于磊 宋珺頤 吳林峰 向長春

摘要：黃河因其地質(zhì)和氣候特點，造成中下游河床日益抬高，對其河床泥沙進行開采后清洗回收，可作為制作建筑物的有效材料。因此，設(shè)計了一款輪式洗砂機，該洗沙機主要由電動機、主軸、傳動系統(tǒng)、葉輪、洗沙池、支架等零部件組成，其工作原理是利用電動機將動力由傳動裝置傳遞到主軸，進而帶動葉輪的轉(zhuǎn)動，完成洗沙池中砂石的清洗。該洗沙機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點，為泥沙的綜合利用提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：輪式洗沙機;泥沙回收;砂石清洗

引言：黃河因其上游地質(zhì)和氣候特點，造成下游成為“地上懸河”，河床的日益抬高，給中下游河道兩岸帶來一定的洪澇安全隱患。各級管理部門在河勢和防洪安全不被影響的前提下，通過有計劃的開采河床泥沙，進一步減輕泥沙的淤積。開采后的泥沙經(jīng)過清洗之后，可以作為房屋、橋梁等建筑物材料[1]。在此背景下，本文設(shè)計了一款泥沙清洗專用設(shè)備—輪式洗砂機。

1輪式洗沙機方案設(shè)計

輪式洗沙機主要由電動機、傳動系統(tǒng)、主軸、支架、葉輪、洗沙池等組成。其工作原理是通過電動機提供動力，經(jīng)過傳動系統(tǒng)的減速后，將動力傳遞給主軸，主軸進而帶動葉輪緩慢的做圓周轉(zhuǎn)動，把待清洗的砂石原料倒入下料口，葉輪旋轉(zhuǎn)的同時會使水箱中的石料相互打磨，去除掉砂石表面的雜質(zhì)，同時，加水形成強沖擊力的水流，把比重低的雜質(zhì)清除掉，完成砂石的清洗。清洗干凈的砂石由葉片帶走，通過輸送帶運送至倉庫或打包運輸。

1.1傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動裝置由帶傳動、二級減速器和齒輪傳動構(gòu)成，帶傳動將電動機產(chǎn)生的動力傳遞給二級減速器，經(jīng)齒輪傳動減速后傳遞到主軸，進而帶動葉輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)整體運動。

帶傳動采用普通V帶傳動，帶輪材料選用HT200，采用鑄造加工，帶輪通過鍵與電動機輸入軸和減速器的輸入軸相連;已知電動機的功率是15kW，轉(zhuǎn)速是730r/min，電動機每天工作12h，工況系數(shù)取1.3，根據(jù)已知的電動機參數(shù)，對輪式洗砂機的帶傳動裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]，電機計算功率為：

Pc=KAP。

式中：Pc為計算功率（kW）;P為傳遞的額定功率（kW）;KA為工作情況系數(shù)。

綜合考慮洗砂機的載荷性質(zhì)和每天運轉(zhuǎn)的時間等因素，KA=1.3，P=15KW，則Pc=19.5kW

根據(jù)計算功率Pc =19.5kW和小帶輪轉(zhuǎn)速n=730r/min，選擇帶的型號為C型，小帶輪基準直徑

為dd1=200mm，傳動比i=3，則大帶輪直徑dd2=600mm取標準值有dd2=560mm，則中心距a0=1200mm，帶的基準長度Ld=3550mm，帶輪α1≥120°，傳動帶的根數(shù)Z=6。

減速器采用二級減速器，型號為ZQ650-50-I-Z;設(shè)計的輪式洗砂機齒輪傳動裝置部分是開式齒輪傳動，大小齒輪材料選用42CrMo，采用鍛造加工并進行正火和淬火處理，齒輪通過鍵分別與減速器的輸出端和主軸連接，根據(jù)減速器的型號可得出齒輪的傳動比為3.12。

1.2葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉輪是輪式洗砂機的重要部件，葉輪的旋轉(zhuǎn)使砂子在清洗槽中相互研磨，進而去除砂子表面的雜質(zhì)[3-4]，葉輪為焊接件，由葉輪板，旋轉(zhuǎn)支架，篩網(wǎng)，管子等焊接安裝而成，中間的管子和支撐板是焊接在一起的，篩網(wǎng)是通過螺絲螺母固定在葉輪板上面，旋轉(zhuǎn)支架包括沿轉(zhuǎn)軸周向固定設(shè)置的多個支臂和設(shè)置在支臂上的環(huán)形幅板，支臂對稱設(shè)置在轉(zhuǎn)軸兩端，幅板分別固定安裝在兩側(cè)各支臂上。

1.3洗沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計

洗砂池用來盛裝所需清洗的泥沙，放料的同時加水，由葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動砂石物料之間相互研磨，以去除掉砂石表面的雜質(zhì)，留在水箱里的雜志，后通過放水口排出，進行下一步加工，而清洗干凈的砂石物料會從旋轉(zhuǎn)的葉輪倒出出料槽，完成洗砂工作，由底面和側(cè)面的板子以及安裝軸承的架子焊接而成。

2主軸的強度校核

主軸是輪式洗砂機最主要的構(gòu)件，電動機和傳動系統(tǒng)傳遞的動力通過主軸施加到葉輪上，從而完成砂石的清洗，因此，需要對其進行靜應力分析。本文采用solidworks三維建模軟件對其數(shù)字化建模，ANSYS有限元分析軟件對其進行應力分析。

分析結(jié)果可以得出整根軸的等效應力在大部分區(qū)域內(nèi)都比較小，最大應力位于軸與葉輪連接面上，為27.73×106MPa;最小應力位于套在大齒輪的端面，為97160Pa，可以得出，整根軸的應力分布均勻，滿足設(shè)計要求。等效彈性應變是表征模型變形過程中塑性應變累積值，分析結(jié)果得出最大和最小彈性應變與最大和最小等效應力分布類似，說明了軸上等效應力的集中會在同位置處產(chǎn)生較大的彈性應變，因此，軸的等效彈性應變在大部分區(qū)域同樣比較小，滿足設(shè)計要求。

3結(jié)語

本文針對黃河中下游開采的泥沙設(shè)計了一種輪式洗砂機，該輪式洗砂機通過開式齒輪傳動，結(jié)構(gòu)簡單可靠，操作方便。泥沙開采有效治理黃河河床泥沙淤積造成的河床逐漸抬高難題，同時也為社會建造相關(guān)建筑物提供了一定的資源，符合國家和社會節(jié)能、環(huán)保發(fā)展方向，采沙、用沙技術(shù)值得進一步推廣。

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[1]吳林峰，耿明全，許金山.水射流無損插樁極具的研制級試驗應用[J].人民黃河，2014，36（6）：4-5+25.

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[3]一種新型葉輪洗砂機.甘肅省，靈臺縣新建鑫建材廠，2019-08-27.

[4]孟兆明，代博興.V帶傳動最佳設(shè)計的方法與步驟[J].橡塑技術(shù)與裝備，2016，42（23）：67-71.

[5]翟直上.自動渦洗式洗砂機的研究[D].華中科技大學，2016.

作者簡介：于磊：1974年11月，女，漢族，河南鄭州，工程師，主要從事：水利水電機械設(shè)備制造安裝、咨詢管理及技術(shù)工作。