（机械工程专业论文）12m3混凝土运输车的设计与恒速特性仿真.pdf

摘要 本文分析了国内外水泥混凝土搅拌输送车的发展现状、前沿技术和发展趋 势，并对混凝土搅拌输送车的分类、输送方式、技术要求以及结构和组成原理 进行了综合性的论述。在此基础上，对1 2 m 3 混凝土搅拌车进行了设计与开发， 并对产品开发中的关键技术进行了研究。论文主要工作如下： 1 完成了1 2 m 3 混凝土搅拌车的总体方案设计和工作液压系统设计与分析。 2 研究和分析混凝土搅拌运输车搅拌筒的转速和混凝土匀质性的关系，指 出恒速运输对保持和提高混凝土匀质性的重要意义。 3 利用仿真软件a m e s i m 对1 2 m 3 水泥混凝土搅拌车上车液压驱动系统进 行了仿真。仿真结果表明，整个进料过程系统运转比较平稳，而在工况变化时， 系统液压冲击较大。因此，减速机在满足稳定工况作业的同时应留有一定的扭 矩裕度以抵抗换向时的扭矩冲击。 4 建立了恒速控制系统的数学模型，进行了液压恒速控制系统的仿真，通 过仿真了解运输过程中搅拌筒动态特性的变化规律。 5 进行了搅拌运输车运输混凝土时，系统压力以及混凝土性质的试验，结 果表明本文所设计的系统恒速特性对混凝土强度和提高运输性能效果良好。 关键词：混凝土搅拌车；液压系统；搅拌简；恒速控制；仿真 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh i s t o r y , t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e c o n c r e t em i x i n gt r u c ka r er e s e a r c h e db o t hi n s i d ea n do u t s i d eo u rc o u n t r y , a n dt h e c l a s s i f i c a t i o n ，t h et r a n s p o r t a t i o nt y p e ，t h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t ，t h es 仃u c t u r ea n d t h ef o r mp r i n c i p l eo fc o n c r e t em i x i n gt r u c ka r ec o m p r e h e n s i v e l yd i s c u s s e d 。b a s e d o nw h i c h , t h e1 2 m 3c o n c r e t em i x i n gt r a c ki sd e v e l o p e d ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa l e s t u d i e d t h em a i nw o r k i n go ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t h ea s s e m b l yp r o j e c to ft h e12 m 3c o n c r e t em i x i n gt r u c ki se s t a b l i s h e d , a n di t s h y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e d 2 t h er e l a t i o nb e t w e e nr o t a t i o ns p e e do ft h em i x i n gd r u ma n dh o m o g e n e o u sq u a l i t y o fc o n c r e t ei sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o n c l u d e dt h a tt h ec o n s t a n ts p e e dc o n t r o li sv e r y i m p o r t a n tt oh o m o g e n e o u sq u a l i t yo fc o n c r e t e 3 b a s e do nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i m ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f12 m 3 c o n c r e t em i x i n gt r u c ki ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec e m e n t c o n c r e t em i x i n gt r u c ko p e r a t e ss t e a d i l yi nt h ef e e d i np r o c e s s ，b u tt h ei m p u l s i o n a p p e a r sw h e nt h ew o r km o d e i sc h a n g e d 4 t h em o d e lo fc o n s t a n tv e l o c i 够c o n t r o li sb u i l t ，a n dt h es i m u l a t i o nf o rc o n s t a n t v e l o c i t yc o n t r o li si m p l e m e n t e d ，a n df r o mw h i c h t h ev a r y i n gr u l eo fr o t a t i o no ft h e m i x i n gd r u mi sd i s c o v e r e d 5 as e r i e so ft e s ti nt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o na r ec a r r i e do u t ，t h er e s u l t sv e r i f i e d e x t r a o r d i n a r ya d v a n t a g e so ft h ec o n s t a n tr o t a t i o ns p e e d k e y w o r d s ：c o n c r e t em i x i n gt r u c k ，h y d r a u l i cs y s t e m ，m i x i n gd r u m ，c o n s t a n ts p e e d c o n t r o l ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨连盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹄仇长签字日期： 学位论文版权使用授权书 。7 年和；- 日 ， 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韶百答 签字日期： 6 7 年v 月5 d 日 i 新虢髟稿 签字日期：z 刃班伊月罗。日 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土搅拌运输车 在建筑施工中，为了把混凝土从制备地点及时送到施上现场进行浇灌，必须 使用运输机械。传统方法为在工地附近自制混凝土，然后用翻斗车或自卸车进行 输送。自从商品混凝土问世以后，出现了一种新的方式，即许多施工工地所需要 的混凝土，都由专业化的混凝土或大型混凝土搅拌站集中生产供应。然而，有些 工地与搅拌站之问的距离很远，把混凝土从搅拌站输送到这些工地需要较长的时 间。当混凝土的运输距离( 或运送时间) 超过一定的距离( 或时间) 时，仍然使 用一般的运输机械进行运输，混凝土就有可能在运输途中发生分层离析，甚至初 凝等现象，严重影响混凝土的质量，这是施工过程中所不允许出现的。为适应商 品混凝土的运输，发展了一种混凝土专用运输机械混凝土搅拌运输车 1 4 】( 图 】) 。 图1 1 混凝土搅拌运输车 混凝土搅拌输送车实际上就是在载重汽车或专用运输底盘上，安装着一种独 特的混凝土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，用以在 运送混凝土的同时对其进行搅拌或扰动。因此，混凝土搅拌运输车能在长时问的 运输过程中保证混凝土的质量，满足了各工地对混凝土的要求。 搅拌运输车多作为混凝土工厂或搅拌站的配套运输机械，通过搅拌运输车将 混凝土工厂、搅拌站与许多施工工地联系起来。如与混凝土输送泵配合使用，在 施工现场进行“接力 输送，则可以完全不再需要人力的中间周转而将混凝土连 续不断的送到施工浇注点，实现混凝土输送的高效能和全部机械化。这样不但大 大的提高了劳动生产率和施工质量，而且有利于现场的文明施工，这对于城市建 第一章绪论 设、尤其是现场狭窄的施工工地更加显示出它的优越性。随着国民经济的发展， 一些大型建筑工程对现浇混凝土的大量需求，大力发展商品混凝土和搅拌运输车 有明显的社会效益和实用价值。 1 2 搅拌运输车的发展现状 1 2 1 搅拌运输车的工作特点【1 6 】【1 7 】 搅拌运输车实际上就是在载重汽车或专用运载底盘上安装一种独特的混凝 土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可以在运送混凝 土的同时对其进行搅动或搅拌。因此，搅拌运输车在一定程度上能保证输送混凝 土的质量，允许适当延长运距( 或运送时间) 。基于搅拌运输车的上述工作特点， 可以根据对混凝土运距长短、现场施工条件以及对混凝土的配比和质量的要求等 不同情况，采取下列不同的工作方式。 ( 1 ) 预拌混凝土的搅动运输 这种运输方式是搅拌运输车从混凝土工厂装进已经搅拌好的混凝土，在运往 工地的路途中，使搅拌筒作大约1 3r m i n 的低速转动，对载运的混凝土不停地 进行搅动，以防止出现离析等现象，从而使运到工地的混凝土质量得到控制，并 相应增长运距。但这种运输方式其运距( 或运送时间) 不宜过长，应控制在预拌 混凝土开始初凝以前，具体的运距或时间视混凝土配比和道路、气候等条件而定。 ( 2 ) 混凝土拌合料的搅拌运输 这种运输方式又有湿料和干料搅拌运输两种情况【2 3 】【2 4 】。 湿料搅拌运输是指搅拌运输车在配料站按混凝土配比同时装入水泥，砂石骨 料和水等拌合料，然后在运送途中使搅拌筒以8 1 2r m i n 的“搅拌速度”转动， 对混凝土拌合料完成搅拌作业。 干料注水搅拌运输是指在配料站按混凝土配比分别向搅拌筒内加入水泥、砂 石等干料，再向车内水箱加入搅拌用水。在搅拌运输车驶向工地途中的适当时候 向搅拌筒内喷水进行搅拌，也可根据工地的浇灌要求运干料到现场后再注水搅 拌。 混凝土拌合料的搅拌运输，比预拌混凝土的搅动运输能进一步延长对混凝土 的输送距离( 或时间) ，尤其是混凝土干料的注水搅拌运输可以将混凝土送到很 远的地方。另外，这种运输方式又用搅拌运输车代替了混凝土工厂的搅拌工作， 因而可以节约设备投资，相对提高生产率。但是，搅拌运输车的搅拌却难以获得 像混凝土工厂生产的那样和易性好、均匀一致的混凝土。所以，在对混凝土的质 量要求愈来愈严格的现代建筑施工中，对预拌混凝土的搅动运输是搅拌运输车的 第一章绪论 主要工作方式。 从上述几种工作方式看出，搅拌运输车能根据工作条件的需要灵活应用，可 以充分发挥其特点。它不但配合商品混凝土的生产，而且反过来发展了商品混凝 上的生产工艺，把混凝土从工厂的“集中搅拌”又延伸到许多搅拌运输车的所谓 “分散搅拌”，因而扩大了混凝土工厂的服务范围，与一般的运输机械相比，它 有较大的灵活性、适应性，并有较高的生产率，成为现代混凝土施工中的有效运 输工具。 1 2 2 混凝土搅拌运输车的发展现状【1 8 】【1 9 】【2 0 】 混凝土搅拌运输车是随着商品混凝土产生和发展的。1 8 2 4 年英国人发明了混 凝土人造石( 砼) 。随着混凝土需求量的不断扩大，十九世纪4 0 年代美国、 德国、俄国出现了以蒸汽机为动力源的自落式搅拌机，其拌简为多面体形状的木 制结构。2 0 世纪初，圆柱形的铁或钢制搅拌筒才开始普及，1 9 0 3 年德国建造了 世界第一座水泥混凝土预拌工厂，1 9 0 8 年美国生产出第一台内燃机驱动的搅拌 机，随后电动机则成为主要动力源。1 9 1 3 年美国开始生产预拌混凝土，1 9 5 0 年 日本才开始生产预拌混凝土，1 9 5 2 年天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我 国第一台混凝土搅拌机。 随着预拌混凝土工厂的发展，为了保证预拌混凝土的质量，迫切需要解决混 凝土从制备点到浇注现场的运输设备。1 9 2 6 年美国首先成功的研制了搅拌筒水平 放置的2 m 3 混凝土搅拌运输车，从而保证了运往施工地点的混凝土质量。到了2 0 世纪3 0 年代，又生产出1 9 - - 2 6 m 3 的混凝土搅拌运输车，4 0 年代才开始生产拌 筒倾斜安置的输送车，其容量达到4 2 m 3 。4 0 年代中期，采用液压传动的混凝土 搅拌运输车试制成功，由于当时液压件制造成本很高，直到5 0 年代末才开始推 广使用。拌筒的传动形式采用链轮链条，为了克服链条寿命短而且频繁需要润滑 和保养的弊端，8 0 年代开始试制拌简直接驱动结构，使用减速箱通过一种球形轴 承联轴器直接驱动搅拌筒。 我国的混凝土搅拌运输车的产品生产起步较晚，到2 0 世纪6 0 年代我国才开 始引进并生产混凝土搅拌运输车。过去人们普遍使用翻斗车或自卸车输送混凝 土，然而使用这种方法输送的混凝土容易发生分层、离析甚至凝结现象，混凝土 输送的时间短且匀质性差。上海华东建筑机械厂是我国最早研制生产混凝土搅拌 运输车的厂家之一，该厂于8 0 年代初从日本萱场工株式会社引进了m r 4 5 混凝土 搅拌运输车，该车采用三菱f v 4 1 5 底盘，萱场p a v 8 7 液压泵和m a f 2 1 k 马达，公 称搅拌容量6 m 3 。引进后为了配装不同底盘的需要对上装机架进行了改进，前后 台采用独立支撑架，可调的坐落在副车架上，其余各部分如操纵系统、进出料装 置、工具箱、供水系统、挡泥板、油箱、水箱及外观设计一直沿用原设计至今。 第一章绪论 它可按照用户需要配装东风尼桑c w a - 5 4 h m l 等型号的底盘。根据市场对大容量 搅拌车的需求，该厂又开发了利用瑞典v o l v o f m l 2f l 6 型底盘、德国力世乐 a 4 v t g 7 1 、a 4 v t g 9 0 油泵和液压系统，以及z f 公司z f p l m 7 、z f p l m 9 三合一 变速箱的大容量搅拌车。四川建设机械集团股份有限公司引进德国埃尔巴 ( e l b a ) 公司技术生产的j c 6 、j c 8 搅拌运输车，广东韶关新宇建设机械股份有 限公司与日本极东合作开发e a 0 5 6 1 搅拌输送车。辽宁海诺采用日本萱场搅拌车 技术( 为降低整车高度，副车纵梁采用不同截面的矩形管组合而成) 生产混凝土 运输车，操纵系统由复杂的五处可操作式改为拌筒后端左右下部及驾驶室三处可 操纵式，结构简单，生产成本低。重汽集团专用车公司( 原青岛专用汽车制造厂) 引进澳大利亚c e s c o 公司的v u l c a n ( 铁匠) 品牌生产混凝土搅拌车，该产品在 2 0 0 2 年中国工程建设机械及新材料新技术展览会上受到北京及全国用户的深切 关注。内蒙古北方巴里巴工程专用车有限公司与西班牙巴里巴一施维波姆股份有 限公司合作生产4 1 5 1 1 1 3 混凝土搅拌运输车。除上述几家外还有唐山专用汽车制 造有限公司、四川建设机械股份有限公司、陕西建工、湖北建设机械股份有限公 司、中建二局洛阳建筑工程机械厂、吉林市工程机械厂、四川长江建设机械厂、 扬州建筑机械股份有限公司、无锡小天鹅建材机械厂、重庆铁马工业集团有限公 司、山东泰安交通车辆厂、山东梁山通亚汽车制造有限公司、济南匡山汽车改装 厂等主要生产厂家。近几年随着国家对基建项目的大量投入，建筑业快速发展， 混凝土使用量不断增加，混凝土搅拌车市场进一步扩大，生产厂家越来越多，生 产能力也得到了很大的提高，2 0 0 2 年已达到了5 0 0 0 多辆【4 3 棚】。 2 0 0 1 年国家经贸委发布的散装水泥发展“十五”规划中明确指出，2 0 0 3 年大中城市禁止在城区现场搅拌混凝土，其它城市自2 0 0 5 年1 2 月3 1 日起禁止 在城区现场搅拌混凝土，到那时预拌混凝土将从现在的1 亿立方米达到3 亿立方 米。而且随着加入w t o 和北京2 0 0 8 年奥运会的申办成功、西部大开发步伐的加 快，中国的建筑市场商机无限，亦将极大的推动商品混凝土及其设备一站三 车( 混凝土搅拌站、混凝土搅拌运输车、混凝土泵车包括混凝土泵、散装水泥运 输车) 的更大发展。作为混凝土输送的理想设备混凝土搅拌运输车年需求量 在逐年递增。据统计，2 0 0 0 年搅拌运输车全国保有量为8 2 0 5 台，2 0 0 1 年为1 0 1 3 l 台，增长率为2 3 5 ，而2 0 0 2 年产销量为5 0 0 0 辆，增幅达5 0 ，预计2 0 0 3 年产 销量将达到6 0 0 0 辆。北京市是商品混凝土发展较快的城市之一，截止到2 0 0 2 年 底混凝土搅拌车保有量为1 8 0 3 辆，比上年增加5 4 2 辆，由于交通管制，混凝土 搅拌运输车白天不能进市区，只能在晚上1 0 点以后进入，导致车的需求量将进 一步增加。 4 第一章绪论 1 3 课题提出及意义 我国混凝土搅拌运输车的制造已走过了3 0 多年的发展历程。1 9 9 7 年，建设 部发布并实施中华人民共和国建筑工业行业标准j g 厂r 5 0 9 4 1 9 9 7 混凝土搅拌运 输车。2 0 0 0 年，经修订颁布了汽车行业标准q c t 6 6 7 2 0 0 0 混凝土搅拌运输车 技术条件，并于2 0 0 1 年4 月1 日起实施，为运输车制造行业提供了统一的质量 标准和技术条件，要求搅拌运输车从进料到输送卸料完毕，允许的最长时间为 9 0 r a i n ，搅拌筒连续运转不大于3 0 0 转；搅拌车行驶最高车速不得超过5 0 k m h ， 且对混凝土的匀质性也提出了明确要求。 随着我国散装水泥发展“十五”规划发展要求和目标的实施，我国混凝 土机械特别是混凝土搅拌输送车将获得前所未有的发展。进入新世纪后，我国混 凝土搅拌输送车保持了较快发展，市场规模迅速扩大。国家对交通运输等基础设 施的投资建设，将会加大预拌混凝土的需求量，为混凝土搅拌车的发展带来新的 发展机遇。 西部大开发战略的推进，已经并将大大促进广大西部地区的交通运输事业的 发展，并促进中部交通承东启西作用的更好发挥。东北等老工业基地振兴战略的 启动，已经为大连等港口的加快发展带来了前所未有之机遇。随着人民生活水平 提高，小汽车进入家庭步伐加快，汽车行业出现了产销两旺的局面，这为公路事 业发展提供了广阔前景。 铁路、公路、港口以及南水北调、三峡大坝等一批跨世纪工程建设的实施等 等都将使得预拌混凝土的需求量越来越大。加之近几年国内交通、市政的大力发 展，道路桥梁设施状况大为改善，并且还在加大基础设施投资力度，由此一方面 增加了预拌混凝土的需求量，另一方面为混凝土搅拌车运送商品混凝土创造了有 利的交通条件。 纵观国内外搅拌运输车的发展趋势，拌筒的转速控制向精确的电子控制方向 发展。如萨奥公司生产的t m 系列混凝土搅拌运输车驱动系统，该系统通过减速 机上的速度传感器速度值信号与控制器上设定的值进行比较，输出为t m p 泵上 的电比例阀的电流信号，调整液压泵的输出流量达到恒定值。力士乐公司也生产 出带无线遥控的c p m 型混凝土搅拌车电子控制系统。 贯彻技术条件的关键在于搅拌筒的恒速控制，目前国内许多厂家正在试装带 恒速控制装置的液压系统，以满足技术条件和用户的要求。在多年来积累的基础 上，我们提出自行设计1 2 m 3 混凝土搅拌输送车，基于用户需求和市场竞争，本设 计主要目标是和底盘共享动力，简化结构，实现搅拌运输车的电液控制，保证运 送混凝土的匀质性，降低混凝土生产企业的生产成本。 第一章绪论 1 4 本文研究的内容 随着建筑工程对混凝土质量要求的不断提高，为克服拌筒转速在运输途中受 汽车底盘行驶速度快慢的影响，2 0 世纪8 0 年代人们提出了一种拌筒恒速转动的 液压自动控制系统，但由于配套件以及成本的原因，该技术在国内一直进展缓慢。 实践表明：对于任何运输情况( 包括混凝土的性质、实际的运输距离、环境 的温度等等) 都有一种比较理想的搅拌筒转速与之相适应，而且只有在这种恒转 速下，混凝土的匀质性才最好，工作过程中的油耗最低，搅拌筒的磨损也最小， 液压元件寿命最长。因此，在作业过程中，当工作对象的物理性质或具体工况发 生变化时，为了保证混凝土的质量、节约成本和保证工作效率，有必要设计一种 新型混凝土搅拌运输车来解决上述问题。 本文旨在设计一种拌筒转速可以自动控制的混凝土搅拌运输车，主要通过更 合理的拌筒结构和叶片设计以及拌筒的恒速控制来保证混凝土搅拌运输车运送 混凝土的匀质性，提高混凝土的质量，改善混凝土运输车使用的经济性和环保性， 从而提高混凝土搅拌运输的技术水平。 本文的主要研究内容如下： 1 在1 2 m 3 搅拌车专用底盘上，进行混凝土搅拌车的总体方案设计。 2 分析和设计搅拌车的工作液压系统。 3 研究和分析混凝土搅拌运输车搅拌筒的转速和混凝土匀质性的关系，为 搅拌车设计提供依据。 4 利用仿真软件a m e s i m 对1 2 m 3 水泥混凝土搅拌车上车液压驱动系统进行 了仿真。 5 建立恒速控制系统的数学模型，进行液压恒速控制系统的仿真，通过仿 真了解运输过程中搅拌筒动态特性的变化规律。 本文研制开发的电控混凝土搅拌运输车，是在非电控油门的汽车底盘上进行 的，属国内首创，将使电控混凝土搅拌运输车大范围的应用成为可能。 6 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 2 1 搅拌运输车组成及结构【2 7 】【2 8 】 从混凝土搅拌输送车基本结构上来看，都是由相对独立的混凝土搅拌装置和 运载底盘两大部分组成【3 1 1 。搅拌运输车主要包括搅拌筒及其附属装置，搅拌筒的 驱动装置，动力设备和运载底盘四个主要系统，图2 1 为搅拌运输车的外部结构 图。 图2 1电控混凝土搅拌运输车的整体结构 1 一汽车底盘；2 一传动系统；3 前台架；4 供水系统；5 二搅 拌筒；6 一后台架；7 一操纵系统：8 一进出料装置；9 一人梯 按上述两种基本组成部分的主要特征，可将搅拌运输车作如下分类： 1 按汽车底盘结构形式的不同，可分为普通载重汽车底盘搅拌输送车和专 用半拖挂式底盘搅拌输送车两类。 2 按混凝土搅拌装置搅拌传动形式的不同，可分为机械传动的搅拌运输车、 液压传动的搅拌运输车、液压一机械传动的搅拌运输车。 3 按动力配置不同，可分为：共用动力的搅拌运输车、独立驱动的搅拌运 输车。 从国内外现有的资料来看，大量使用的中小容量的搅拌运输车，一般都采用 普通载重汽车底盘、液压一机械传动、共用动力形式，只有大容量的搅拌运输车 ( 9 m 以上) 采用半拖挂式底盘【l 引。 图2 1 所示的搅拌运输车由：专用汽车底盘、副车架、前后台架、搅拌系统、 进出料系统、搅拌系统、传动系统、电气系统、操纵系统、水路系统等组成。其 中，汽车底盘一般为专用汽车底盘；发动机带有全功率取力器，是搅拌筒的动力 7 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 来源；副车架为整个上装与汽车底盘的联结部分，使整个上装的质量均匀的分布 在底盘大梁上；前后台架是整个搅拌系统的支撑部分；搅拌系统即搅拌筒；传动 系统主要包括减速机、液压马达、液压泵、管路及油箱等部分；电气系统是与液 压系统相配套的控制部分；水路系统是用来整车清洗的。 2 2 搅拌运输车工作原理 我国生产的混凝土搅拌运输车的底盘多采用整车生产厂家提供的二类通用 底盘，其专用机构主要包括：取力器、搅拌筒前后支架、减速机、液压系统、搅 拌筒、操纵机构及清洗系统等。混凝土拌筒由优质耐磨薄钢板制成，为了能够自 动装卸混凝土，其内壁焊有特殊形状的螺旋叶片。当混凝土拌筒正向转动时，混 凝土可装满拌简并且因不断被搅动而不会很快凝结；当它反向转动时，混凝土会 自动从卸料口卸出。 混凝土搅拌运输车用的汽车底盘要求要有足够的载重能力和强劲的输出功 率，一般要求发动机要有2 3 0 k w ( 3 0 0 马力) 以上的功率。装载量为6 7m 的 混凝土搅拌运输车需选用6 x 4 载重量为1 5 t 级的通用底盘；装载量为8 1 0m 的 需选用双前桥8 x 4 载重量为2 0 t 级的底盘；而装载量为1 0 - - - - 1 2 m 3 的则要采用6 x 4 牵引车加半挂车的方式。混凝土搅拌运输车在行车中及等待卸料过程中，为避免 混凝土水份离析或凝固，通过取力装置将汽车底盘的动力取出，并驱动液压系统 的变量泵把机械能转化为液压能传给定量马达，马达再驱动减速机，由减速机驱 动搅拌装置，对混凝土进行搅拌。搅拌时，拌简均需低速转动( 2 - - - 4 r m i m ) ；当 卸料时，拌筒需反方向转动( 1 2 1 4 r m i m ) ，混凝土被筒内螺旋叶片转动，均匀 连续卸出。拌筒的转速变化和旋转方向的改变，均由变量油泵来控制。装载量为 6 - - 8m 的混凝土搅拌运输车一般采用由汽车发动机通过动力输出轴带动液压泵， 再由高压油推动液压马达驱动混凝土贮罐；装载量为9 1 2 m 的，则由车载辅助 柴油机带动液压泵驱动液压马达。 国产混凝土搅拌运输车一般采用主车发动机取力方式。取力装置的作用是通 过操纵取力开关将发动机动力取出，经液压系统驱动搅拌筒，在进料和运输过程 中搅拌筒正向旋转，以利于进料和对混凝土进行搅拌，出料时则反向旋转，工作 终结后切断与发动机的动力联接。液压系统将经取力器取出的发动机动力转化为 液压能( 排量和压力) ，再经马达输出为机械能( 转速和扭矩) ，为搅拌筒转动提 供动力。 减速机将液压系统中马达输出的转速减速后传给搅拌筒。操纵机构控制搅拌 筒旋转方向，使之在进料和运输过程中正向旋转，出料时反向旋转。搅拌装置由 搅拌筒及辅助支撑部件组成。搅拌筒是混凝土的装载容器，转动时混凝土沿叶片 8 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 的螺旋方向运动，在不断的提升和翻动过程中受到混合和搅拌。在进料及运输过 程中，搅拌筒正转，混凝土沿叶片向里运动；出料时，搅拌筒反转，混凝土沿着 叶片向外卸出。叶片是搅拌装置中的主要部件，损坏或严重磨损会导致混凝土搅 拌不均匀。另外，叶片的角度如果设计不合理，还会使混凝土出现离析。清洗系 统的主要作用是清洗搅拌简，有时也用于运输途中进行干料搅拌。清洗系统还对 液压系统起冷却作用。 2 3 搅拌筒的工作原理 搅拌筒是搅拌运输车的主要工作部件，对搅拌筒的结构和机理进行研究是搅 拌运输车研究的重点。 2 3 1 搅拌筒的工作原理和工作过程【9 】【1 6 】【3 0 】 搅拌运输车的搅拌筒是依靠回转的简体带动其中的两条螺旋叶片，对混凝土 进行搅拌或卸料作业的。混凝土的搅拌和卸料性能与搅拌筒的构造，尤其是两条 独特的搅拌叶片有直接关系：图2 2 是搅拌筒过搅拌筒轴线垂直剖面图，其中图 a 、b 分别是正转和反转时搅拌筒垂直剖面图，图中斜线表示螺旋叶片，反为其螺 旋升角，口为搅拌筒轴线与底盘平面的夹角。 ( a ) 正转 图2 2 搅拌筒工作原理 c o ) 反转 搅拌筒工作时，搅拌筒绕其自身螺旋线转动，混凝土因与筒壁和叶片的摩擦 力和内在的粘着力而被转动的筒壁沿圆周带动起来，在达到一定高度后，由于自 重作用，克服上述摩擦力和内聚力而向下翻跌和滑移。由于搅拌筒连续转动，所 以混凝土处在不断的被提升而又向下跌滑的运动中，同时受筒壁和叶片所确定的 螺旋轨道的引导，产生沿搅拌筒切向和轴向的复合运动，从而将混凝土一直被推 移到螺旋叶片的终端。 如果搅拌筒是按图2 2 a 所示方向的“正向 转动，混凝土将被叶片连续不断 的推送到搅拌筒的底部，显然，到达筒底的混凝土被拌筒的端壁顶推翻转过来， 9 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 这样在上述运动的基础上又增加了混凝土上下层的轴向翻滚运动，混凝土就在这 种复杂运动状态下得到搅拌，因为混凝土部分的受到螺旋叶片的强制推移和翻 滚，故属于半强制式搅拌。 如果拌筒按图2 2 b 所示作“反向转动 ，叶片的螺旋运动方向也相反，这时 混凝土即被叶片引导向搅拌筒口方向移动，直至筒口卸出。 一般来说，搅拌筒的工作过程为： 1 ) 装料搅拌筒在驱动装置的带动下，作约乱1 0r m i m 的“正向旋转， 混凝土或拌和料经加料斗从导管进入搅拌筒，并在螺旋叶片引导下流向搅拌筒的 中下部。 2 ) 搅拌对于加入搅拌筒的拌和料，在搅拌运输车驶运途中或现场，使搅 拌筒在8 1 2r m i m 的转速下“正向”转动，拌和料在转动的筒壁和叶片带动下翻 跌推移，进行搅拌。， 3 ) 搅动对加入搅拌筒的预拌混凝土，只需在运途中作1 3r m i m 的低速 “正向 转动，此时混凝土只受轻微的扰动，以保持混凝土的匀质。 4 ) 卸料改变搅拌筒的转动方向，并使之获得6 1 2r m i m 的“反转”转速。 混凝土在叶片螺旋运动的顶推作用下向筒口方向移动，最后流出筒口，通过固定 和活动卸料溜槽，卸入混凝土泵的受料斗或其它转运容器。 从上述分析看出，搅拌筒的转动，带动螺旋叶片产生螺旋运动，是使混凝土 获得既有“切向”又有“轴向 的复合运动，从而使搅拌筒有搅拌或卸料的功能。 因此，形成这一螺旋运动的有关因素，诸如螺旋叶片的曲线参数，搅拌筒的几何 形状和尺寸，搅拌筒的转速和运动方向等，都是决定搅拌简工作性能的重要因素， 是搅拌筒需要控制的重要技术参数，也是指导搅拌筒设计的依据。 2 3 2 搅拌筒的结构设计原则 搅拌筒是混凝土搅拌运输车的主要部件，其结构形式直接影响混凝土的运输 和搅拌质量，其中搅拌筒曲线的螺旋角是对搅拌性能和出料性能影响最大的参 数。传统的拌筒曲线采用等螺距的阿基米德螺旋线，它具有容易设计及制造的 特点，但对于搅拌车的锥形拌筒来说，随着直径大小的变化，其螺旋角也不断变 化，易造成搅拌不均和出料困难。为了改善其搅拌和出料性能，拌筒螺旋曲线采 用变螺距的对数螺旋线，它具有螺旋角始终相等的特点，并且在搅拌简不同位置 可以设计成不同的螺旋角，分别满足混凝土的搅拌和出料对螺旋角的不同要求。 搅拌筒设计的基本要求是： 1 ) 有足够的有效装载容积； 2 ) 良好的搅拌和装、卸料性能； 3 ) 在结构上适应运载底盘和运输中进行搅拌工作的特点； 1 0 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 4 ) 要有适当的使用寿命( 耐磨性能) 。 1 搅拌筒外形的几何设计 包括搅拌筒的壳体的几何容积设计和搅拌筒的壳体尺寸设计两部分内容。 ( 1 ) 搅拌筒的几何容积 搅拌运输车的梨形搅拌筒几何容积，通常与其设计的最大装载容积存在如下 关系： 一v 0 5 0 6 5 ( 2 1 ) 巧 式中：矿对预拌混凝土，为预拌混凝土的设计额定装载容积；对混凝土干拌 合料，为干料的最大装载容积； 巧搅拌筒的几何容积。 通常混凝土的出料系数f = o 6 5 ，由于搅拌运输干料或预拌混凝土其实际运载 质量是不同的，设计时必须依据搅拌运输车的工作方式，在选择计算时予以考虑。 ( 2 ) 搅拌筒壳体尺寸 梨形搅拌筒的外形比较复杂，沿轴线方向的断面直径是变化的。中部直径最 大i 两边逐渐收缩。小容量的搅拌筒壳体，通常仅用两个不对称的截圆锥体对接 而成，而较大容量的搅拌筒则在两段锥体之间加接一段圆柱筒体，以扩大装载容 积，同时避免搅拌简中部尺寸过大。在满足几何容积的条件下，搅拌筒壳体中部 的最大直径，沿轴线方向的长度，搅拌筒筒口的直径、截锥体的锥顶角以及与之 有关的搅拌筒斜置角度，是搅拌筒壳体设计时应当控制的几何参数。 ( 3 ) 搅拌筒斜置角度 搅拌筒的斜置角虽然不是搅拌筒壳体本身的几何参数，但它影响着搅拌筒的 有效装载量、工作性能( 搅拌、卸料) 、支撑性能( 对底盘的载荷分布) ，搅拌运 输车的进出料高度( 筒口高度) 等，因此也对搅拌筒的几何参数起到制约作用， 在设计时必须将搅拌筒的几何参数与斜置角联系起来考虑，合理选择。搅拌筒斜 置角度较小时，搅拌筒有效装载容量会下降，搅拌性能变差，但有利于卸料，搅 拌筒的支撑点的载荷比较均匀，进出料高度低，这时为满足设计要求装载容量， 往往需要增加搅拌筒的长度或直径。当搅拌筒的斜置角度较大时，上述情况相反。 目前，一般搅拌筒的轴线与底盘平面的斜置角在1 0 , - - 一2 0 0 之间，视搅拌筒的装载 容量和上述影响因素以及所选底盘长度而定，装载容量愈小，此角愈大；而装载 容量愈大，此角愈小。若大容量搅拌筒又采用半拖挂式专用底盘，此角可减小到 1 0 0 。 此外，为保持搅拌筒在斜置时上部有平直的高度和一定的卸料性能，搅拌筒 两端截锥体的截顶角一般都与其斜置角相差无几，通常控制在1 5 - - 2 0 0 之间。在 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 设计搅拌筒的主要控制尺寸时，应将此作为参考。 ( 4 ) 搅拌筒中部的最大直径 搅拌运输车梨形搅拌筒壳体各部分的尺寸比例和形状，是一直在研究的问 题。有关实验资料表明，梨形搅拌筒壳体中部具有较大直径，而底部截锥较短， 使搅拌筒中下部的外形接近球体形状为最佳，这时不仅搅拌效果好，搅拌效率高， 而且也因搅拌筒重心适当前移，对于合理分配底盘前后桥载荷，提高搅拌运输车 的装载能力有利。但是，搅拌筒中部最大直径首先受运载底盘宽度的限制，也受 搅拌筒重心高度对整车稳定性影响的限制。当然，还要考虑到国家交通和运输法 规对车辆通过性的有关规定。另外，这一尺寸还与搅拌筒两端锥体的锥顶角有关， 直接涉及搅拌筒的工作性能和装载量，因此在确定这一最大直径时，须综合考虑 上述因素。据统计，使用普通载重汽车底盘的搅拌运输车，其梨形搅拌筒的中部 最大直径一般都在2 m 左右，小容量的搅拌筒可略小。 ( 5 ) 搅拌筒沿轴线方向的长度 搅拌筒沿轴线的长度应参考装载量，由已确定的中部最大直径、顶角、斜置 角等几何参数求得，但这一尺寸受选定汽车底盘长度的限制。 ( 6 ) 搅拌筒的筒口直径 搅拌筒筒口直径影响混凝土的吞吐速度，根据搅拌筒的装载容量和要求的卸 料速度而定。搅拌简要求的卸料速度可根据配套使用的混凝土泵等一些现场输送 浇灌机械的生产效率或自身的生产等因素而制定，而搅拌筒的实际卸料速度取决 于搅拌筒的反转速度和混凝土的坍落度。正常条件下，搅拌筒反转速度愈高，混 凝土坍落度愈大，则卸料速度愈快。目前，搅拌车的卸料速度可参考以下数据： 在额定卸料转速下，当混凝土坍落度为5 e m 时，卸料速度可控制在9 0 1 8 0 s m 3 ； 当混凝土坍落度为2 0 c m 时，卸料速度可控制在4 0 - , 6 0s m 3 。根据以上要求，设计 搅拌筒结构如图2 3 。 图2 3 搅拌简结构图 2 螺旋叶片的曲线形式和参数 1 2 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 搅拌运输车的搅拌简所以具有搅拌和卸料等工作性能，主要是因为其内部特 有的两条连续的螺旋叶片在工作时形成螺旋运动，从而推动混凝土沿搅拌筒轴向 和切向产生复合运动的结果。因此，这两条叶片的螺旋曲线直接影响搅拌筒的工 作性能，在其几何设计中，必须根据工作性能要求和混凝土的性质等有关因素， 恰当的确定叶片曲线的形式和具体参数。螺旋曲线有多种形式，其主要参数是螺 旋升角。从研究螺旋升角与混凝土在搅拌筒内的相应的运动状态入手，了解叶片 曲线参数和工作性能之间的关系，以寻找比较合理和实用的螺旋曲线及具体参 数。 参见图2 4 ，图中口角即叶片曲线围绕搅拌筒轴心的螺旋升角。当叶片曲线 的螺旋升角大小不同时，混凝土在搅拌筒中的运动状态也不相同。当口角很小时， 叶片几乎和搅拌筒轴线垂直，混凝土在转动的搅拌筒中轴向运动非常微小，近似 于只作沿筒壁的切向滑跌，在这种情况下，不但搅拌作用很弱，而且也不具备实 际的卸料能力。随着口角增大，混凝土沿搅拌筒轴线方向的运动逐渐提高，因而 叶片的搅拌作用和卸料能力都得到加强，当具有一定强度的轴向和切向的复合运 动时，即可实现预期的工作性能。但从螺旋原理推知，随着口角的增大，混凝土 沿叶片滑移的摩擦阻力也相应加大，达到一定程度，就易造成混凝土在叶片上淤 积，使其运动受阻，这不但使搅拌效率下降，尤其是在卸料工况时，由于淤积而 造成堵塞，会使卸料发生困难。当口角趋于9 0 0 时，叶片与搅拌筒的轴线近似平 行，这时叶片对混凝土的作用类似于自落式搅拌而几乎没有轴向的推移作用，因 而丧失卸料功能。 以上的分析可以看出，叶片曲线的螺旋升角，决定了混凝土在搅拌筒中沿轴 向和切向运动的强度，从而影响搅拌和卸料性能。当口角较大( 或较小) 时，叶 片的工作性能较差，甚至没有卸料( 或搅拌) 工作能力。为了保证搅拌质量和卸 料速度，究竟选择多大的螺旋升角较好，以上的分析，只能定性的给我们一种趋 向或范围。另外，螺旋升角的确定，还要受混凝土的性质( 不同坍落度的混凝土 其内部的粘着力，与叶片和筒壁等的摩擦系数不同，因而表现出不同的运动阻力) 和搅拌筒的斜置角度等因素的制约。目前从理论上确定还有一定的困难，仍主要 凭经验确定：搅拌筒的斜置角一般1 6 2 0 。之间；对于搅拌工作，可使叶片曲 线的螺旋升角口= 3 0 。；卸料时，需视混凝土的性质而定，一般可使口3 0 。， 对于坍落度低于5 c m 的干硬性混凝土，甚至口1 5 。 目前，搅拌运输车搅拌筒中叶片螺旋曲线形式主要有阿基米德螺旋曲线和对 数螺旋曲线两种。 阿基米德螺旋曲线，即等螺距曲线，可用式p ；a o 来描述。该曲线的特点是： 螺旋环绕简壁的叶片在搅拌筒轴线方向上的间距保持定值不变，但叶片的螺旋升 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 角与搅拌筒横断面的直径成反比变化。图2 4 a 是按阿基米德螺旋曲线形式设置在 梨形搅拌筒内的螺旋叶片。由图可得，如果叶片曲线的螺旋升角按搅拌区段工作 要求选定，则叶片进入卸料区段其螺旋升角将随搅拌筒断面的收缩而愈来愈大， 这是与原来分析的结果背道而驰的，可能使卸料性能变坏。如果按卸料区段的工 作要求选择叶片螺旋升角，则搅拌区段叶片螺旋升角将过小，可能无法保证搅拌 质量。因而，采用阿基米德螺旋曲线为叶片曲线时，易出现难以兼顾搅拌和卸料 性能的局面。早期生产的搅拌运输车曾采用这种曲线形式的叶片，一般都是搅拌 区段的螺旋升角口。3 0 。，对于坍落度在5 e m 以上的混凝土尚可用。目前，在一 些小容量的搅拌运输车上仍有应用。 对数螺旋曲线，即等升角的螺旋曲线p = a e 枷( 仅、m 为系数) ，如图2 4 b 所示。 这种螺旋叶片的螺旋升角始终不变，螺距随搅拌筒直径成正比变化，虽然卸料区 段的叶片间距较搅拌区段为小，但若设计适当，并不影响卸料功能。采用这种螺 旋曲线的叶片，选择适中的螺旋升角，比较容易兼顾搅拌和卸料的性能要求，在 大容量的搅拌运输车中采用较多。 2 2 ( a ) 阿基米德螺旋线叶片( b ) 对数螺旋线叶片图 图2 4 叶片的两种螺旋曲线 为了适应更低坍落度要求，进一步改善卸料性能，在设计新的搅拌运输车时， 应使叶片在采用对数螺旋曲线的同时，按前述划分功能区段的原则，在搅拌简的 不同工作区段分别选择适用的螺旋升角，如可使叶片曲线在卸料端的螺旋升角， 从搅拌端选择的3 0 0 减少到1 5 0 。这固然使叶片的制造和安装复杂化，但由于能适 应不同工作性能的要求，因而使叶片可以达到比较理想的工作性能。这种变参数 的螺旋叶片，目前已广泛应用在大、中容量的混凝土搅拌车上。它适用运送包括 干硬性混凝土在内的一切混凝土。 搅拌筒壳体的几何尺寸和叶片的曲线参数，对搅拌筒的工作性能影响很大， 但因为现在人们还没有完全掌握这种搅拌筒工作的内在规律性，所以还不可能建 立表达这种规律的数学方程以指导设计，以上设计内容多为实验所得，故有其局 限性和粗略性，有必要继续研究探索，以达到精确设计的目的。目前，许多国家 在继续研究这一课题，并为此作了大量实验，如用各种尺寸比例的搅拌简和不同 1 4 第二章搅拌运输车工作原理及搅拌机理分析 参数的螺旋叶片，对不同性质的混凝土进行实地工作实验；或用透明模型对彩色 拌和料进行各工况的模拟试验，观察物料搅拌的运动规律，搅拌的效果，卸料的 性能以及各部分的磨损情况，进行综合分析，以期得到在不同工作条件下最佳的 搅拌筒结构和理想的叶片曲线参数。 2 4 搅拌筒转速和混凝土质量的关系 5 1 - 5 9 】 混凝土质量用其宏观及其微观均匀度来评价，宏观均匀度用拌和物中砂浆密 度的相对误差埘 0 8 和粗骨料质量的相对误差a g 5 来衡量【1 1 。微观均匀 度用混凝土强度的统计平均值豆，标准差仃和离差系数g 来衡量。瓦值越高， 民c ，值越小，说明混凝土质量越好：反之亦然。因此，混凝土搅拌运输车的搅 拌筒应在保证新拌混凝土质量满足国家标准要求的前提下高效节能的工作，这是 确定搅拌筒合理转速的准则。 2 4 1 混凝土的结构和基本要求 混凝土是一种非均质多相复合材料。其性质主要取决于混凝土中骨料和水泥 石的性质、它们的相对含量以及骨料与水泥石间的界面黏结强度( 或界面过渡层 的强度) 就混凝土的强度而言，由于骨料的强度一般均高于水泥石的强度，因而 普通混凝土的强度主要取决于水泥石的强度和界面黏结强度( 或界面过渡层的强 度) ，又取决于水泥石的强度和骨料表面状况( 粗糙程度、棱角的多少、粘附的 泥等杂质的多少、吸水性的大小等) 。界面是混凝土中最薄弱的环节，改善界面 过渡层的结构或界面黏结强度是提高混凝土强度及