一種臥床墊料車(chē)物料輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黨憲斌，楊勝超，陳文斐

一種臥床墊料車(chē)物料輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黨憲斌，楊勝超，陳文斐

（陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

隨著奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，需要一種裝載量大、墊料高效的大型墊料車(chē)來(lái)滿足牧場(chǎng)臥床墊料需求。當(dāng)前國(guó)內(nèi)奶牛場(chǎng)臥床墊料主要是采用裝載機(jī)或者小型墊料車(chē)方式，效率較低，成本較高。文章是基于卡車(chē)箱體結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)一種液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，鏈輪、鏈條傳動(dòng)的雙攪龍墊料輸送機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，墊料效率得到極大提高，同時(shí)攪龍上端減壓帽設(shè)計(jì)，有效降低攪龍輸送扭矩，減小發(fā)動(dòng)機(jī)使用功率、降低墊料成本。

墊料車(chē)；輸送機(jī)構(gòu)；攪龍；摩擦阻力

前言

研究表明，定期給奶牛臥床鋪墊干燥的細(xì)沙、鋸末等，并且墊料由外向里呈6°坡型，可增加奶牛躺臥舒適性，有助于奶牛產(chǎn)奶量的提高[1]。國(guó)內(nèi)奶牛臥床墊料方式主要有裝載機(jī)加人工填平、小型三輪車(chē)輸送帶式、中卡攪龍式、拖拉機(jī)牽引攪龍式等，這些墊料方式一般單次裝料量小于8m3，單位時(shí)間拋料量小于1m3/min，墊料效率較低。

另外，中、大型牧場(chǎng)的牛場(chǎng)過(guò)道長(zhǎng)度一般大于400m，小型墊料車(chē)需要多次裝料，往返途中浪費(fèi)較多能源和時(shí)間，更加降低了工作效率，提高了成本。

圖1 中大型牧場(chǎng)牛舍

1 臥床墊料車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本款臥床墊料車(chē)主要由底盤(pán)和上裝組成，墊料為干燥細(xì)沙，為了提高作業(yè)效率，需增加單次作業(yè)的裝載量，采用重型卡車(chē)底盤(pán)。上裝箱體采用如3所示的倒梯形結(jié)構(gòu)，主要包括箱體總成輸送機(jī)構(gòu)及側(cè)面拋撒機(jī)構(gòu)。

圖2 臥床尺寸

輸送機(jī)構(gòu)主要通過(guò)底盤(pán)的分動(dòng)箱取力，帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生高壓油，通過(guò)液壓馬達(dá)、減速機(jī)及鏈輪組帶動(dòng)水平布置在箱體底部的雙攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，攪龍前端設(shè)計(jì)有撥料葉片，將物料輸送至拋料口。拋料口處有液壓馬達(dá)帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)葉片，將物料拋送至指定區(qū)域。

圖3 臥床墊料車(chē)整車(chē)布置圖

以400m長(zhǎng)中型牧場(chǎng)牛舍為例，假設(shè)臥床墊料寬度1.4m，墊料厚度2.5cm，單次完成臥床墊料至少需要14m3的墊料，考慮到墊料利用效率，裝載容量設(shè)計(jì)為15m3。按照墊料量1m3/min計(jì)算，單趟完成臥床墊料工作僅需15分鐘。

2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，輸送機(jī)構(gòu)的兩根攪龍平行布置于箱體底部，同步、同向轉(zhuǎn)動(dòng)。攪龍上端有減壓帽，防止攪龍正上方沙子直接壓在攪龍上，減少攪龍工作時(shí)的扭矩。輸送機(jī)構(gòu)主要功能是將箱體內(nèi)沙料輸送至箱體左側(cè)拋撒機(jī)構(gòu)入口處，輸送狀態(tài)要求連續(xù)、均勻，輸送過(guò)程包括整體縱向推進(jìn)和端頭側(cè)向撥送，保證箱體內(nèi)各處沙料按設(shè)計(jì)軌跡定量、準(zhǔn)確的送入拋撒機(jī)構(gòu)。

圖4 攪龍箱體內(nèi)布置方式

根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輸送方式采用雙排LS型螺旋輸送機(jī)，整套機(jī)構(gòu)主要由螺旋輸送機(jī)、鏈輪、減速機(jī)和液壓馬達(dá)組成。液壓馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力，減速機(jī)與上端小鏈輪相連接，下端兩個(gè)大鏈輪與攪龍相連接。通過(guò)減速機(jī)、鏈輪組實(shí)現(xiàn)攪龍轉(zhuǎn)速及扭矩的調(diào)整。下圖5為輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式示意圖，圖6為鏈輪布置方式。

圖5 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖6 鏈輪布置

2.1 螺旋輸送機(jī)計(jì)算、選型

按照整車(chē)性能參數(shù)要求及攪龍安裝方式，輸送機(jī)構(gòu)的物料輸送量要大于1m3/min，即單個(gè)攪龍物料輸送量Iv=30 m3/h，才能保證拋沙量要求。擬采用雙排LS型螺旋輸送機(jī)輸送沙料，輸送傾角β=0°，輸送機(jī)長(zhǎng)度L=5.5m，物料溫度t≤50℃。

結(jié)合《JB/T 7679—2008螺旋輸送機(jī)》和《連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，參考《LS型螺旋輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)表》及Iv=30 m3/h，考慮箱體攪龍安裝空間，輸送攪龍的葉片直徑應(yīng)小于550mm,初步選取LS500型螺旋輸送機(jī)。查閱《LS型螺旋輸送機(jī)規(guī)格系列》，獲知螺旋直徑D=500mm，螺距S=400mm，最大推薦主軸轉(zhuǎn)速n=63r/min。

2.1.1螺旋輸送機(jī)輸送量的校核

輸送機(jī)的輸送量主要受主軸轉(zhuǎn)速、螺旋直徑及物料填充系數(shù)的影響，對(duì)上述參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、校核如下：

（1）LS型螺旋輸送機(jī)的螺旋直徑計(jì)算、校核

螺旋輸送機(jī)的直徑D，取決于其輸送物料的輸送量和物料粒度的大小，可按下式計(jì)算：

式中：D——螺旋直徑（m）；K——物料特性系數(shù)，I——質(zhì)量輸送量（t/h）；——物料在輸送槽體中的填充系數(shù)；——物料的堆積密度（t/m3）；C——螺旋輸送機(jī)傾角系數(shù)。

即計(jì)算值0.364m< D（0.5m）；

如輸送的物料粒度較大，還需對(duì)螺旋直徑進(jìn)行校核，由于該輸送物料為細(xì)沙，顆粒很小，無(wú)需再對(duì)螺旋直徑進(jìn)行再校核。綜上，此螺旋直徑D=500mm，滿足實(shí)際輸送量要求。

（2）LS型螺旋輸送機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算、校核

根據(jù)《JB/T 7679—2008螺旋輸送機(jī)》 ：

式中：I—質(zhì)量輸送量（t/h）；—物料的堆積密度（t/ m3）；—物料在輸送槽體中的填充系數(shù)；D—螺旋直徑（m）；S——螺距；n—螺旋主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

就近圓整為主軸轉(zhuǎn)速系列值中的n=20 r/min <36r/ min>，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上計(jì)算均是基于沙料填充狀態(tài)=0.33，對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行選型、校核。本次設(shè)計(jì)的臥床墊料車(chē)是將LS型螺旋輸送機(jī)全部埋入沙料之下，全埋時(shí)取1。在保證輸送量不變，選取的螺旋輸送機(jī)型不變的情況下，根據(jù)式（1）、（2）可知，螺旋輸送機(jī)直徑、主軸轉(zhuǎn)速都標(biāo)準(zhǔn)要求。

在保證輸送量不變，螺旋輸送機(jī)直徑D不變并且取1時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為n=20×0.33=6.6 r/min，就近圓整為主軸轉(zhuǎn)速系列值中的n=8 r/min。

2.1.2 LS螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算、校核

撥料葉片所需扭矩相對(duì)于攪龍不大，在計(jì)算中不予考慮。主要對(duì)攪龍輸送功率進(jìn)行計(jì)算。LS螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，由物料運(yùn)行時(shí)所需的功率P、空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的功率P和傾斜輸送物料的功率P組成。

本車(chē)的輸送機(jī)為水平輸送，可知P=0。根據(jù)《JB/T 7679—2008螺旋輸送機(jī)》[2]中螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算公式：

本次設(shè)計(jì)的LS型螺旋輸送機(jī)全部埋入沙料之下且有一定深度，輸送驅(qū)動(dòng)力主要是克服物料運(yùn)動(dòng)摩擦阻力f，而f與物料壓力成正比，由于沙料流動(dòng)性好，其內(nèi)部壓力狀態(tài)類(lèi)似于靜水壓力，假設(shè)其壓力與深度成正比，則f與埋入沙料深度成正比。將螺旋輸送機(jī)所受壓力等效在其質(zhì)心位置，有螺旋輸送機(jī)剛好埋入沙料時(shí)壓力集中高度為h1=500mm/ 2=250mm，現(xiàn)埋入深度為1700mm，h2=1700mm/2=850mm。綜上，埋入沙料1700mm時(shí)，f2：f1=h2：h1=850/250=3.4，摩擦阻力是一般狀態(tài)的3.4倍。

LS螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的總效率，一般取η=0.8～0.9。此處選取0.9，則兩臺(tái)螺旋輸送機(jī)所需的實(shí)際總功率為21.8kw。

2.2 輸送機(jī)構(gòu)所需功率、扭矩計(jì)算

已知輸送機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳輸過(guò)程即：液壓馬達(dá)——減速機(jī)——鏈輪——輸送機(jī)，鏈輪是液壓馬達(dá)與螺旋輸送機(jī)之間的傳動(dòng)，作用是調(diào)整傳動(dòng)扭矩和速比。鏈輪輸出功率即為螺旋輸送機(jī)輸入功率，即：

機(jī)械傳動(dòng)效率：P輪入=P輪出/η，其中傳動(dòng)效率η為0.8～0.9，此處為提高安全系數(shù)，取η=0.8，代入上式：

由公式：P = T×ω，功率P一定，則扭矩T與角速度ω成反比。則當(dāng)LS型螺旋輸送機(jī)全部埋入沙料之下時(shí)主軸轉(zhuǎn)速最低為n=8r/min，此時(shí)大鏈輪所需扭矩最大，則：

依據(jù)上裝結(jié)構(gòu)空間及所需轉(zhuǎn)速及扭矩要求，大鏈輪設(shè)計(jì)輸出鏈輪齒數(shù)z為25，分度圓直徑為405.32mm，齒頂圓直徑為432.6mm，齒根圓直徑為376.74mm，為矩形內(nèi)花鍵（花鍵型號(hào)10×82H7×92H10×12H11）連接，所配鏈條型號(hào)為32A；小鏈輪設(shè)計(jì)輸入鏈輪齒數(shù)z為11，分度圓直徑為180.31mm，齒頂圓直徑為203.49mm，齒根圓直徑為151.73，為平鍵（平鍵型號(hào)22×14×120）連接；所配鏈條型號(hào)為32A。

綜合以上計(jì)算知，鏈輪前端需要減速機(jī)提供的輸出功率為21.8kw，提供的輸出扭矩為11449（N·m）。

2.3 輸送機(jī)構(gòu)安裝連接件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

2.3.1輸送機(jī)中心軸設(shè)計(jì)、計(jì)算

設(shè)計(jì)輸送機(jī)中心軸預(yù)采用空心軸，材料采用45鋼。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]，軸管直徑估算：

式中：d管——軸管直徑（mm）；T——軸所傳遞的扭矩（N·m）；tp—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（Mpa）；A—系數(shù)；α—空心軸的內(nèi)徑與外徑之比；代入以上計(jì)算參數(shù)計(jì)算：

為了提高安全系數(shù)，將軸管直軸徑數(shù)值再取1.1倍數(shù)，圓整得 d=220mm，壁厚22mm。對(duì)軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核，同上取許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[]=35 Mpa，其最大切應(yīng)力為：

軸管滿足強(qiáng)度條件。

端頭軸直徑估算：

對(duì)此軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核，同上取許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[] =35 Mpa，其最大切應(yīng)力為：

端頭軸滿足強(qiáng)度條件，其它連接件如花鍵、軸承等參考相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選型計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，滿載15m3的沙料，在13分鐘完成了拋灑，平均拋沙量達(dá)1.15m3/min，大于設(shè)計(jì)值。通過(guò)查看液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、排量及液壓馬達(dá)入口處液壓油工作壓力，計(jì)算出液壓馬達(dá)的輸入功率P=△Pq=21.6KW，小于鏈輪前端需要減速機(jī)提供的輸出功率為21.8kw，主要是因?yàn)閴|料初期沙子自流，會(huì)使攪龍的工作扭矩有所降低。

4 結(jié)論

本文基于臥床墊料車(chē)，設(shè)計(jì)了一種箱體底部平行布置雙攪龍輸送機(jī)構(gòu)，在攪龍工作扭矩計(jì)算時(shí)，根據(jù)沙子流動(dòng)性較好特點(diǎn)，利用靜水壓原理，假設(shè)攪龍物料運(yùn)動(dòng)摩擦阻力f與物料高度成正比，計(jì)算出攪龍的工作扭矩及功率。通過(guò)后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了假設(shè)的正確性，本文的分析方法及結(jié)論可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 羅陽(yáng).兩種臥床墊料對(duì)奶牛趴臥行為及健康狀況的影響.[J]中國(guó)奶牛,2018(3):14-17.

[2] 王鷹.連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

[3] 成大仙.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)初版,2007.

Design of Conveying Mechanism with Material Transfer for Vehicle of bed projectile

Dang Xianbin, Yang Shengchao, Chen Wenfei

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., LTD., Shaanxi Xi’an 710200 )

With the developing of cow farm,a kind of large loading and high efficiency large-scale Vehicle of bed projectile is needed. At present, the main form of bed projectile are loader or small-scale cushioning Vehicle,which is low efficiency and high in cost.This paper is based on the package of truck, design a transporting mechanism which driving depend on hydraulic motor and chain wheel, the result shows the efficiency of material transporting is greatly improved. Meanwhile the design of lower pressure-relief cap on the upper,can not only reduce the torque of material transporting, but also the engine power and the cost.

Vehicle of bed projectile;Mechanism with Material transporting;Screw Converyor; Friction drag

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

U469.79

A

1671-7988(2019)18-67-04

黨憲斌，男，工程師，就職于陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，現(xiàn)從事技術(shù)管理、產(chǎn)品研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.023