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鋼球分選機設計
摘要：本次設計對鋼球分選機進行了較全面的論述。首先，介紹了鋼球分選機的發(fā)展現(xiàn)狀、結構類型，并指出了市場上現(xiàn)有鋼球分選機的優(yōu)點和缺點；其次，分析了鋼珠分選機的主要參數(shù)對其使用性能和輸送能力的影響，以及工作過程中的鋼球分選機的運動狀態(tài)和受力情況；最后，根據(jù)鋼球分選機的工作原理和設計任務書的要求獨立設計一臺鋼球分選機。
本次設計根據(jù)螺桿結構、輸送量和輸送路程設計出螺旋直徑，計算出了分選功率并根據(jù)該功率選擇了電動機、減速器和聯(lián)軸器等，通過三維造型驗證了機器總成后其空間結構的合理性，較好地解決了設計參數(shù)的選擇和確定等問題，避免了以往只能依靠經(jīng)驗做設計時出現(xiàn)的各種不合理情況。
本次設計還對鋼球分選機的正確安裝、正常使用和平時保養(yǎng)等進行了說明，整個設計綜合運用了機械設計和制造方面的知識，對今后的學習和工作都有實際指導意義。
關鍵詞：鋼球分選機；螺旋輸送；設計
The design of steel ball sorting machine
Abstract : The design of the steel sorting machine comprehensively discussed. First, introduces the development status of separating machine, steel structure and types, and pointed out the existing steel market advantages and disadvantages of sorting machine, Secondly, analyzed the main parameters of separating machine steel on its performance and transmission capacity, and the influence of the process of separating machine ball movement and force, Finally, according to the ball sorting machine design and working principle of the requirements of the independent design a ball sorting machine.
According to the structure, design of screw conveyor journey designed throughput and spiral diameter, calculated according to the power separating power and choose motor, gear and coupling, through three-dimensional modeling machine assembly verified after the rationality of the space structure, a good solution to the selection of design parameters and avoid the problems, such as past experience do design can only rely on the unreasonable situation.
The design of the steel distinguishing correct installation and maintenance of the normal use of peace, when the whole design, mechanical design and manufacturing knowledge, for future study and work has practical significance.
Key words : steel ball sorting machine；screwy conveyance；design
目 錄
1 概述……………………………………………………………………………..…1
1.1 鋼球分選機的發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………………………1
1.2 鋼球分選機的基本類型及原理……………………………………………2
2 系統(tǒng)總體方案設計……………………………………………………………..5
2.1 本次設計的構想……………………………………………………………5
2.2 本次設計的依據(jù)和原則……………………………………………………6
2.3 本次設計的特點……………………………………………………………6
3 輸送螺桿的相關設計………………………………………………………….7
3.1 輸送螺桿的結構設計………………………………………………………7
3.2 輸送螺桿的速度分析……………………………………………………..11
3.3 輸送螺桿的輸送量計算…………………………………………………..15
4 系統(tǒng)傳動比的分配……………………………………………………………17
4.1 傳動裝置的總傳動比……………………………………………………..17
4.2 傳動裝置各級傳動比的分配……………………………………………..17
5 系統(tǒng)動力部分的設計………………………………………………………...18
5.1 電動機的選用及功率計算………………………………………………..18
5.2 減速器的選用……………………………………………………………..22
5.3 軸承的選用及校核………………………………………………………..24
5.4 V帶輪的設計與V帶的選用……………………………………………..27
6 系統(tǒng)結構部分的設計………………………………………………………...28
6.1 床身的結構設計…………………………………………………………..28
6.2 鍵的選用 …………………………………………………………………30
6.3 進、出料口的位置…………………………………………………………31
6.4 系統(tǒng)的技術要求和操作規(guī)范……………………………………………..32
7 主傳動系統(tǒng)的潤滑……………………………………………………………34
參考文獻…………………………………………………………………………...36
謝辭………………………………………………………………………………….37
附錄……………………………………………………………………………..…...38
隨著我國精密制造技術的不斷發(fā)展，
鋼球已廣泛應用于滾動軸承、滾珠絲桿
等精密傳動部件中。鋼球的生產(chǎn)也已經(jīng)
實現(xiàn)了高精度、大批量的生產(chǎn)模式。但
是由于生產(chǎn)過程中存在的加工誤差及各
項加工環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的其它誤差，即使在
使用同一批次生產(chǎn)出來的鋼球時，也需
要進行篩選（篩選出尺寸一致的鋼球以供使用）。然而，在大多數(shù)情況下，這些篩選工作都是由人工完成的，勞動強度太大、誤差率較高。并且，隨著我國民營制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼球的生產(chǎn)已經(jīng)基本轉移到生產(chǎn)規(guī)模鉸小、生產(chǎn)成本較低，生產(chǎn)靈活性較大的各種小型機械制造企業(yè)。
為了降低工人的勞動強度，提高鋼球的分選精度和分選效率，并考慮到這些小工廠的生產(chǎn)條件簡陋，廠房空間小，生產(chǎn)資料單一等特點，根據(jù)需要設計小體積、低功率、操作簡單的電動鋼球分選機（主要是根據(jù)直徑將鋼球進行分類存儲）對這些小型機械制造企業(yè)具有非常積極的意義。
1 概述
1.1 鋼球分選機的發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的分選技術，大致可以分為三類：
1） 空氣分選法 利用平風或者旋風的風能使物料逐級分層，再收集到不同的裝置中。
2） 重力分選法 利用物料本身的重力使物料逐級分層，再收集到不同的裝置中?，F(xiàn)在常見的有干式重力分選法和濕式重力分選法兩種。
3） 篩分法 篩分是將顆粒或粉體物料通過一層或幾層帶孔的篩面，使物料按寬度或厚度分成若干個粒級的過程。每一層篩面都可以將物料分成篩下物（也稱篩過物）和篩上物（也稱篩余物）兩部分。
隨著各種新科學、新技術的發(fā)展，還出現(xiàn)了利用光電傳感器檢測物料的尺寸，外形等因素的光電式尺寸分選機。
1.2 鋼球分選機的基本類型及原理
考慮到鋼球的質量和外形等特點，以及小型機械制造企業(yè)的現(xiàn)有條件，市場上出現(xiàn)的鋼球分選機械大多采用的是篩分原理。常見的篩面基本運動形式如圖1.1所示，有靜止傾斜篩面、往復運動篩面、高速振動篩面、平面回轉篩面和滾動旋轉篩面等。
圖1.1 篩面運動形式
經(jīng)過多年的發(fā)展和改進，鋼球篩分機械逐漸形成了以下幾種類型：
1） 溜槽：利用溜槽分選鋼球，是一種最簡單的分選鋼球的辦法。當鋼球沿溜槽向下滾動時，完整的鋼球落得較遠，磨損后不完整的鋼球下落較近，這樣就可將不能再用的碎球剔除。溜槽的角度，必須選擇恰當，一般在12~15°之間，過大或過小都會影響分選效果。利用溜槽并不能將大小球完全分離。。
2） 回轉式鋼球分選機：主要利用轉動篩和固定篩交叉程度不同所形成的出口大小來分選鋼球。如轉動篩和固定篩完全重合，出口開度最大（圖1.2中a）；首尾交接時，出口閉合（圖1.2中b）。分選時，先將出口調至最小，然后再逐步增大。
圖1.2 臥式回轉式鋼球分選機
這種分選機，可以將不同規(guī)格的鋼球完全分離，只是每次調節(jié)出口開度時都必須停機調整，而且當機內大鋼球存有一定量的時候，必須將出口調至最大，卸出鋼球后，再重新裝球進行分選。
如圖1.3所示，依照不同孔徑篩筒的排列，篩筒有并列式、串列式和同軸式三種結構。
圖1.3 篩筒排列形式
并列式組合將篩孔規(guī)格不同的幾個篩筒按篩孔大小依次順序排列。每段篩筒的長度較大，篩理路程較長，鋼球有更多且同樣多的機會被篩孔度量。為節(jié)省占地面積，篩筒間可作垂直方向的排列。各段篩理能力均衡，適宜于粒徑分布較為均勻的鋼球的篩分。
串列式組合將篩筒分成多段，篩孔由小到大，各段長度較短，篩理路程短，鋼球不能得到充分篩理，影響篩選效率。適宜于小顆粒含量較多的鋼球的篩分。
同軸式組合將具有不同篩孔和筒徑的篩筒由內向外排列，結構緊湊，但流量最大的內篩筒直徑最小，篩理能力低，而且同一粒度的顆粒因穿過上一級篩孔的位置不同而不具有同樣的篩理路程，故適宜于大顆粒較少鋼球的分選。
有些機型采用棱柱面篩筒，與圓柱面篩筒相比，鋼球的流動狀態(tài)更有利于篩理，但結構略顯復雜，且工作時平穩(wěn)性較差。
3） 立式回轉鋼球分選機：主要利用不同篩孔大小的幾層篩板進行分選。這種分選機具有結構緊湊、物料提升次數(shù)少、篩面利用率高和操作管理較方便等特點，只是篩板的篩孔大小是固定的，在
分選多種規(guī)格鋼球時，需更換篩板。
立式回轉鋼球分選機結構如圖1.4
所示。利用大小鋼球自動分級的特性，
使直徑不同的鋼球在篩面上充分分層，
并配備大小適當?shù)暮Y孔，使底層小鋼球
及時分出，從而達到大小鋼球分離的目
的。立式回轉鋼球分選機由進料裝置、
篩體、偏心回轉機構和篩面角度調節(jié)機
構等部件組成。篩體的固定方式分支撐
式和懸吊式兩類。 圖1.4 立式回轉鋼球分選機
4） 分級漏板：分級漏板和立式回轉分選機很相似，只是它固定不動，像溜槽一樣利用漏板所具有的斜度使漏板上的鋼球沿出球口卸出。分級漏板，容易制造，又不需要動力，分級效果也好。
5） 振動篩：振動篩是應用最廣泛的篩選設備。主要由進料裝置，篩體，振動裝置和機架組成。
進料裝置由進料斗和流量控制活門構成，其作用是保證供料穩(wěn)定并沿篩面均勻分布，提高篩分效率。進料量可以調節(jié)。流量控制活門有喂料輥和壓力門兩種結構。喂料輥進料裝置喂料均勻，但結構復雜，一般在篩面較寬是才采用。壓力門結構簡單，操作方便，篩選設備多采用重錘式壓力門。
篩體是振動篩的主要工作部件，它由篩框、篩面、篩面清理裝置、吊桿、隔振機構等組成。篩體內通常設多層篩面，因篩孔較小而易造成堵塞，為保證篩選效率，設置有篩面清理裝置，圖示振動篩采用的是橡膠材質的振球。
隔振裝置用來降低篩體的振動。篩體的工作效率一般在超共振頻率區(qū)，在啟動或停機過程中需要經(jīng)過共振區(qū)。常用的隔振裝置有彈簧式和橡膠緩沖器。
這種振動篩的篩面作往復運動，因物料只是在篩面上滑動，故適宜于流動性較好的散粒體物料的分選。
通過以上的研究，我們發(fā)現(xiàn)，篩分機械主要由進料裝置，篩體，收集裝置和機架組成。篩體是篩分機械的主要工作構件。篩體多為平面結構，少數(shù)為柱面（圓柱面或棱柱面）結構。按照制造工藝不同，篩體有沖孔篩、編織篩、柵篩等多種類型。
為保障篩分過程的正常進行，鋼球與篩面應保持足夠的接觸時間，以便于篩孔度量鋼球，同時物料與篩面之間應形成相對運動，促使小于篩孔的鋼球穿過篩孔。鋼球在篩面上最大可能移動距離（稱為篩程）越長，篩分效率越高；鋼球沿篩面運動速度越快，越不易穿過篩孔，篩分效率越低；鋼球沿垂直于篩面的運動速度越大，小鋼球越易穿過篩孔，但動力消耗也相應增大。
2 系統(tǒng)總體方案設計
2.1 本次設計的構想
在對任務書充分研究理解和對以上各種類型的鋼球分選機進行充分認識后，本次設計提出了螺旋式鋼球分選機的構想，該類型鋼球分選機屬于連續(xù)作業(yè)型，如圖2.1所示，主要由螺桿、料斗、上蓋、底座、傳動裝置、鋼球收集器及機架組成。
鋼球分選機的主要部件為輸送螺桿和四個與鋼球直徑相匹配的分選槽。輸送螺桿由兩端的軸承支承在底座上，作旋轉運動。在螺桿的上方，設有上蓋，在其下部，底座通過螺栓與上蓋聯(lián)接，底座底部開有四條分選槽。
1-上箱體、2-端蓋、3-下箱體、4-收集器、5-支架、
6-電機、7-減速器、8-皮帶、9-帶輪、10-螺桿、11-料斗
圖2.1 鋼球分選機
工作時，鋼球由料斗進入螺桿的螺旋槽，在螺桿的推動下沿溜槽滑動，當鋼球的直徑小于分選槽的寬度時，既從分選槽中落入收集器中，從而實現(xiàn)對直徑為10mm、15mm、20mm、25mm的四類鋼球進行分選。分選速度可以通過調節(jié)螺桿的轉速來設定。
該分選設備設計合理、結構簡單，可實現(xiàn)鋼球在固定速度下進行分選。由于機體下部為密封體，作業(yè)時避免了灰塵飛揚，可顯著地改善工人的作業(yè)環(huán)境，降低工人的勞動強度，大大提高分選效率，同時也提高了分選質量。
2.2 本次設計的依據(jù)和原則
為了保證設計出來的鋼球分選機能夠完全滿足任務書的要求，我們應該充分考慮該設備所需要具備的測量范圍、分組間隔、分組數(shù)、分選效率、分選精度等技術參數(shù)。
螺旋輸送器的結構尺寸是由所設計的鋼球分選機的分選精度和分選效率決定的。在本次設計中，需要確定的結構尺寸主要有分選槽的寬度、螺旋軸直徑、螺旋葉片直徑、螺距及螺旋軸的轉速等，這些主要尺寸的確定直接影響鋼球分選的精度和效率，正確地確定這些主要參數(shù)是整個設計的起點，。
螺旋軸葉片直徑越大或者螺距越大時，每個螺旋槽攜帶的鋼球就越多，慣性就越大，還有可能出現(xiàn)鋼球累積分層的現(xiàn)象，使得位于內層的鋼球得不到分選。從而降低了鋼球分選的效率，且增大了鋼球的分選誤差。
螺旋軸葉片直徑過小或節(jié)距過小時，螺桿的輸送能力變小，分選效率降低。此外，節(jié)距過小，還會導致鋼球在輸送過程中因受到擠壓而產(chǎn)生變形，使螺桿對鋼球的適應性變差，從而進一步降低了分選的效率和精度。
因此，合理地確定螺旋葉片的直徑和螺距，可以有效地提高鋼球分選機的分選效率和分選精度。
2.3 本次設計的特點
本次設計充分考慮了現(xiàn)有分選機械的缺點與不足，控制了鋼球在分選機中運動路徑和運動速度，盡最大的可能保證了每一個鋼球都能最多次數(shù)地被分選槽度量，從而保證了鋼球的分選精度和分選質量。
該鋼球分選機還具有結構簡單、橫截面尺寸小、密封性好、工作可靠、制造成本低、單位功率較大、維修簡便等優(yōu)點。同時，采用螺桿作為鋼球的運載體，推動鋼球在筒體內沿螺旋槽運動，大大縮短了分選槽的軸向尺寸，提高了空間利用率。
3 輸送螺桿的相關設計
3.1 輸送螺桿的結構設計
螺桿是一種不具有撓性牽引性質的旋轉機構，是現(xiàn)代化生產(chǎn)和物流運輸不可缺少的重要機械結構之一。它的廣泛應用對于提高勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)物料輸送過程的機械化和自動化，都具有重要的現(xiàn)實意義。
3.1.1 輸送螺桿的結構和特點
螺桿是常用的輸送機構之一，具有如下特點：結構簡單，造價便宜；維護容易，操作安全；輸送空間密閉，物料損耗少；外形尺寸矮小，布置緊湊，便于多點裝料與卸料等。適于輸送各種松散的粉粒狀、小塊狀以及某些黏性不大的物料。
本次設計中，螺桿主要用于鋼球的排列和輸送，其結構如圖3.1所示。擬采用實體螺旋葉片、等螺距的單頭普通螺桿。。螺桿通過軸承安裝在底座兩端軸承座上，螺桿一端的軸頭與驅動裝置相聯(lián)，在上蓋和底座圍成的圓筒內旋轉。上蓋頂部設有料斗和進料口，底座底部設有分選槽和出料口。
圖3.1 輸送螺桿的結構
其工作原理是：鋼球從進料口加入，當轉軸轉動時，鋼球受到螺旋葉片法向推力的作用，該推力的徑向分力和葉片對鋼球的摩擦力，帶著物料繞軸轉動，但由于本身的重力和料槽的摩擦力的作用，鋼球才不與螺旋葉片一起旋轉，而是在葉片法向推力的軸向分力的作用下，沿著分選槽軸向移動
3.1.2 輸送螺桿的基本參數(shù)
（1） 設計參數(shù)的選取
1) 輸送物料：鋼球，無磨琢性和腐蝕性。
2) 輸送量Q：正常工況設計要求8000 kg/d，最大輸送量按10000 kg/d設計，每天操作時間按8 h 計算時，輸送量Q為1250 kg/h。
3) 物料的表觀密度為7.9 t/m3。
4) 輸送溫度：常溫。
5) 輸送長度650 mm。
6) 輸送高度160 mm。
（2） 螺桿直徑與轉速的確定
本次設計擬采用普通單線螺紋螺桿，其螺紋牙型為等邊三角形，牙型角，該類型螺紋牙根部允許有較大的圓角，以減小應力集中。，承受沖擊、振動和變載荷的性能較好。
圖3.2 輸送螺桿截面
通過以上分析，可得：
mm （3-1）
mm （3-2）
螺旋軸直徑的大小與螺距有關，因為兩者共同決定了螺旋葉片的升角，也就決定了鋼球的滑移方向及速度分布，所以應從考慮螺旋面與鋼球的摩擦關系以及速度各分量的適當分布來確定最合理的軸徑與螺距之間的關系。
根據(jù)鋼球的運動分析，要保證鋼球在料槽中的軸向移動，螺旋軸徑處的軸向速度要大于0，即螺旋內升角
（3-3）
又因為， ，所以螺距與軸徑之間關系必須滿足的條件之一是：
（3-4）
實踐證明，對大多數(shù)螺旋輸送機，一般其螺旋體的結構均能滿足第一個條件要求但對螺旋體直徑較?。ɡ鏒=100mm）的螺旋輸送機，其不一定能滿足第一個條件的要求，因而在確定較小直徑螺旋體的S和d時，必須進行這項驗算工作。
軸徑與螺距的關系還應滿足的第二個條件是：螺旋軸徑處的軸向速度要大于圓周速度，即，由式（3-4）整理可得：
（3-5）
根據(jù)式（3-5）計算，當f取0.3，S=(0.8~1)D時，；當f值增加時，d/D值還要增加。也就是說，根據(jù)式（3-5）計算得出的軸徑相當大，這勢必降低有效輸送截面。為保證足夠有效的輸送截面從而保證輸送能力，就得加大結構，使得輸送機結構粗大笨重，成本增加。所以，螺旋軸徑與螺距的關系應是輸送功能與結構的關系，在滿足輸送要求的前提下盡可能使結構緊湊。由于螺旋輸送機的填充系數(shù)較低，只要保證靠近葉片外側的物料就有較大的軸向速度，且軸向速度大于圓周速度即可。
一般軸徑的計算公式為：
d=(0.2~0.35)D (3-6)
為了使鋼球在螺旋槽中移動時，呈單層排列,達到較好的輸送密封度。應讓螺旋槽的深度盡量與鋼球的直徑相匹配。故選取螺旋軸的直徑為 mm ,螺旋葉片的直徑為 mm 。
螺旋葉片的直徑通常制成標準系列，D=100、120、150、200、250、300、400、500和600mm，目前發(fā)展到D=1000mm，最大可達1250mm。為限制規(guī)格過多過亂，國際標準化組織在系統(tǒng)研究、試驗的基礎上制訂了標準草案，規(guī)定螺旋直徑采用R10基本系列優(yōu)先數(shù)系。
筒體內徑應稍大于螺旋葉片直徑，兩者之間有一定間隙，此間隙應越小越好，因為在輸送過程中，鋼球可能從間隙穿過，這樣就會降低分選精度。本次設計中筒體擬采用鑄造，筒體內徑取 mm ，即筒體與螺旋葉片的單邊間隙為5 mm。
（3） 螺距
螺距不僅決定著螺旋的升角，還決定著在一定填充系數(shù)下鋼球運行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程。輸送量Q和直徑D一定時，螺距改變，鋼球運動的滑移面隨著改變，這將導致物料運動速度分布的變化。通常螺距應滿足下列兩個條件：即考慮螺旋面與鋼球的摩擦關系以及速度各分量間的適當分布關系兩個條件，來確定最合理的螺距尺寸。
從圖2可知，鋼球顆粒M所受螺旋面在軸向的作用力為
（3-7）
為使，必須滿足，因為在處的最大（d為螺旋軸直徑），最小，所以許用螺距可由下式求得：
（3-8）
若令，則 （3-9）
式中， ——鋼球與葉片間的摩擦系數(shù)；——螺旋軸直徑系數(shù)，=0.3~0.6。
另外，螺距的大小將影響速度各分量的分布。當螺距增加時，雖然軸向輸送速度增大，但是會出現(xiàn)圓周速度不恰當?shù)姆植记闆r；相反，當螺距較小時，速度各分量分布情況較好，但是軸向輸送速度卻較小。當確定最大的許用螺距時，必須滿足的第二個條件是建立在使鋼球顆粒具有最合理的速度各分量間的關系的基礎上，即應使鋼球顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時又使螺旋面上各點的軸向輸送速度大于圓周速度。即，由此可得：
（3-10）
整理得：，因此在處（在螺旋外徑處），故可將上式寫成：
（3-11）
所以螺距S應滿足以下兩個條件：
鋼球的摩擦系數(shù)同物料在料槽里的運動取向、運動速度、物料的尺寸、濕度以及螺旋葉片材料及表面狀態(tài)等有關。輸送鋼球的摩擦系數(shù)可參考連續(xù)運輸機設計手冊。
通?？砂聪率接嬎懵菥啵? （11） （3-12）
對于標準的輸送螺桿，通常有=0.81.0；當傾斜布置或輸送鋼球流動性較差時；當水平布置時，=0.81.0。
為了便于鋼球靈活移動，及出料口的均勻布置，選取螺距為60 mm。螺紋升角。
3.2 輸送螺桿的速度分析
3.2.1 螺桿的受力和軸向速度分析
在輸送過程中，由于受旋轉螺旋的影響，鋼球的運動并非是單純的沿軸線作直線運動，而是沿螺旋軸作一個復合的空間曲線運動。設螺桿為標準的等螺距、等直徑、螺旋面升角為的單頭螺旋。當螺旋面的升角一定時，在展開狀態(tài)時的螺旋線可以用一條斜直線來表示。下面以距離螺旋軸線處的鋼球顆粒M作為研究對象，進行運動分析（圖3.3）。
螺桿旋轉時，螺旋面作用在鋼球顆粒上的力為P，由于鋼球與葉片的摩擦關系，P力的方向與螺旋面的法線方向偏離了角。角的大小由鋼球對螺旋
面的摩擦角及螺旋面的表面粗糙程度決定，對于車削處的螺旋面，可忽略其表面粗糙程度對角的影響，即認為=。P力可分解為法向分力P1和徑向分力P2。鋼球顆粒M在P力的作用下，在料槽中進行著一個復合運動，既沿軸向移動，又沿徑向旋轉，如圖3.4所示，既有軸向速度V1，又有圓周速度V2，其合速度為V。
圖3.3 物料受力分析 圖3.4 鋼球運動速度分析
當螺旋體以角速度繞軸回轉時，距離螺旋葉片任意半徑r處的O點鋼球顆粒M的運動速度可由速度三角形求解。葉片上O點的線速度V0就是鋼球顆粒M牽連運動的速度，可用矢量OA表示，方向為沿O點回轉的切線方向；鋼球顆粒M相對于螺旋面的相對滑動速度，平行于O點的螺旋線切線方向，可用矢量AB表示。若不考慮葉片摩擦，則鋼球顆粒M絕對運動的速度V0應是螺旋面上O點的法線方向，可用矢量OB表示。由于鋼球與葉片有摩擦，鋼球顆粒M自O點的運動速度V的方向應與法線偏轉摩擦角。對V進行分解，則可得到鋼球顆粒自O點移動的軸向速度V1圓周速度V2。其中，V1就是料槽中鋼球的軸向輸送速度，而V2則是鋼球繞螺旋軸旋轉的動力源。
根據(jù)鋼球顆粒M運動速度圖的分析，可得到鋼球軸向移動的速度為：
（3-13）
由于，
（3-14）
而
由于，
所以（3-13）式又可寫成：
（3-15）
同理可得圓周速度：
（3-16）
式中，—螺旋螺距（mm）；—螺旋轉速（r/min）；—鋼球與葉片間的摩擦系數(shù)，，為葉片與鋼球的摩擦角（）；—螺旋面升角（）。
查表可得，鋼球與葉片間的摩擦系數(shù) =0.74。
解之得： =84.8 mm/s
則聯(lián)立（3-14）（3-15）（3-16）式解之得：
=100 r/min =89.8 mm/s
由式（3-14）及式（3-15），可得出鋼球在料槽內軸向移動速度V1和圓周速度V2隨半徑r而變化的曲線圖（圖4）。由圖4可見，V2在半徑長度范圍內是變化的，在螺旋軸后隨半徑的增加而減小，因此，鋼球在螺旋內的移動過程中要產(chǎn)生相對滑動，V1在半徑長度范圍內也變化，并隨半徑的增加而增加?？梢?，靠近螺旋軸的鋼球的V2比外層的大，而V1卻比外層的要小，反之，靠近螺旋外側的鋼球的V1大V2小。這將使內層鋼球較容易隨螺旋軸轉動，因而產(chǎn)生一個附加的鋼球流。螺旋在一定的轉數(shù)之前，這種附加的鋼球流對物料運動的影響并不顯著。但是，當超過一定的轉數(shù)時，鋼球就會產(chǎn)生垂直于輸送方向的跳躍的翻滾，起攪拌而不起軸向的推進作用。這不僅會降低鋼球的輸送效率，加速設備構件的磨損，而且會增大螺旋功率的消耗。因此，為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，螺旋的轉數(shù)不得超過它的臨界轉速。
圖3.5 螺旋面上速度的變化曲線
3.2.2 螺旋軸轉速
螺旋軸的轉速對輸送量有較大的影響。一般說來，螺旋軸轉速加快，輸送器的輸送量提高，轉速過小則使輸送器的輸送量下降。但轉速也不宜過高，因為當 轉速超過一定的極限值時，物料會因為離心力過大而向外拋，使鋼球在輸送過程中所受的擠壓力變大。所以還需要對轉速進行一定的限制，不能超過該極限值。
當位于螺旋外徑處的物料顆粒不產(chǎn)生垂直于輸送方向的徑向運動時，則它所受慣性離心力的最大值與其自身重力之間應有如下關系：
（3-17）
即
解之得：
因此，螺旋輸送機的螺旋轉速應根據(jù)鋼球輸送量、螺旋直徑和鋼球的特性而定，在滿足輸送量要求的前提下，螺旋轉速不宜過高，更不允許超過它的臨界轉速，即： 式中，——螺旋的實際轉速（r/min）。
所以，本次設計中取 =100 r/min 。
3.3 輸送螺桿的輸送量計算
3.3.1 填充系數(shù)
鋼球在料槽中的填充系數(shù)對鋼球的輸送和能量的消耗由很大影響。當填充系數(shù)較小時，鋼球堆積高度較低，大部分鋼球靠近螺旋外側，因而具有較高的軸向速度和較低的圓周速度，鋼球在輸送方向上的運動要比圓周方向顯著得多，運動的滑移面幾乎平行于輸送方向，這時垂直于輸送方向的附加鋼球流減弱，能量消耗降低；相反，當填充系數(shù)較高時，鋼球運動的滑移面很陡，其在圓周方向的運動將比輸送方向的運動強，這將導致輸送速度的降低和附加能量的消耗。因而，填充系數(shù)適當取小值較有利，一般取。此外，傾斜角度的大小對填充系數(shù)也由一定的影響。各種物料的填充系數(shù)值可參考表3.1。
表3.1 傾斜輸送系數(shù)
3.3.2 傾斜角度
螺旋輸送機的傾斜角度對于螺旋輸送機輸送過程的生產(chǎn)率和功率消耗都有影響，一般它是以一個影響系數(shù)的形式來體現(xiàn)的，傾斜輸送系數(shù)見表1.螺旋輸送機輸送能力將隨著傾斜角度的增加而迅速降低，同時，螺旋輸送機布置時傾斜角度也將影響物料的輸送效果。另外傾斜角度的大小還會影響填充系數(shù)，其對填充系數(shù)的影響如表1.傾斜角度越大，允許的填充系數(shù)越小，螺旋輸送機的輸送能力越低。因此，在滿足使用條件的前提下，螺旋輸送機盡量避免傾斜布置，為了提高輸送效率，傾斜角度也不宜太大，一般傾斜角度。若一級不能滿足要求，可采用多級傾斜布置，以減少損耗。
為了便于鋼球在圓筒中滑動，選取傾斜角度為 2o。
3.3.3 輸送量
輸送量是衡量螺旋輸送機能力的一個重要指標，一般根據(jù)生產(chǎn)需要給定，但它與其他參數(shù)密切相關。在輸送鋼球時，螺旋軸徑所占據(jù)的界面雖然對輸送能力有一定的影響，但對于整機而言所占比例不大，因此，螺旋輸送機的鋼球輸送量可粗略按下式計算：
（3-18）
式中，——螺旋輸送機輸送量（t/h）；——料槽內鋼球層橫截面積（m2）； ，其中，為填充系數(shù)，取0.3， 為螺旋葉片直徑（mm）； ——鋼球的單位容積質量（t/m3），它同原料的種類、濕度、切料的長度以及凈化方式、效果等多種因素有關，其值可查閱相關的手冊；——傾斜輸送系數(shù)，考慮到螺旋輸送機傾斜布置時對鋼球的輸送效果的影響，傾斜輸送系數(shù)見表3.1。
在實際工作中，通常不考慮鋼球軸向阻滯的影響，因此鋼球在料槽內的軸向移動速度 。
（3-19）
由上式可以看出，螺旋輸送機的鋼球輸送量與D、S、、、、有關，當鋼球輸送量Q確定后，可以調整螺旋外徑D、螺距S、螺旋轉速和填充系數(shù)四個參數(shù)來滿足Q的要求。求解上式得：Q=9.1 t/h。
4 系統(tǒng)傳動比的分配
4.1 傳動裝置的總傳動比
傳動裝置的總傳動比，根據(jù)電動機的滿載轉速和工作機所需轉速按下式計算：
=/=970/100=9.7 （4-1）
4.2傳動裝置各級傳動比的分配
合理分配傳動比，是傳動裝置設計中的一個重要問題，它將直接影響到傳動裝置的外廓尺寸、重量、潤滑以及減速器的中心距等很多方面。對標準減速器，各級傳動比按標準分配。
總傳動比為各級傳動比的連乘積，即
（4-2）
在本次設計中，要求有過載保護，故考慮在傳動系統(tǒng)中采用帶傳動；又要求電動機軸與執(zhí)行機構輸入軸平行，且傳動系統(tǒng)傳動比較小，考慮采用單級圓柱齒輪傳動。按表推薦的傳動比范圍，帶傳動比，圓柱齒輪傳動比，則傳動系統(tǒng)總傳動比的范圍
（4-3）
為了使帶傳動的外廓尺寸不致過大，在選取標準減速器時，擬選用傳動比為的ZDY型硬齒面圓柱齒輪減速器。故帶傳動比
綜上所述，各級傳動裝置的運動和動力參數(shù)如下：
1） 各軸轉速
減速器輸出軸轉速 r/min （4-4）
螺旋軸轉速 r/min （4-5）
2） 各軸功率
電動機至螺旋軸的傳動總效率包含減速器的效率和螺旋軸傳動裝置的效率兩部分：
減速器的效率包括兩對滾子軸承的傳動效率、一對圓柱齒輪的傳動效率和一堆彈性聯(lián)軸器的傳動效率，即
（4-6）
螺旋軸傳動裝置的效率包括一級帶傳動效率，一對滾子軸承的傳動效率，
即 （4-7）
則，減速器輸出軸功率 kw
螺旋軸功率 kw
3） 各軸轉矩
電動機軸轉矩
減速器輸出軸轉矩
螺旋軸轉矩
5 系統(tǒng)動力部分的設計
5.1 電動機的選用及功率計算
電動機一般由專業(yè)工廠按標準系列成批大量生產(chǎn)。在機械設計中，根據(jù)工作載荷（大小和性質）、工作要求（轉速高低、允許偏差和調速要求、啟動和反轉頻繁程度）、工作環(huán)境（塵土、金屬屑、油、水、高溫等）、安裝要求尺寸、重量有無特殊限制等條件從產(chǎn)品目錄中選擇電動機。
選擇電動機包括選擇電動機類型、結構形式、功率、轉速和型號。
5.1.1 選擇電動機的類型和結構形式
電動機的類型和結構形式應根據(jù)電源種類（直流或交流）、工作條件（環(huán)境、溫度等）、工作時間的長短（連續(xù)或間隙）、載荷的性質、大小、啟動性能和過載情況等條件來選擇。
在本次設計中，對電動機的調速要求不高，負載較平穩(wěn)，能夠長期穩(wěn)定工作，啟動、制動頻率較少，自動轉矩不大，安裝方式為臥式。通過查閱《機械設計手冊》可以發(fā)現(xiàn)，Y系列三相交流異步電動機由于具有結構簡單、價格低廉、維護方便、較好的起動性能等優(yōu)點，并且體積小、重量輕、外形美觀。故可以按照工業(yè)上的一般標準采用具有封閉自扇冷式防護結構的三相異步交流電動機。
5.1.2 確定電動機的功率
電動機的額定功率選擇是否合適，對電動機的正常工作和經(jīng)濟性都有影響。所選功率小于工作要求時，不能保證工作機的正常工作，或使電動機長期過載、發(fā)熱而過早損壞；功率選得太大，則電動機價格高，能力又不能充分利用，且由于經(jīng)常不在滿載下運行，電動機的效率和功率因數(shù)都較低，造成很大的浪費。
電動機的額定功率是連續(xù)運轉下電動機發(fā)熱不超過許用溫度的最大功率，電動機功率的確定，主要與其載荷大小、工作時間長短、發(fā)熱多少有關。對于長期連續(xù)工作、載荷較穩(wěn)定的機械，可根據(jù)電動機所需要的功率來選擇，而不必校驗電動機的發(fā)熱和啟動力矩。選擇時，應使電動機的額定功率稍大于電動機的所需功率，即≥。對于間歇工作的機械，可稍小于。
在本次設計中，電動機的功率包含傳動功率、損耗功率和維持系統(tǒng)正常工作所需的提供給輸送螺桿的驅動功率。其中，主要是提供給輸送螺桿的驅動功率。
輸送螺桿的驅動功率，是用于克服鋼球輸送過程中的各種阻力消耗的能量，主要包括以下幾個部分：
1） 使被運鋼球提升高度H（水平或傾斜）所需的能量；
2） 被運鋼球對圓筒壁和螺旋面的摩擦引起的能量消耗；
3） 鋼球內部顆粒間的相互摩擦引起的能量消耗；
4） 兩端軸承處摩擦引起的能量損耗；
5） 皮帶傳遞時損失的功率；
6） 減速器處消耗的功率。
從另外的角度，也可以這樣分：物料與料槽間摩擦消耗的功率；鋼球與螺旋葉片間摩擦消耗的功率；軸承處摩擦消耗的功率；提升物料及物料顆粒間相互運動消耗的功率；傳動系統(tǒng)消耗的功率。
這樣，螺旋輸送機的電動機驅動功率，就由機構運動過程中所產(chǎn)生的阻力來決定。阻力主要由以下幾個部分組成：
1） 鋼球與料槽之間的摩擦阻力；
2） 鋼球對螺旋的摩擦阻力；
3） 鋼球傾斜向上輸送時的阻力；
4） 皮帶出動時的摩擦阻力；
5） 物料被攪拌所產(chǎn)生的阻力；
6） 軸承的摩擦阻力。
在計算功率的時候，為簡便起見，可以總結螺旋輸送機功率為以下幾個主要部分。即總的軸功率應包括物料運行需要功率，空載運轉所需功率，以及由于傾斜引起的附加功率三個部分，并且
；；；
(5-1)
式中，—螺旋輸送機的驅動功率（kw）；—輸送量（t/h）；—輸送距離（m）；—傾斜高度（m）；—螺旋外徑（m）；—物料運行阻力系數(shù)。
電動機驅動功率為：
（5-2）
式中，—表示功率儲備系數(shù)，一般取為1.2~1.4；—電動機傳動效率，，一般為了方便取0.9計算。
對于本次設計的鋼球分選機，由于整個系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)，且自動化程度很高，任何一個部位發(fā)生故障都會影響整個系統(tǒng)的正常運轉。因此，這種場合使用的輸送機應有較大的功率儲備。
電動機所需的功率按如下的方法計算：
電機功率的確定：
（5-3）
式中：N0為螺旋軸所需功率，KW；k為功率備用系數(shù)，取1.3；Q為輸送量，t/h；為物料總阻力系數(shù)，取1.2；L為輸送器水平投影長度，取4.46 m；H為輸送器垂直投影高度，取0.686 m。
額定功率 (5-4)
式中：N為驅動裝置額定功率，kw；η為驅動裝置的總效率，一般取
η=0.920.96。
傳動裝置的總效率 = (5-5)
=0.99×0.97×0.95×0.98
=0.894
通過理論公式計算，參照工程設計經(jīng)驗并考慮系統(tǒng)運行時的功率損耗和，最終取電動機的額定功率N為 7.5 kw。
5.1.3 確定電動機的轉速和型號
電動機的滿載轉速是指負荷相當于額定功率時的電動機轉速，同一功率的異步電動機有同步轉速3000、1500、1000、750 等幾種。一般來說，電動機的同步轉速愈高，磁極對數(shù)愈少，外廓尺寸愈小，價格愈低；反之，轉速愈低，外廓尺寸愈大，價格愈貴。當輸出轉速高時，選用高速電動機較經(jīng)濟。但若輸出轉速要求較低時也選用高速電動機，則這時總傳動比大，會導致傳動裝置結構復雜，造價較高。所以，在確定電動機轉速時，應全面分析。
為使傳動裝置設計合理，可以根據(jù)工作轉速要求和各傳動副的合理傳動比范偉推算電動機轉速的可選范圍，即
(5-6)
式中，為電動機可選轉速范圍（r/min）；為傳動裝置總傳動比的合理范圍；，，為各級傳動副傳動比的合理范圍；為工作機的轉速（r/min）。
在一般機械中用得最多的是同步轉速為1500或1000的電動機。本設計要求輸出軸的轉速為100，所以選同步轉速為1000的Y系列電動機。所選電動機的型號為Y160M-6 。其各項參數(shù)如下：額定功率7.5 kw；滿載轉速970 r/min。
5.2 減速器的選用
減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速以滿足各種工作機的需要。減速器的種類很多，按照傳動形式的不同可分為齒輪減速器，蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級減速器；按照傳動的布置形式又可以分為展開式，分流式和同軸式減速器。
減速器的選用主要考慮承載能力，而減速器的承載能力受機械強度和熱平衡許用功率兩方面的限制。因此，減速器的選用必須通過以下兩個步驟：
1） 選用減速器的公稱輸入功率，應滿足：
(5-7)
式中，——計算功率，kw；
——載荷功率，kw；
——減速器公稱輸入功率，見表；
——工況系數(shù)（即使用系數(shù)），見表；
——啟動系數(shù)，見表；
——可靠度系數(shù)，見表。
2） 校核熱平衡許用功率，應滿足：
(5-8)
式中，——計算熱功率，kw；
——減速器熱功率，無冷卻裝置為，有冷卻裝置為；
——系數(shù)。
本次設計中，采用了V帶傳動，為輕微沖擊，查表得=0.8，查表得啟動系數(shù)和可靠度系數(shù)，=1，=1。按式計算，得出計算功率：
(5-9)
為滿足減速器的機械強度，要求
按i=4，n1=970 r/min 接近公稱轉矩1000 r/min，查《機械設計手冊》初選減速器型號為ZDY80.
校核熱平衡許用功率
查表得，=1.35，=0.74（每天工作8小時），=1.1（）按式計算，得出熱平衡許用功率：
(5-10)
查表，對于ZDY80型，滿足以上各項要求。
由于齒輪減速器的特點是效率及可靠性高，工作壽命長，維護簡便，因而本次設計擬采用ZDY80-4-II型圓柱齒輪減速器，因此選定ZDY80-4-II型減速器。其主要安裝尺寸如下：
圖5.1 減速器安裝尺寸
表5.1 減速器安裝尺寸（mm）
A
B
c
H
h
n1
m1
m3
L1
L2
235
150
18
210
100
40
180
120
112
128
5.3 軸承的設計、選用及校核
軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一，根據(jù)軸承中摩擦性質的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承（滑動軸承）和滾動摩擦軸承（滾動軸承）兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標準化，選用、潤滑、維護都很方便，因此在一般機器中應用較廣。
本次設計擬選用滾動軸承作為支撐部件，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉動零件的。
5.3.1 軸承的選擇和組合設計
軸承的選定是在軸的結構設計基本確定后進行的。因此，軸承類型的初步選擇是根據(jù)軸頸尺寸和安裝空間確定的。一般來說，軸頸尺寸較小時，選用各種球軸承；軸頸尺寸較大時，選用各種滾子軸承。然后再根據(jù)設計所要求的軸承的承載能力、速度特性、運轉精度等方面的因素最終確定軸承的具體型號。
本次設計中的螺旋軸是鋼球分選機的主軸，主要承受的是軸自身的重力、外力作用下的彎曲應力和不平衡作用力等徑向作用力。而且，不需要很精確的軸向定位，工作溫度也不高，在這種工作條件下的軸的最佳支承是采用雙支點各單向固定的支承。
根據(jù)軸的強度計算可得，兩軸的軸頸部位的直徑為80mm，為了克服在鋼球的輸送過程中螺旋軸受到的阻力，螺旋軸的小端選用型號為6016的深溝球軸承，大端選用型號為30216的圓錐滾子軸承。為滿足低噪聲要求，除保證內外圈具有較高的形狀精度和尺寸精度外，還應選擇合適的游隙數(shù)值，以使軸承在工作中接近零游隙狀態(tài)。
5.3.2 軸承的校核計算
（1） 危險軸承的確定
軸承的校核計算主要是校核軸承的使用壽命能否達到設計的要求。滾動軸承主要的失效形式為滾動體或內外道上的點蝕破壞，通常在選擇軸承時主要考慮的軸承的特性是軸承的基本額定壽命（即按一組軸承中10%的軸承發(fā)生點蝕破壞，或90%的軸承部發(fā)生點蝕破壞前的轉數(shù)或工作小時數(shù)）和基本額定動載荷（所謂軸承的基本額定動載荷就是使軸承的基本額定壽命恰好為106轉時，軸承所能承受的載荷值），
綜合各方面的因素考慮，最后確定需要進行校核計算的軸承對為軸Ⅰ上的軸承對。
（2） 軸承的校核計算過程
軸承對的受力情況如圖5.2所示。
圖5.2 輸入軸軸承受力圖
1) 求兩軸承受到的徑向載荷和
將軸系部件受到的空間力系分解為水平平面（圖5.3）和垂直平面（圖5.4）的兩個平面力系。由力分析可知：
圖5.3 輸入軸水平平面受力圖
圖5.4 輸入軸垂直平面受力圖
（5-11）
（5-12）
（5-13）
（5-14）
（5-15）
（5-16）
2) 計算兩軸承的軸向力、
對于6200系列軸承，軸承派生軸向力，其中為軸承靜載荷校核的判斷系數(shù)，其值由的大小來確定，但現(xiàn)軸承軸向力未知，先取，由此可估算
（5-17）
（5-18）
根據(jù)參考資料查得軸承的基本額定載荷，而軸承在無外加軸向力作用，因此有，，，則
（5-19）
（5-20）
根據(jù)參考資料[1]中的表20.3-6進行插值計算，得，。再計算
（5-21）
（5-22）
同樣有，
（5-23）
（5-24）
3) 求軸承當量動載荷
由于軸承無外加軸向力作用，因而軸承的當量動載荷，為載荷系數(shù)，因軸承運轉中有中等沖擊載荷，查參考資料中表20.3-9得，，取。則有：
（5-25）
（5-26）
4) 驗證軸承壽命
因，所以按軸承A受力大小驗算
（5-27）
顯然軸承滿足設計的要求。
5.4 V帶輪的設計與V帶的選用
帶傳動是一種撓性傳動。帶傳動的基本組成零件為帶輪（主動帶輪和從動帶輪）和傳動帶。當主動輪轉動時，利用帶輪和傳動帶間的摩擦作用，將運動和動力通過傳動帶傳遞給從動帶輪.帶傳動具有結構簡單，傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等特點，在近代機械中應用廣泛。
5.4.1 帶傳動的設計
根據(jù)本次設計的構想，為了盡量減少鋼球分選機所占的空間，也是由于減速器輸出的轉速較高，且減速器的主軸與螺旋軸的中心距較大，傳動系統(tǒng)中設計了帶傳動。而V帶傳動具有當量摩擦因數(shù)大、傳動比大、結構緊湊、大多數(shù)V帶已標準化等特點，因此，本次設計中的帶傳動擬采用V帶傳動。
帶傳動的主要失效形式為打滑和疲勞破壞。因此，帶傳動的設計基準是：在保證不打滑的條件下，帶傳動具有一定的疲勞強度和壽命。
5.5.2 V帶輪的設計
常用的帶輪材料為HT150或HT200。轉速較高時可以采用鑄鋼或用鋼板沖壓后焊接而成，小功率時可用鑄鋁或塑料。本次設計擬采用的帶輪材料為HT150.
V帶輪由輪緣、輪輻和輪轂組成。
根據(jù)輪輻形式的不同，V帶輪可以分為實心式、腹板式、孔板式和橢圓輪輻式。
V帶輪的結構形式與基準直徑相關。當帶輪基準直徑為（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時，可采用實心式；當mm時，可采用腹板式；當mm，同時mm時，可采用孔板式；當mm時，可采用輪輻式。本次設計中，設計了兩級帶傳動，第一級為減速器與螺旋軸之間的減速傳動，第二級為兩個螺旋軸之間的同速傳動
根據(jù)減速器輸出軸的轉速、螺旋軸的轉速，和帶傳動系統(tǒng)的傳動比計算可得，本次設計中的各帶輪的基本尺寸如下：
第一級帶傳動：
小帶輪：mm，mm，mm
大帶輪：mm，mm，mm
第二級帶傳動：
因為此級傳動為同速傳動，不需要改變螺旋軸的轉速，故此級傳動中的兩個帶輪的尺寸是相同的，均為：mm，mm，mm
5.5.3 V帶的選取
V帶的選取根據(jù)減速器的輸出轉速和傳遞功率等各方面因素確定。普通V帶常選的截面形式為A型，傳動基準長度取1800mm。為保證帶的穩(wěn)定性，根據(jù)單根V帶的基本額定功率和所需傳遞的總功率確定每級V帶的根數(shù)為在z=2根。
6 系統(tǒng)結構部分的設計
6.1 床身的結構設計
為保證床身的剛度和強度，在選擇型材的過程中綜合了床身外觀設計的考慮，根據(jù)《機械設計手冊》和JB/T5000.3-1998規(guī)定選擇寬為40 mm的等邊角鋼。其截面形狀及尺寸如圖6.1所示。