帶擠壓產生破碎。另外，這種新型的尾輪結構還可以保證輸送帶在運行過程中尾部不易產生跑偏。

圖4 錐面尾輪結構

2.3 進料口結構創新設計

由于采用重力卸料線速度降低，會導致產量下滑，可用提高畚斗裝滿系數的方法來彌補，進料準確和延長進料時間是提高畚斗裝滿系數的關鍵。創新思路是在原提升機進料口(見圖5)的基礎上，在其內部設計合理的結構增加畚斗的填充系數。

圖5 原提升機進料口

本文利用Inventor建立改進后進料口的三維模型[4]，設計進料口寬度約為畚斗寬度的0.8，進料口高度不小于畚斗高度，使物料直接準確地進入畚斗內。在進料的高度方向設置兩層隔板，物料分上中下三層進入畚斗，相當于多次進料，既延長了進料時間，又減少了物料入斗時的彈性飛濺，物料在進料口處呈立式矩形截面入斗(見圖6)。這種結構既減少了物料進入提升機機座產生的破碎，又增加了提升機畚斗裝滿系數，提升機產量得到有效提高。

圖6 低破碎提升機進料口

2.4 頭輪結構創新設計

提升機的頭輪(見圖7)在運行時容易出現兩個問題：①頭輪軸輪轂連接鍵、鍵槽被破壞；②輪轂幅板焊接處出現開裂。出現這些問題的原因，一是提升機在物料提升過程中，頭輪傳遞的扭矩非常大，并且提升機產量越高、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，如果再加上提升機反復重載啟動，該鍵極容易被破壞。二是頭輪幅板的材質為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構并不適用于提升機頭輪。

圖7 原提升機頭輪

本文采用新結構錐套焊接套(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達國家已經廣泛應用于機械傳動中，國內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]采用錐套焊接套結構可以輕松將頭輪與頭輪軸分開，當頭輪或者頭輪軸在使用過程中出現損壞時，只需要更換其中一個部件就可以了，大幅降低設備維修保養成本。

圖8 低破碎提升機頭輪

總之，使用錐套焊接套可以使提升機傳動運行更加平穩，低噪音，低震動，結構簡單，調整方便。整個傳動裝置工作性能得到了提高，頭輪軸與頭輪的剛度和強度得到了增強，傳遞扭矩同時可以承受較大的徑向力，增強了傳動裝置的可靠性和承載能力。

3 結論

通過對提升機機頭、機座以及進口結構的優化設計，降低了提升機在物料輸送過中產生的破碎。頭輪采用錐套焊接套的結構，解決了提升機頭輪焊接后易出現連接鍵被破壞、幅板開裂、尾輪輸送帶跑偏的問題，生產制作以及后期維修成本大幅度降低。這些關鍵結構的創新與優化設計，使得提升機輸送對破碎比較敏感的物料應用進一步擴大，從而帶來一定的經濟和社會效益。