螺旋桨式搅拌机

在非金属矿产加工生产中，也常用螺旋桨式搅拌机来搅拌泥浆，使泥浆中各组分混合均匀，固体颗粒不致沉淀，产生较好的悬浮状态。此外，也用于在水中松解泥料以制备均质泥浆。螺旋桨式搅拌机结构简单，使用方便，故在非金属矿产加工中得到广泛的应用。

一、构造和工作原理

螺旋桨式搅拌机的构造如图4-8所示。它主要由垂直安置的主轴3和三叶螺旋桨1以及贮浆池2组成。主轴由电动机4经减速器5带动旋转。电动机和减速器安装在架于钢筋混凝土制的贮浆池的横梁7上，螺旋桨用键和螺母固定于主轴末端。

当螺旋桨在液态泥浆中转动时，迫使泥浆产生激烈的运动，其中除了有切向和径向运动外，还有速度较大的轴向运动，这种轴向运动能促使泥浆强烈对流循环，因而泥浆可得到有效的混合和搅拌。

图4-8　螺旋桨式搅拌机

1-螺旋桨；2-贮浆池；3-立轴；4-电动机；5-减速器；6-机座；7-横梁

二、螺旋桨

螺旋桨是螺旋搅拌机的运动工作件。常用三片桨片，单层旋桨。

螺旋桨由叶片和轴套组成，其叶片沿圆周等分排列，其结构如图4-9所示。

桨叶与轴套通常是铸成整体的，桨叶的前面是工作面（又称压力面），为斜螺旋面的一部分；桨叶的后面是非工作面，其与轴线为中心的圆柱面的相交线一般是二次抛物线形状。零件图中除了必要的投影视图外，为了反映叶片复杂的剖面图，称叶片型线图。有关桨片设计可参见有关资料介绍。

螺旋桨紧固于立轴上，除用平键联接外，在轴端还用铜质盖形螺母上紧。具有右旋螺纹的盖形螺母随立轴和螺旋桨一同在料浆中旋转。为了使料浆作用于螺母上阻力矩与螺母拧紧方向相同，以防螺母自行松脱，立轴应作顺时方向（从立轴顶端朝下观察的转向）旋转，那么螺旋桨要把料浆推向下方，桨叶螺旋面的旋向应当是左旋。

图4-9　螺旋桨结构投影图

三、搅拌池

大型搅拌池多为薄地式混凝土筑制，小型的可用板材制成。对大型浆池，为减少料浆随螺旋桨整体旋转，提高桨叶与料浆间的相对运动速度而有较好的搅拌效果，一般浆池的横截面为正多边形（多用八边形），浆池的直径对横截面为正多边形的搅拌池来说，是指正多边形的内切圆直径。

搅拌池的直径要合理选择，直径过大，搅拌不容易均匀，局部地区会搅拌不到而成为死角；直径过小，则搅拌池容积太小，不能充分发挥搅拌机的作用，经济上不合理，通常搅拌池的直径可按下式选择：

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式中　D——搅拌池直径；

d——螺旋桨直径。

搅拌池的容积计算如下：

按搅拌比V_p/V₀＝10～13，计算池中料浆的体积V₀，则搅拌池的容积

。

式中　V_p——搅拌池的容积；

K——搅拌池的有效利用系数，可取K＝0.85。

由已知的搅拌池容积和直径，可计算搅拌池的深度，或者更为简单而实用的是用下面的经验公式确定搅拌池的深度。

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式中　H——搅拌池的深度；

D——搅拌池的直径。

由于螺旋桨式搅拌机搅拌时料浆的运动特性，在螺旋桨的下方，流线比较集中，而在搅拌池底部附近的四周，料浆的流速很小，往往成为搅拌不到的死角。为了避免这种情况的发生，搅拌池底部通常做成棱锥形的表面。底面直径为搅拌池直径的1/2，半锥角为45°，如图4-10所示。

确定搅拌池的深度时，还要结合搅拌轴伸长度一并考虑，不要使搅拌机主轴悬臂太长，以免扭断或由于螺旋桨受力不平衡时，造成侧向弯曲，失去稳定性，并使轴承容易损坏。

图4-10　搅拌池结构图

1-瓷砖；2-地脚螺拴预留孔；3-人孔

四、立轴

立轴的材料通常采用45号钢，为了防止铁质对料浆的污染，轴伸入料浆的那一段应当采取防腐蚀措施。

1.轴的强度计算

工作时，主轴承受扭转和弯曲的组合作用，但是，为了简化计算，工程中往往假定立轴仅仅承受扭矩的作用，然后用增加安全系数，即降低材料的许用应力来弥补由于忽略弯曲作用所造成的误差。

对于实心轴，轴的直径

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式中　d_s——轴的直径（xm）；

N——轴传递的功率（kW）；

n——轴的转速（r/min）；

A——与轴的材料和载荷性质有关的系数，一般可按表4-6查取。

表4-6　轴实用材料的许用应力［T］及A值

表4-7　选取τ_k＝310kgf/cm²时各轴的直径、转速、功率关系表

注：在粗线以上范围的建议选用表4-9更为合适。若τ_k＝310kgf/cm²时，需根据换算系数计算后取两表的较大值。

以45号钢为基础，取τ＝310kgf/cm²（即A＝10.51）时，各轴的直径、转速、功率间的关系见表4-7。

对于空心轴，轴的直径

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式中　D_s——空心轴的外径（cm）；

α——轴的内径与外径之比；

其余符号的意义和单位同前。

2.轴的刚度计算

为了防止转轴产生过大的扭转变形，以免在运转中引起震动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算。

对于实心轴，轴的直径

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式中　d——轴的直径（cm）；

N——轴传递的功率（kW）；

n——轴的转速（r/min）；

B——与扭转变形的扭转角有关的系数。对于剪切弹性模数G₀＝8.1×10⁵kgf/㎝²，钢的B值见表4-8。

表4-8　B系数（G₀＝8.1×10⁵kgf/cm²时）

为了使用方便以G₀＝8.1×10⁵kgf/cm²、φ＝1/2°为条件，根据

公式，把各种不同的转速、传递功率、直径的关系列于表4-9。

对于空心轴，表4-7或4-9要结合4-10进行选取。

必须指出，在选取轴径时应同时满足刚度和强度计算两个条件。一般按刚度条件计算的轴径较之强度条件计算者为大，所以通常对搅拌轴来说，主要以刚度条件确定轴径。如果刚度条件计算的结果较之强度条件计算结果相差较大时，可考虑改变轴的材质，即选用强度较差的材料。但仍然要满足强度条件要求。当转速较低功率又较大时，对强度条件是不可忽视的。

确定轴的直径时，还必须考虑轴上开有键槽或孔会引起轴的局部削弱，直径因而应适当增大，按照一般经验，轴上开有一个键槽或浅孔时，直径应增大4%～5%。如果在同一横截面位置开有两个键槽或浅孔，则直径应增大7%～10%。此外，轴的直径还应增加2～4mm作为腐蚀富裕度。

表4-9　选取φ＝1/2°，G₀＝810×10⁵kgf/cm²时轴的直径、转速、功率关系表

注：在粗线以下范围，建议选用表4-7更为合适。若φ≠1/2°时，需根据换算系数计算后取两表的较大值。

表4-10　空心轴换算值b₀

注：空心轴查表时，须将实际传动功率除以b₀得N_换，再查表4-7或4-9。

立轴是悬伸到搅拌池中进行搅拌操作的，支承条件较差，常常由于侧向外力的作用而造成弯曲，弯曲的结果使离心力增大，从而又进一步增加弯曲的程度，最后使轴和轴承完全破坏。为了防止这种情况发生，在设计中应尽可能增大立轴轴承之间的距离和缩短悬臂的长度，并应对螺旋桨的静平衡精度提出一定的要求。

在一般情况下，立轴轴承之间的距离B和悬臂长度L可用下面的公式验算。

L/B≠4～5　（4-11）

L/d_s≤40～50　（4-12）

立轴的不直度允许差一般取为0.1/1000。

螺旋搅拌机结构简单，操作容易，搅拌作用强烈，效果较好；但磨损较快。使用时要注意不要让搅拌机空转，即搅拌池中没有料浆时不要开动搅拌机。

图4-11　搅拌轴的支承

五、主要参数的确定

1.转速n

螺旋桨的转速太低时，操作强度下降，搅拌效果不好；转速太高时，功率消耗和作用在桨叶上的力都急剧增大。桨叶不能做得过分笨重。根据实际使用的数据，螺旋桨的转速

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式中　n——螺旋桨的转速（r/min）；

d——螺旋桨的直径（m）。

实际上用上式计算的螺旋桨转速往往是偏高的，且供设计和使用时参考。选定螺旋桨转速时，应根据使用要求确定，例如用于松解泥料以制备均质泥浆时，需要有比较强烈的冲刷和碰击作用，应当采用较高的转速；如用于搅拌泥浆使之保持均匀，则可使用较低的转速。

2.功率N

搅拌桨所消耗功率，主要是克服桨叶在运动过程中所遇到流体阻力，因此，所需功率不但和搅拌机的结构尺寸等有关，还和料浆性质、桨叶转速和安装位置等有关，搅拌过程是一个复杂的操作，从理论上可推得：

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式中　ρ——浆料密度（kg/m³）；

n——桨叶转速（r/min）；

d——桨叶直径（m）；

ζ——功率系数，由实际测定得出。

对于三叶单层螺旋桨搅拌机，可用下式估算：

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式中　ρ——浆料密度（kg/m³）；

n、d——同上。

上述计算功率只考虑搅拌机本身克服料浆阻力的因素，没有包括机械运转部分和传动装置等功率消耗。因此，确定电动机功率时，还必须考虑搅拌机和传动装置的机械效率，同时还应乘上功率储备系数，功率储备系数可取1.5左右。

表4-11列出了螺旋桨式搅拌机的规格和主要技术性能。

表4-11　螺桨搅拌机的规格和主要技术性能