拉伸机说明书

摘要：螺旋输送机是水泥、粮食、化工等行业输送粉状物料的主要设备, 使用面广, 运

转时间长，其螺旋输送机叶片易磨损。按传统工艺加工叶片难度较大, 工序复杂, 制造粗糙, 成品率低; 规格不整, 内径边缘不平滑, 给焊接工序造成很大麻烦。文中介绍了一种利用冷拉成形法设计的螺旋叶片拉伸机，该机具有省工、省料、省力、不需能源的特点且制造简单，适应性强，特别适合用户在维修螺旋输送机时小批量生产螺旋叶片。

关键词：螺旋叶片拉伸机、结构、计算、展开计算

- 1 -

前言

螺旋输送机是水泥、粮食、化工等行业输送粉状物料的主要设备, 使用面广, 运转时间长，其螺旋输送机叶片易磨损。

然而螺旋叶片加工方法有很多：单片手工热压成形法、胎具热压成形法、胎具冷压成形法、冷拉成形法等。

按传统工艺热成形法加工叶片难度较大, 工序复杂, 制造粗糙, 成品率低; 内径边缘不平滑, 给焊接工序造成很大麻烦。而在专业化生产厂家主要采用模压成型法，成形质量稳定，生产效率高，但需要专用成形胎具和压力机。而用户更换磨损的螺旋叶片如从制造厂家购买，往往费用较高。1996年第三期《吉林建材》以“螺旋输送机叶片拉伸机的性能与应用”为题公开了一种冷拉成形法以及立式螺旋叶片拉伸机，该机具有省工、省料、省力、不需能源的特点且制造简单，适应性强，特别适合用户在维修螺旋输送机时小批量生产螺旋叶片。

由于这种立式螺旋叶片拉伸机每次只能加工一片叶片毛坯，工作效率较低。为克服上述立式螺旋叶片拉伸机存在的工效低的不足，我们又提供一种相对工效较高的螺旋叶片拉伸机，即卧式螺旋叶片拉伸机并对它的结构进行设计。

螺旋输送机叶片拉伸机属于冷拉伸工艺，采取复式螺旋机构的原理并应用杠杆原理和螺旋拉伸功率，通过手动或电动将力传给主体管内的丝杆，使丝杆旋转，带动正、反螺母向相反方向做匀速运行，这时固定在两螺母上的牵头牵着叶片毛坯两端沿着导向槽方向呈斜角拉伸，达到叶片设计要求。

立式螺旋叶片拉伸机从它的工作效率、经济性和实用性相对传统的加工方法都有实用性和可行性；并且卧式螺旋叶片拉伸机具有立式螺旋叶片拉伸机的优点同时也克服了立式螺旋叶片每次只能加工一片叶片，工作效率的不足，每次能够加工两片叶片，提高了一倍的工作效率。

- 2 -

第一章 螺旋叶片拉伸机的结构

1.1螺旋叶片拉伸机的工作原理

立（卧）式螺旋叶片拉伸机运用复式螺旋机构的原理如图1所示。图中的转动副A与转动副B同为螺旋副，即此结构为双螺旋机构。设A和B处的螺旋副的导程分别为lA和lB，则当螺杆1转过角时则螺母2的位移为 s=(lAlB)

 2当双螺旋机构中两处螺旋副的旋向相反时，则螺母2可实现快速移动。这种螺旋机构成为复式螺旋机构。

2B1A 图1 复式螺旋机构的原理图

1.2立式螺旋叶片拉伸机的结构

图2 立式螺旋叶片拉伸机的结构图

（1）底座；（2）底圈；（3）底圈螺栓；（4）深沟球轴承；（5）主体管；（6）螺母；（7）方形柱；（8）固定叶片体；

- 3 -

（9）螺母；（10）螺杆；（11）紧定螺钉；(12) 毛毡；（13）毡封圈。

图3 卧式叶片拉伸机的结构

（1） 主体管；（2）密封毡圈；（3）深沟球轴承；（4）螺杆；（5）螺母；（6）方形柱；（7）半圆形上盖螺母；（8） 螺母；（9）固定螺母片；（10）紧定螺钉；（11）支架；（12）地脚螺栓

- 4 -

第二章 螺旋叶片拉伸机的计算

滑动螺旋传动的主要失效形式是：螺纹磨损、螺纹牙和螺杆断裂或塑性变形、螺杆失稳。由于螺旋副间存在较大的滑动摩擦，故以螺纹磨损最为普遍。因此，滑动螺旋传动的设立准则是：先根据耐磨性计算确定螺杆的直径和螺母的高度，再按标准确定螺旋的其他各主要参数，最后对可能发生的其他失效形式进行必要的校核。例如对传力螺旋，应较校核螺杆和螺纹牙的强度；对长径比较大的受压螺旋，应校核其压杆稳定性；而对精度要求高的传导螺旋，还应校核螺杆的刚度等。 （1）螺杆的受力分析

螺杆在拉伸叶片时两端同时进行。受力如下图4所示，大小相等，方向相反。即螺杆在轴向不受力，但对单个螺母与螺杆仍存在力，它们之间需要校核。

图4 螺杆轴向受力分析

(2)耐磨性计算 螺纹的磨损受工作面上的压强影响最大。因此，耐磨计算主要是螺纹工作面上的压强。

如图5所示，设螺旋所承受的总轴向载荷为F，均匀分布在螺母的u圈螺纹上，则工作面上压强为

pFp （1） d2hu式中：d2——螺纹中径（mm）

h——螺纹工作高度，对矩形、梯形螺纹：h=0.5P；锯齿形螺纹：h=0.75P，P为螺

距（mm）

u ——螺纹承载圈数，uH，H为螺母高度； P p——许用压强（MPa）查表查下表1。

- 5 -

设ud2p，代入式（1）整理后，可得螺纹中径的设计公式为

d2≥

Fp(mm) （2）

hpØ——一般取值为1.2~3.5.整体螺母取小值，剖分螺母取大值。

螺母d2d图5 螺纹副的受力

表1 滑动螺旋副材料的许用压强p

螺杆材料 钢 钢 钢 钢 钢 淬火钢 注：当Ø‹2.5或人力驱动时，

螺母材料 青铜 铸铁 青铜 铸铁 钢 青铜 许用比亚p（MPa） 滑动速度（m/min） 18~25 13~18 11~18 4~7 7.5~13 10~13 低速 ＜2.4 ＜3.0 6~12 低速 6~12 p可提高大约20％；螺母为剖分式时，p应降低大约15％～20％.

根据算出的螺纹中径d2，查相关标准确定螺纹的其他参数，并计算螺母高度H= Ød2，螺母螺纹圈数uH。为避免螺纹各圈受载不均，一般要求u≤10。 P（3）螺纹牙的强度校核 螺纹牙强度不足时，可能在根部发生剪切和弯曲破坏。由于螺母的材料强度低于螺杆，一般只需校核螺母的螺纹牙强度。

如图6所示，将螺母上的一圈螺纹展开后，其简化后的受力情况近似于悬臂梁：将一圈螺

- 6 -

纹所受载荷F/u均匀作用在宽度为πd的悬臂梁中线上。按材料力学有关原理可推得螺纹牙根部危险截面a-a处的抗剪和抗弯强度条件

π 图6 螺母螺纹的受力简图

F （3） dbu6Flbb （4） 2dbud ——螺母上的螺纹大径（mm）

b——螺纹牙根部宽度 （mm）。矩形螺纹b=0.5P ，梯形螺纹b=0.65P，锯齿螺纹b=0.74P ，查表2 ——材料许用剪切应力（MPa）u——螺母与螺杆旋合圈数，且u≥1 l——弯曲力臂（mm） ，ldd2，参见图7a和图7b 2，查表2 b——许用弯曲应力（MPa）

表2 滑动螺旋副材料的许用应力

螺旋副材料 许用应力（MPa）  螺杆 钢 b  s 35 螺母 青铜 灰铸铁 40~60 45~55 30~40 40 - 7 -

耐磨铸铁 钢 50~60 40 （1.0~1.2） 0.6 注：(1)s为材料屈服极限;(2)载荷稳定时，许用应力取最大值

螺母

d2d （a ） （b）

图7 螺母尺寸

(4)验算自锁条件 螺旋副在装配完成后，如不受外力矩作用，无论所受轴向载荷有多大，螺旋副都不会松脱，则称此螺旋副具有自锁性能。对于要求自锁的螺旋传动(如螺旋千斤顶)，应验算其自锁性能。自锁条件为

pv （5） 式中：Ψ——螺旋升角，arctanlnp； arctand2d2 pv——当量摩擦角，pvarctanfv。fv为当量摩擦系数，矩形螺纹fv=f，梯形螺纹fv=1.035f，锯齿形螺纹fv=1.001f。摩擦系数f见表3

表3 螺旋副材料的摩擦系数

螺杆 淬火钢 钢 螺母 青铜 青铜 f 螺杆 钢 螺母 耐磨铸铁 灰铸铁 f 0.06∽0.08 0.08∽0.10 0.10∽0.12 0.12∽0.15 （5）螺杆的强度校核 螺杆工作时，承受轴向工作载荷和螺纹扭转力矩的共同作用。因

- 8 -

此，螺杆危险截面上是正应力与切应力的复合应力状态。按第四强度理论，其强度条件为

ca4FT1 （6） 233d10.2d1d2Ftan(pv)（N·mm） 222式中：T1 ——螺纹力矩，T1 ——螺杆材料的许用应力（MPa）。查下表2

pv——当量摩擦角（度）

例：已知螺杆与螺母相配合，螺距P为3mm，螺纹中径24.5mm,螺母的高度20mm,螺母螺纹的大径为26.5mm,螺母螺纹的小径为22.5 mm试进行对耐磨性计算、螺纹牙的强度的校核、验算自锁条件、螺杆的强度校核. 设计项目 (1)耐磨性计算 计算及计说明 主要结果 20mm 3查表1-1可知许用压强p为13∽18 Mpa h=1.5mm u=螺纹中径为24.5mm 螺距P为3mm 梯形螺纹的工作高度h=0.5P 螺纹承载圈数uF≤12001.08N F远大于实际所用力 H，螺母高度H为20mm 即螺母设计的尺寸符合P要求 根据公式(1)可知 (2)螺纹牙的强度校螺母上的螺纹大径d为26.5mm 核 梯形螺纹b=0.65P 查表1-2可知40Mpa 、b45~55Mpa 根据公式(3)、(4)可知 (3)验算自锁条件 lnpb=1.95 mm 抗剪时 F≤43269.2N 抗弯时F≤21093.735N F远大于实际所用力 即螺母设计的尺寸符合要求 arctanarctan d2d2pvarctanfv 梯形螺纹fv=1.035f 查f0.12∽0.15 根据公式(5)可知 Ψ=2.2° pv=7.1° Ψ查表1-2可知b45∽55Mpa (4)螺杆的强度校核 螺母螺纹的小径为22.5 mm 根据公式(6)可知 T1d2Ftan(pv) 2T1=2F F≤15306.65372N F远大于实际所用力 即螺母设计的尺寸符合要求 (5)螺旋叶片拉伸机主体管上的导向槽的斜角a

螺旋叶片在拉伸时，由于存在变形，且拉伸时必须使叶片具有一定的螺旋升角，则主题管上的导向槽有斜角a。其斜角a的计算公式

aarctanb 2b2221cos2

t2式中：r——半径，r=

——角度，=

，为下料叶片的缺口夹角 2r2r2l2l——旋长，cos b= 22rs——导程的一半，s=

t 2la——导向槽的斜角，tana=

s例: 螺旋叶片拉伸机主体管上的导向槽的斜角a如图8所示.已知拉伸后的螺旋叶片直径D=150mm螺旋轴直径d =44.5mm螺距t=0.8D, α≈ 32°.试计算出导向槽的斜角a.

- 10 -

图8 螺旋叶片拉伸机 图9 数学空间结构图

根据空间数学几何可知,空间结构如图9所示 设计项目 (1)半径r 角度 (2)旋长l (3)s (4) 导向槽的斜角a 计算及计说明 r=b 2主要结果 r=22.25mm = 2rrl 2r2222=16° l=6.19 mm s=60 mm a=5.9° cos = ts= 2 ltana= s

- 11 -

第三章 螺旋叶片展开计算

3.1螺旋输送机叶片下料的计算

螺旋叶片曲面上两相邻素线在空间不平行,不能组成平面,所以不能自然平整地摊在一个平面上,因此螺旋叶片曲面属于不可展平面。不可展平面只能近似地展开,并且只能按每一导程进行展开,然后组合焊成整体。近似展开螺旋叶片的下料有图解法和计算法两种,图解法繁杂,准确性差,本文将采用三角行计算法。

此法是把螺旋线看成一个直角三角形。如图 11(a)缠绕圆柱，直径为d两条直角边分别等于螺距t 和圆柱正截面的圆周长πd或πD则其斜边形成一螺距等于已知螺距 t 的螺旋线 l 或L如图 11（b）。即:

再根据弧长等于半

径乘以夹角的公式,就可分别推导出螺旋叶片下料圆坯的各个尺寸,即： 叶片的宽度： b=（D-d）/2

2Lb Ll2lb下料叶片的内圆直径： d1=

Ll下料叶片的外圆直径： D1=

下料叶片的缺口夹角： α =360° (πD1-L)/ πD1

πdπD(a)图11 三角形法叶片下料展开图

已知螺旋直径D=150mm螺旋轴直径d =44.5mm螺距t=0.8D叶片厚度式可分别计算出螺旋叶片下料圆坯的各个尺寸为：

=4mm按上面公

D1≈170mmm , d1≈mmm ,α ≈ 32° . 〔4〕 3.2螺旋叶片工艺孔的位置确定及计算

- 12 -

从螺旋叶片拉伸过程截面变形，如图12所示,对于外径为D,内径为d,螺距为S的螺旋叶片展开后,内外径处的螺旋线长度为l和L,

在螺旋曲面上,任一条螺旋线长度为

由式(3)可以看出,在同一螺旋曲面上,从内孔越向外沿伸,螺旋线就越长。一般情况下,由原始钢带轧制成螺旋叶片后,外边缘伸长量也越大,而内孔的边缘被压缩,略有增厚。螺旋曲面由拉伸向压缩转变过渡中,沿坯料宽度方向,在螺旋叶片某直径Dn处必然存在一中性面,在这个位置的拉伸纤维长度,在拉伸前后是不变的,实践证明此中性面(Dn)存在于距螺旋叶片内径由内至外边缘的1⁄5处。

由于螺旋叶片具有两工艺连接孔Ф8，工艺孔应在受力变形最小的位置。根据以上分析可知：孔应在中性层。

拉伸螺旋叶片展开尺寸计算时,中性层直径di 在靠内径 (板宽) 处, 即: di = d + b0/ 5 所得尺寸di = d1∕2 + b/ 5=42.55mm 。〔6〕

- 13 -

结束语

通过对螺旋叶片的受力变形分析，再对通常叶片的加工方法的比较，我们根据已有的立式螺旋叶片拉伸机对它进行进行结构的设计与改进。我们从工作效率、经济性、实用性等方面考虑，采取冷拉成形法的工作原理。设计改进后的螺旋叶片拉伸机具有体积小、操作方便、结构简单、适用性强、寿命长的特点。该机克服了旧工艺加工叶片工序繁杂、产品粗糙、不利于焊接、成品率低、浪费能源等问题，有较好的经济效益。由于这种立式螺旋叶片拉伸机每次只能加工一片叶片毛坯，存在工作效率较低的不足，我们提出上述所设计的卧式螺旋叶片拉伸机，使它具有立式螺旋叶片拉伸机的优点同时也克服立式螺旋拉伸机的工作效率低的不足。

同时，我们设计改进后的螺旋叶片拉伸机仍有需改进的地方。如叶片拉伸机拉出的叶片精度不高，适用范围等。

还有我们设计的螺旋叶片拉伸机属于手动冷拉，而现在自动化已成为研究开发的主要方向。我们也可以考虑在经济允许的情况下，考虑降低劳动力，采用自动控制。

此次我们的毕业设计课题是螺旋叶片拉伸机的设计，我们从基本结构的设计到装配成形，并从它的经济性、实用性及工作效率考虑。这些锻炼了我们的设计思维，使我们把理论的东西转化为实际应用中。

除此之外，我们特别感谢指导老师李正峰教授给予我们大量指导与帮助，使我们的毕业设计能顺利完成。

- 14 -

参考文献

〔1〕 张展．机械设计通用手册．机械工业出版社．2008年5月第一版 〔2〕孙升．张道国．螺旋输送机叶片拉伸机的性能与应用．吉林建材．1996年 〔3〕冯广亮．白银山．螺旋叶片的几种成形方法．煤矿机械．2006年9月 〔4〕靳光法．螺旋叶片展开尺寸的几种计算方法．机械工程师．2003年 〔5〕魏晓波．螺旋叶片生产工艺技术的研究．机床与液压．2004年 〔6〕周正亮．Ｇｘ４００螺旋输送机叶片拉伸机的性能与应用．技术广场 〔7〕

〔8〕何为平．陈白生．螺旋叶片拉伸成形的工艺分析及模具设计．洛阳工业高等专科学

校学报。2005年

- 15 -