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p r o e 环境下的混凝土搅拌车罐体的设计 工程领域：机械电子工程 指导教师：邱宗明教授签名： 作者姓名：杨青海 签名： 卿秒 鹅青曲 答辩日期：加z 眼斗 摘要 水泥搅拌运输车是城市建筑中不可缺少的混凝士运输专用车辆，其中，罐体设计的好坏对整个产 品有着举足轻重的影畴。目前，国内生产企业能够进行快速，独立研发的企业并不多。其研发现状基 本上是： 1 ) 依靠引进相关人才； 2 ) 购买相关技术； 3 ) 与火专院校联台设计等方式进行； 这一现状。制约了相_ 芙企业在这一领域向着更台理的结构布局、向着更大的搅拌容积方向的发展。 本课题的完成，不仅使我们具有了快速、独立地研发各种搅拌容晕的水泥搅拌运输乍的能力，也使我 们住这一领域的研发能力处于了国内的前沿位置。 本文从淝凝十相芙特性及螺旋叶片对魁凝十的搅拌原理出发，利h j 空间解析几何的慨念推导出 了相关的计算公式，在这一过程中，提出了“t 作点、最大有效倾角、最大有效转角，计算锥”等概 念，并证明了计算锥的存在定理，利用所提出的概念清晰地描绘出了混凝士在罐体中的运动状态；利 用所推导的公式。确定罐体内各段的圆锥对数螺旋线方程。 利_ e i jp r o e 的强大的曲线，曲面设计功能，依据上述的计算，完成接套图纸的设计工作，并在p r o e 环境f ，完成了模拟真实工况f 的各角度的测量t ：作。 通过对样乖韵考核测试，证明了以该设计方案为基础生产的溅凝十搅拌车的性能高于国家标准的 规定。 提出了本设计方法中尚存在的一些不足之处，并提出了相应的改进方向。 关键词水泥搅拌车罐体空问向坫p r o e 致计 西安理工大学工程硕士学位论文 t h ed e s l g no ft h ek e t t l eo ft h ec o n c r e t ea g i t a t e l o r r y b a s e do nt h ep r 0 e s p e c i a l t y ：e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：q i uz h o n g m i ns i g n a t u r e ： ，j s i g n a t u r e ： m a s t rc a n d i d a t e ：y a n gq i n g h a i d a t e ：缈7 犁4 彩锄 纫呼 a b s t r a c t c o n c r e t ea g i t a t el o r r yi sak i n do fi n d i s p e n s a b i l i t yv e h i c l ei nt h ec o n s t r u c t i o no fm o d e m c i t y , t h el e v e lo f t h ed e s i g no fi t sk e t t l eh a sav e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c ei nt h i sv e h i c l e a tp r e s e n t ，t h ea c t u a l i t yo fm a n y m a n u f a c t u r ec o r p o r a t i o n si no u rc o u n t r ya r el a c ko ft h ea b i l i t yo fi n d e p e n d e n td e s i g n i n go ft h i sv e h i c l e ，t h e m e a n so ft h e i rg e t t i n gt e c h n o l o g ya r eb a s i c a l l ya sf o l l o w e r s ： 1 ) i n t r o d u c i n gi n t ot h ec o r r e l a t i v ee x p e r t s ； 2 1b u y i n gt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g y ； 3 1e n t r u s t i n gt h ei n s t i t u t e u n i v e r s i t yw i t ht h et a s k s ； t h ed e v e l o p m e n to ft h i sc o r p o r a t i o n st o w a r d st h em u c hm o r ea g i t a t i n gc o b a g e 、m u c hr e a s o n a b l es t r u c t u r e a r er e s t r i c t e db yt h el a c ko ft h i sr e s e a r c ha b i l i t i e s n o to n l yt h ea b i l i t yo fo u rc e l e r i t y 、i n d e p e n d e n td e s i g n i n g o fa l lk i n d so fd i f f e r e n ta g i t a t i n gc u b a g ev e h i c l e b u ta l s ot h ea b i l i t yo fo u rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i s d o m a i na r eo nal e a dw i c k e tb yt h ea c c o m p l i s h e ro ft h i st a s k i nt h i sp a p e r , c o r r e l a t i v ef o r m u l a sa r eo b t a i n e db a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n c r e t e 、o nt h e p r i n c i p l e so fc o n c r e t ea g i t a t i n gb yt h eh e l i xi nt h ek e t t l ea n do nt h ec o n c e p t so fs p e c i a la n a l y t i cg e o m e t r y i n t h i sp r o c e s s ，t h ec o n c e p t s “w o r k i n gp o i n t 、m a x i m a le f f e c t i v et u m i n ga n g l e 、m a x i m a le f f e c t i v ei n c l i n i n ga n g l e a n dc a l c u l a t i n gc o n e ”a r eb r o u g h tf o r w a r d ，t h ee x i s t i n gt h e o r e mo ft h ec a l c u l a t i n gc o n ei sp r o v e d t h e m o v e m e n to ft h ec o n c r e t ei nt h ek e t t l ei sl e g i b l ed e s c r i b e db yt h ec o n c e p t s ；t h ee q u a t i o n so ft h el o g a r i t h m h e l i xl i n eo ft h ed i f f e r e n ts e c t i o no fk e t t l ei sc o n f i r m e db yt h ep r o v e dt h e o r e m t h ew h o l ed e s i g n i n gw o r k sa r ef i n i s h e db a s e dn o to n l yo nt h ep o w e r f u la b i l i t i e so ft h ed e s i g n i n go ft h e c u r v ea n ds u r f a c eo ft h ep r o e ，b u ta l s oo nt h er e f e r r i n gc a l c u l a t i o n m e a s u r i n gw o r k so fa l la n g l e sa r e a c c o m p l i s h e du n d e rt h es i m u l a t i n ga c t u a lc i r c u m s t a n c eb a s e do nd e s i g n i n gs o f t w a r ep r o e i t sp r o v e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo ft h ec o n c r e t ea g i t a t el o r r yp r o d u c e db a s e do nt h i sd e s i g n i n gp r u j e c ti s b e t t e rt h a nt h ep r e s c r i b eo ft h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ei n s u f f i c i e n c yo ft h i sd e s i g n i n gp r o j e c ta n dt h ec o r r e l a t i v ea m e l i o r a t i n gd i r e c t i o na r eb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d ：c o n c r e t ea g i t a t el o r r y k e t t l e s p e c i a lv e c t o r p r o e d e s i g n i n g 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 枷前i 西 论文作者签名：擞! 女抄1 年3 月7 日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二持馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 捣青曲 导师签名： 少年嗍夕日 第一章绪论 1 绪论 1 1 混凝土搅拌运输车的发展概况 混凝土是现代基本建设中采用最广泛的建筑材料之一，随着我国建筑业突飞猛进地发 展，混凝土的需求量急剧增大上世纪8 0 年代以前，混凝土集中搅拌技术在我国并未普 及，当时，普遍存在的问题一是混凝土的质量难以监控，直接导致建筑质量多次出现问题， 如一些塌桥坏路事件等；二是建筑工地搅拌时，粉尘、噪音、污水等对工地周围环境造成 很大的污染，三是建筑工地地域狭窄，建筑材料堆放场地十分紧张。从上世纪8 0 年代末 9 0 年代初起，国家通过行政命令全面实施建筑工程使用预拌混凝土的方案，从那时起， 与预拌混凝土相关的混凝土搅拌运输车得到了快速的发展。 预拌混凝土就是混凝土搅拌与使用分离，混凝土作为商品集中在搅拌站生产，然后运 到工地使用，一个搅拌站可以为半径3 0 k m 以内的工地服务。这样，只要控制了搅拌站生 产的混凝土的质量，就可以对该范围内工地施工所用混凝土质量进行有效控制，同时施工 场地紧张及环保等一系列问题也都迎刃而解。由于混凝土运输业的专业性很强，所以，预 拌混凝土的运输必须由专门的混凝土搅拌运输车来完成，混凝土搅拌运输车属于一种特殊 的重型运输车辆，要求能够自动完成装料和卸料，运输过程中要对车内的预拌混凝土不停 地搅拌以保证预拌混凝土的质量。混凝土搅拌运输车除运送预拌混凝土外，一般不能它用。 目前，建筑业已成为我国经济发展的一个支柱产业之一，建筑业的发展，决定了预拌 混凝土使用量的不断增加。我国的预拌混凝土主要用于城市公用、民用建筑中。有资料介 绍i l l 目前，我国大城市预拌混凝土的年消耗量为3 0 0 - 5 0 0 万0 ，特大城市为5 0 0 万一 左右，按每辆混凝土运输车每年运输量为1 5 万一计算，一个大型城市就需要几百辆混 凝土运输车。如此巨大的需求，使专业的混凝土运输公司作为一种新兴的物流企业在我国 各大城市应运而生，它采用预拌混凝土的生产与运输分离的方式，适应了建筑业的发展趋 势2 1 州 3 e l 。目前许多个体业主也加入到了这一行业中。 上世纪8 0 年代末期，中国从日本以技贸结合的方式引进了三项与混凝土搅拌、运输 有关的技术，分别是混凝土搅拌运输车、混凝土输送泵车及拖式混凝土输送泵。其中m r 4 5 型混凝土搅拌运输车在当时由上海华东建筑机械厂负责技术消化及生产工作，该车采用全 液压驱动，具有性能可靠，出料干净、迅速等特点，具有当时的世界先进水平。底盘当时 采用日本三菱公司生产的f v 4 5 型车做底盘。后来，也逐步采用国内知名的重型汽车生产 企业的产品作为其混凝土搅拌运输车的底盘。上海华建的产品一直具有很高的市场知名度 和占有率。从进入该行业的时间顺序上讲，紧随其后的是唐山专用汽车制造厂，它主要以 国产斯太尔汽车作为其底盘。随后，三一重工、中联重科，利勃海尔公司，马鞍山专用汽 车制造厂、洛阳字通等企业也加入到该行业中。国内的+ 重型汽车生产企业也推出了相应的 底盘，如陕硬重汽的“德龙”f 2 0 0 0 等，图卜1 就是以陕汽“德龙”f 2 0 0 0 为底盘，有效 搅拌容积为8 m5 的混凝土搅拌返输车。以【= 述企业为代挺的国内混凝七搅拌运输车生产企 西安理工大学工程硕士学位论文 业已具备了相当的生产规模，有非常大的，生产潜力。 幽卜1 以陕汽“德龙”f 2 0 0 0 为底盘的混羰土搅拌军 r i g1 - 1c o n c r e | ea g i t a t el o r r yb a s e do i lt h es h a n q ic h a s s i s “d e l o n g f 2 0 0 0 国内混凝土搅拌运输车的研发也始于上实际8 0 年代。当时的成果主要是对螺旋叶片 的参数及其对搅拌与出料性能的影响进行了较详细的定量分析 3 1 4 1 s i , 并实现了其电算 化的过程1 6 l 为以后的各种研发工作奠定了基础。但是，由于其年代较早，国内还没有 引进诸如p r o e 、u g 等设计软件，因此，其在图纸设计阶段采用的方法较现在而言十分繁 琐，且精度受其方法限制，无法与利用p r o e 、u g 等软件设计的图纸相比，这是当时普遍 存在的一个不足之处。随着诸如p r o e 、u g 等大型设计软件在国内的推广，基于这些设计 软件的罐体设计，如基于u g 的设计方法”，基于p r o e 的设计方法9 1 1 0 1 等等，逐步 走向了前台。除此之外，还出现了一些针对专题的研究，如对“非等角对数螺旋线”的 研究，基于m a t l a b 编程与a u t o c a d 相结合的手段，研究了螺旋叶片轨迹坐标的计算机 辅助求解的方法“等等。 具体到国内的大多数生产企业，除少数企业外，其它的在独立地进行罐体设计方面目 前仍存在着诸多力不从心的情况，他们在研发阶段采用或者引进相关的专业人员，或者与 当地的大专院校联合设计，或者购买相关技术等方法，这一情况阻碍了这些企业向着更高 水准的发展。如目前市场上出现了对装载容积为1 6 m 4 ，甚至2 0 m 3 的水泥搅拌车的需求， 由于很少有现成的产品可供借鉴，而从事过该项目研发的专业人员也较少，这样，罐体的 设计问题构成了这些企业在向这一方向发展过程中的障碍。 1 2 课题来源、研究内容及意义 1 2 1 课题来源 本科题是陕西重型汽车有限公司2 0 0 6 年的产品丌发项目，具有较强的现实意义。 第一章绪论 1 2 2 本文涉及到的研究内容 ( 1 ) 从混凝土材料特性入手，确定混凝土材料合理的下滑角；通过对罐体工作原理 的详细的分析，定义罐体设计中涉及到的所有概念，并为接下来的定量的设计奠定基础。 ( 2 ) 利用空间向量的概念，确定罐体各参数之间的关系。各种参数之间的关系主要 指“工作点妒”与罐体倾角6 、罐体半锥角一、叶片螺旋角卢、叶片放置角p 之间的关系。 通过c 语言编程计算，利用e x c e l 作图的方法逐个分析罐体倾角6 、罐体半锥角口、叶片 螺旋口对工作点的影响。 ( 3 ) 按照总体设计方案确定的参数并参考目前国内其它厂商的一些参数，确定罐体 的总体结构尺寸及参数。 ( 4 ) 利用第二步推导的公式，分别计算叶片的根部、顶部的螺旋角、工作点、最大 有效倾角、最大有效转角等参数，通过数据描绘出混凝土在罐体内详细的运动过程，进而 可定量、详细地描述出罐体的工作过程。 ( 5 ) 利用p r o e 强大的曲线、曲面设计功能，完成全套图纸的设计工作，并在p r o e 环境下，完成模拟真实工况下各个角度的测量，以完成对设计参数的验证工作。 ( 6 ) 利用c 语言编程计算、e x c e l 作图的方法，确定前锥、后锥上螺旋角的变化规 律，分别用描点的办法和数值计算的办法确定前锥、圆柱段、后锥上的扫描曲线上诸点的 坐标。 ( 7 ) 整个设计过程完成后，总结了本设计方法存在的不足，并提出解决思路。 1 2 3 本课题的意义 目前，在能看到的资料中，在罐体工作原理方面叙述得都比较简略，为更准确地说 明拌和的工作原理，本文中我们明确地采用将混凝土在拌筒中的运动分解成以下的五种运 动的方法，这样与目前能看到的文献相比，较为准确、详尽地描述出了混凝土在拌筒中的 运动规律，为随后的设计工作打下基础。同时，在目前能看到的资料中，我们也首次提出 了筒壁对混凝土运动的影响，并对其进行了较详细的数学分析。对不能有效出料的分析， 我们首次在三维图上标出了物料下滑的分界点a ( 图2 8 ) ，并说明：混凝土如果在a 点以 上向下滑落，则肯定无法满足出料要求。 除此之外，在能看到的资料中，我们也首次将理论计算结果与我们自己对罐体工作 原理的分析结合起来，详细地、定量地描述出混凝土在罐体中的运动情况。这样，就克服 了目前看到的许多文献将计算与实际的工作过程不相结合的弊端。从实际的工作感受与经 验来看，本文做出的这种结合，与实际的设计工作贴得更近一些，对工作在研发一线的设 计人员的帮助会更大一些。 考虑到螺旋叶片在具体制作过程中的工艺问题，我们也首次采用数值计算的方法， 完成叶片中部、顶部的相应的点的坐标的计算。这种数值计算的方法，丰富了螺旋叶片的 设汁方法。 西安理工大学工程硕士学位论文 本课题的完成，使我们企业具备了独立地、快速地研发各种型号混凝土搅拌车罐体 的能力，按我们目前的研发水平，可以在2 0 个工作日内完成一个全新罐体的设计。 本课题的完成，丰富企业的产品种类，拓展了企业的产业链，同时也培养了一批专 用车设计的人才，为企业的发展做出了贡献。 4 第二章怼凝土搅拌车罐体工作原理 2 混凝土搅拌车罐体的工作原理 混凝土搅拌运输车罐体的设计结果对混凝土的拌和均匀性与出料顺畅性有着决定性 影响，是混凝土搅拌运输车的设计难点之一。本章从混凝土的特性入手，在混凝土塌落度 概念的基础上，确定设计时涉及到的一个重要参数混凝土的下滑角；通过对出料与拌 和过程的分析，引出与罐体设计相关的诸概念，同时，也给罐体设计提供一个清晰的思路。 2 1 混凝土下滑角的确定 按一定的比例配合、拌匀而未凝结硬化以前的混凝土称为新拌混凝土。新拌混凝土必 须具有良好的工作性能，以保证施工时能获得良好的浇灌质量。新拌混凝土的工作性能是 指混凝土适合于搅拌、运输、浇注、振捣并密实成型的性能，它包括混凝土的流动性、粘 聚性、保水性、可泵性等技术性能。与本设计相关的主要是流动性，流动性是指新拌混凝 土在自身重力及外力作用下产生流动，能均匀、密实地充满模型的性能。新拌混凝士流动 性好，操作方便，易于振捣、成型，不致使混凝土出现“蜂窝”、“麻面”等现象。若流动 性过大，因水泥浆用量过多，容易影响混凝土的密实性、均匀性和强度。流动性的评定指 标是混凝土的塌落度。塌落度的概念也是本设计中涉及到的重要的、基本的概念之一。 2 1 1 塌落度的测定“们 a 实验设备 塌落筒，捣棒、钢尺、喂料斗等。 b 测试方法及步骤 ( 1 ) 将拌好的混凝土分三次均匀地装入塌落筒内，每层装入高度在振实后应为筒高的 1 3 。浇灌项层时，混凝土应灌到高出筒口，顶层插捣完成后，刮去高出的混凝土。 ( 2 ) 垂直平稳地提起塌落筒，其过程应在5 - 1 0 s 内完成。 ( 3 ) 提起塌落筒后，立即测量筒高与塌落后混凝土试件最高点之间的高度差，此值即 为混凝土的塌落度值，单位唧，如图2 1 所示。 c 水泥混凝土的分类 根据塌落度的数值不同，可将混凝土分为以下四种类型： ( 1 ) 低塑性混凝土( 塌落度1 0 4 0 r e ) ( 2 ) 塑性混凝土( 塌落度5 0 9 0 m ) ( 3 ) 流动性混凝土( 塌落度1 0 0 一1 5 0 r e ) ( 4 ) 大流动性混凝土( 塌落度大于1 6 0 r m a ) 5 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 - 1 混凝土塌落度的测定方法 f i g 2 - 1t h em e a s u r i n gm e t h o do ft h ec o l l a p s i n gd e g r e eo ft h ec o n c r e t e 具体施工时，根据不同的结构及振捣方法，对混凝土的塌落度有不同的要求，具体见 表2 - 1 。 表2 - 1 混凝土的塌落度 t a b 2 - 1t h ec o l l a p s i n gd e g r e eo ft h ec o n c r e t e 结构种类塌落度( m m ) 基础或地面的垫层、无配筋的大体积结构( 挡土墙、基础等) 或配筋稀疏 l o 一3 0 的结构。 板、梁和大型及中型截面的柱子等。 3 0 - 5 0 配筋密列的结构( 薄壁、斗仓、筒仓、细柱等) 。 5 0 - 7 0 配筋特密的结构。 7 0 9 0 注：本表是采用机械振捣混凝士时的塌落度，当采用人工振捣时混凝土的塌落度可适当增大 2 1 2 混凝土的下滑角 置于斜板上的混凝土，当斜板的倾角不断增大，达到某一角度时，混凝土料在自重的 作用下，开始向下滑落，此时，斜板与水平面的夹角称为该物料的下滑角。如图2 2 中的 巾角。 第二章混凝土搅拌车罐体工作原理 图2 - 2 混凝土下滑角 f i g 2 - 2 t h es l i d i n ga n g ko f t h ec o n c r e t e 混凝土的下滑角与其塌落度有很密切的关系，一般的有关混凝土的书籍、手册等资料， 仅给出了混凝士的塌落度值，而对应的下滑角值却很少见到。表2 2 列出的是通过简单试 验得出的下滑角数据” 表2 2 塌落度与下滑角之间的关系 t a b 2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es l i d i n ga n g l ea n dt h ec o l l a p s i n gd e g r e e i 塌落度( m m )3 0 4 07 59 0 1 2 01 7 0 f 滑角( 。)3 83 5 53 2 53 13 03 0 2 1 3 混凝土下滑角的确定 。 混凝土下滑角在罐体设计计算中是最基础的参数之一。在以后的分析中，我们将会看 到若以较大的下滑角作为设计参数，当运输较小下滑角的混凝土时，不利于物料的拌和但 利于出料：而反之，则利于拌和而不利于出料。对于混凝土搅拌车而言，出料后混凝土残 留量是一个很重要的指标，国家相关标准中有明确的规定“明n “。因此，在设计时应尽可 能选择较大的下滑角。从具体的施工情况看，塌落度小于3 0 嗍的混凝土用得比较少。根据 这些，我们在此次设计时，将混凝土下滑角取为3 6 。 2 2 混凝土搅拌运输车罐体搅拌工作原理 2 2 1 混凝土搅拌运输车罐体的结构 混凝土搅拌运输车罐体的结构如图2 - 3 所示。 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 减速机安装法兰2 一封头3 一前锥4 一叶片5 一圆柱段6 一后锥7 一支撑环8 - 进料斗 图2 - 3 混凝士搅拌运输车搅拌简的结构 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r eo ft h ek e t t l eo ft h ec o l l c r e t oa g i t a t el o r r y 罐体从整体上讲是由上述8 个部件焊接而成的组件。减速机通过螺栓安装在减速机安 装法兰上，液压马达通过减速机驱动搅拌筒顺时针或逆时针转动。支撑环支撑在专门设计 的两个滚柱上，如图2 - 4 所示。罐体内部由螺旋叶片按双头螺线的布局拼焊而成。在混凝 土商品拌和站，混凝土由迸料斗进入罐内。当搅拌简逆时针旋转( 即从y 轴正向朝x 轴正 向旋转时) ，搅拌筒处于拌和工作状态；反之，处于出料工作状态。 图2 4 支撑环的工作状态 f i g 2 - 4t h ew o r k i n gs t a t eo f t h es u p p o r t i n gr i n g 母线、( 可为直线，也可为曲线) 在绕轴线做匀速圆周运动的同时，还沿该轴线方向做 匀速或变速直线运动，则该母线的轨迹为等距或变距螺旋面。当母线为直线时，称其为直 纹螺旋面；当母线为曲线时，称其为非宜纹螺旋面。当母线与轴线正交时，称其为正螺旋 面；当母线与轴线斜交时，称其为斜螺旋面。混凝土搅拌车罐体内部叶片的形状为直纹正 螺旋面( 后锥部分) 和直纹斜螺旋面( 圆柱段和i j 锥段) 。叶片在混凝土搅拌车罐体内部 呈双螺旋结构，如图2 3 所示，为防止运输过程中混凝土的溢出及使出料平稳，在出料的 最木段额外增加了两个叶片，如图2 3 中的d 向示图所示。各段螺旋角的确定依协；后文推 第二章混凝土搅拌车罐体工作原理 导的公式( 3 - 8 ) 确定。在后文的公式推导过程中，我们要用到“切向量”的概念，切向 量在这里是指：叶片螺旋面上某一点的切线向量。 2 2 2 拌和过程的工作原理1 7 3 8 1 通过对混凝土料在搅拌筒中运动形态的分析，我们可以大致描述出其搅拌的工作机 理。目前，我们能看到的资料在这一方面叙述得都比较简略，描述得也不够全面，甚至 有含糊的地方，为更准确地说明拌和的工作原理，本文中我们明确地采用将混凝土在拌筒 中的运动分解成以下的五种运动的方法，这样与目前能看到的文献相比，较为准确、详尽 地描述出了混凝土在拌筒中的运动规律，为随后的设计工作打下基础。同时，在目前能看 到的资料中，我们也首次提出了筒壁对混凝土运动的影响，并对其进行了较详细的数学分 析。对不能有效出料的分析，我们首次在三维图上标出了物料下滑的分界点a ( 图2 - 8 ) ， 并说明：混凝土如果在a 点以上向下滑落，则肯定无法满足出料要求。这也就说明了在后 面定义“最大有效转角”、“最大有效倾角”的必要性。 为简单、明了起见，我们省去了不相干的零件并采用单头螺旋叶片来表示罐体内部的 情况，如图2 - 5 所示。 图2 5 混凝土在罐体内运动分析图 1 ：i 9 2 - 5t h ef i gf o rt h em o t i o na n a l y s i so ft h ec o n c r e t ei nt h ek e t t l e 混凝土料在搅拌筒中运动形态大致可以用以下几种运动来描述： ( 1 ) 物料在叶片的推动下，在叶片高度范围内沿轴向流向搅拌筒的封头端，到达封头 端后，在后续物料的推动下向上翻起，之后从搅拌筒的封头端向后锥运动，形成物料的轴 向运动，如图2 5 中的a a 流动。 ( 2 ) 在搅拌筒旋转过程中，物料被叶片从底部带起，当叶片旋转到其切线方向与水平 面的夹角小于混凝二l 料的下滑角时，混凝七被叶片带着向上运动；当叶片旋转到其切线方 西安理工大学工程硕士学位论文 向与水平面的夹角大于混凝土料的下滑角时，混凝土料在自重的作用下向下塌落，形成物 料的周向运动，如图2 - 5 中的b 向流动。 ( 3 ) 搅拌筒旋转过程中，物料被筒壁从底部带起，与第二种运动相似，到达混凝土的 下滑角度后，在自重的作用下向下塌落，形成物料的周向运动。或者说，拌筒即使没有叶 片，也会因为简壁的旋转，而对混凝土科产生一定的拌和作用。对这一运动详细的分析如 下： 圆的参数方程为： ( r 是参数) ( 2 1 ) 其任意一点的切向量面一( 翥，嚣) 一( - r s i n o , r 删) ，在图2 - 6 的中水平面的方向 为( o ，j ) ，两向量之间的方向余弦为：( ，c o s 一) ，一c o s o ，即圆的切向量与水平面夹角为 3 6 。时，圆的旋转角0 亦为3 6 。具体地反映到混凝土在拌筒中的运动情况，我们可得 出：在图2 - 6 所示的坐标系下，以y 轴的负方向为起始点向x 轴正方向旋转3 6 。后，与 筒壁紧贴的一层物料开始向下塌落。 图2 6 第三种运动示意幽 f i g2 - 6t h es k e t c hf i g o ft h et h i r dm o t i o n 另外，在摩擦力的作用下，与简壁贴和的一层混凝土随筒壁一起以相同的速度转动， 由于混凝土料内摩擦力的作用，这种运动逐步向内衰减到零，目前，由于没有具体的数学 模型，甚至找不到相关的经验公式，我们只能参照流体力学中“动力黏度”的概念来对这 种运动“定性”地用图2 - 7 进行说明。 1 0 疗口晷锄 r ， - x y ，l-j，【 第二章混凝土搅拌车罐体工作原理 筒壁线速度 肜 - 。 图2 - 7 筒壁旋转对物料搅拌的影响“定性”说明图 f i g2 - 7t h ef i gf o r t h ee x p l a i n i n go fk e t t l e si n f l u e n c eo nt h ec o n c r e t e ( 4 ) 在搅拌简旋转过程中，叶片插入物料时引起的物料的紊动。 ( 5 ) 为增强前锥部分的搅拌效果，在前锥叶片上开有9 0 m 的孔，物料在相互挤压力 的作用下，沿这些孔形成由前部向后部的小范围的轴向运动，这种轴向运动又可引起其周 围物料的紊动，如图2 5 中的c 向流动。 上述的第1 、2 、3 种运动，可以认为是混凝土料在搅拌筒中运动的主要形态。在第一 种运动的作用下，混凝士料在封头端部翻起时形成了物料之间的紊动和挤压，该运动还形 成了混凝土料层间速度梯度，这种层间的速度梯度又使混凝土料得到剪切；在第二种、第 三种运动的作用下，混凝土料在其下滑角附近不停的翻滚、塌落，形成相互自j 的运动。 总之，混凝土料在搅拌筒中拌和的工作原理就是在上述运动的综合作用下，形成混凝 土料层与层之间、颗粒与颗粒之间的相互运动，在这种相互运动的作用下，混凝土料得 到充分的搅拌 2 2 3 出料过程的工作原理 当搅拌筒顺时针旋转时( 在图2 - 3 中，由x 轴正向转向y 轴正向) ，混凝土料被转动 的叶片从底部带起，当叶片旋转到其切线方向与水平面的夹角大于混凝土料的下滑角度 时，如图2 - 8 所示，混凝土料在自重的作用下沿叶片向罐体底部运动，运动路径如图2 8 中的b d 路径。在跟随叶片的运动和自身的塌落运动的合成作用下，物料被推向出料口， 完成出料任务。 在这个过程中，需要特别指出的是，如果叶片的角度设计得不甚合理的话，就会出现 出料不干净的情况。从图2 8 中可以看出，当在a 点以下叶片的切线方向与水平面的夹角 达到混凝土料的下滑角度时，混凝土料在滑向叶片“根部”的同时沿叶片滑向罐体底部； 其合成运动为图2 - 8 中的b d 方向。这样，就能较好地保证出料的顺畅性。当在a 点以上 达到混凝土料的下滑角度时，混凝土料在滑向叶片“顶部”的同时沿叶片滑进前面的一个 螺旋里，运动路径如图2 - 8 中f 向所示。这样的循环返复，显然是无法满足出料要求的。 当叶片旋转到其切线方向与水平面的夹角等于混凝土料的下滑角度时，罐体从y 轴的 负方向算起向x 轴正向旋转过的角度( 参看图2 3 ) ，我们称其为工作点。如何合理地确 西安理工大学工程硕士学位论文 定叶片及罐体各种角度，以确定合适的工作点便形成了罐体设计的一个重点。 从以上的分析中，我们可以看出工作点越低，意味着混凝土料开始沿叶片下滑的点( b 点) 越低，在图2 - 8 中，随着工作点的降低，混凝土料有可能在b 点就开始向下滑落， 显然，混凝土料从b 点开始向下滑落较从b 点开始向下滑落更有利于出料。因此，我们 可以得出这样的结论：工作点越小，混凝土料开始下滑的位置也越低，这样，越有利于 出科。 从以上分析我们还可以看出，搅拌与出料实际上是一个相互矛盾的过程，就搅拌过程 而言，希望工作点越高越好，工作点越高，水泥混凝土在罐体中的第二种运动持续过程越 长，其搅拌效果无疑会更好；对于出料过程而言，希望工作点越小越好，工作点越小，水 泥混凝土能越早地滑向底部，这样，越有利于出料。从目前现有资料的分析来看，解决这 一矛盾所遵循的一般原则应为：工作点的确定应以保证顺利出料为原则，对于由此造成的 搅拌过程的不足，在结构设计上予以补充。为此所进行的结构设计大致有： ( 1 ) 在前锥部分增加辅助搅拌叶片，如洛阳建筑工程机械厂生产的搅拌车1 1 8 p 其罐 体前部新增加了辅助搅拌叶片； ( 2 ) 在前锥部分的螺旋叶片上开由8 0 一由1 0 0 的孔，这样就使水泥混凝土在罐体中新 增了上述分析的第五种运动，从而增强搅拌效果。 目前，许多生产厂家生产的搅拌车的叶片采用了第二种方式 图2 - 8 罐体出料过程示意图 f i g 2 - 8 t h es k e t c h f i g o f t h ep r o c e s s o f g e t t i n g t h ec o n c r e t eo f f t h e k e t t l e 2 3 混凝土搅拌运输车的结构原理“9 m 叮 混凝士搅拌运输车出汽车底盘和混凝 ：搅拌运输专斤j 装置组成。我国! l 产的混凝土搅 g - - 章混凝土搅拌车罐体i 作原理 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、液压驱动系统、搅拌筒、操纵机构、清洗系统等。其工作原理 如图2 - 9 所示： 图2 - 9 混凝土搅拌运输车工作原理图 r i g 2 - 9 t h e w o r k i n g p r i n c i p l er i g o f t h e g o n c l e l ea g i t a t e l o r r y 通过取力装置将汽车底盘发动机的动力取出并作为液压泵的动力输入，按“变量液压 泵一定量马达一减速机一搅拌筒”的路径驱动搅拌筒，以完成混凝土的搅拌与出料的工 作。操纵系统是用来控制液压泵的正反转的，清洗系统足用来对出料后的搅拌筒、进料斗 进行冲洗用的。 2 3 1 取力装置 混凝土搅拌运输车采用发动机取力方式。取力装詈的作用是通过操纵取力开关将发动 机动力取出，以驱动液压系统，在工作终结后切断与发动机的联系。 2 3 2 操纵机构与清洗系统 操纵机构用以控制液压系统排量的大小及高低压的方向，以确定罐体的旋转方向及转 速的大小，如图2 一1 0 所示。清洗系统的主要作用是清洗搅拌筒及进料斗。 2 3 3 搅拌装置 i 璺i2 - 1 0 搅拌卞操纵系统 f i g2 1 0c o n l r o ls y s t e m o ft h ec o n c r e t ea g i t a t el o r r y 西安理工大学工程硕士学位论文 搅拌装置主要由搅拌筒及其辅助支撑部件构成。搅拌简是混凝士装载容器，完成混凝 土料的搅拌与出料工作，具体工作原理见本章第二节的分析。其中的叶片是搅拌装置的主 要部件，损坏或严重磨损会导致混凝土搅拌不均匀，若叶片角度设计不合理，还会使混凝 土出现离析。 2 3 4 液压系统 由变量液压泵与定量马达组成的闭式传动系统如图2 - 1 1 所示。其作用是为罐体的旋 转提供动力。目前，国内均采用进口泵与马达。主要以美国的s a u e r 、e a t o n ，德国的r e x r o t h 公司的产品为主。 图2 - 1 1 搅拌车的液压控制系统 f i g 2 - 1 1h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o n c r e h ：a g i t a t el o n y 罐体驱动力矩及满载时罐体驱动功率，特别是满载时搅拌筒驱动功率，对整车的设 计及液压系统的设计有着重要的意义。目前的计算方法主要是采用通过对实测的数据用最 小二乘法进行拟和的方法| 2 1 1 ；用积分的办法、德国利勃海尔公司的推荐公式1 2 2 1 等方法 来得到其经验公式。由于本文不讨论整车及液压系统的设计，因此，在此仅对这些问题作 一简略提及。 a 4 v g 9 0 灞压泵冲洗阀 赫体驱矽马达 ( 2 ) 伺服油缸2 一排量控制阀3 - 二级安全阀4 - 低压溢流蚓5 一一级安全阀6 - 补油泵 幽2 - 1 2 采圳r e x r o t h 公司元1 ，| ：的液压原理图 f i g 2 - 1 2t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l ef o rt h ep a r t so fr e x r o t hc o m p a n y 1 4 第二章混凝土搅拌车罐体工作原理 图2 1 2 是采用r e x r o t h 公司元件的液压原理图。采用其它公司元件的原理图，除泵 的控制方式有差异外，其它是一致的。h 4 v g 9 0 泵是r e x r o t h 公司生产的变量柱塞泵，该 泵可提供双级压力保护。当系统压力达到2 8 m p a 时，泵内的安全阀将控制油路切断，从而 使泵内的伺服油缸回到中位，液压泵停止工作；假如第一级的安全阀出现故障，则当系统 压力达到3 5 m p a 时，泵内的第二级安全阀使整个系统卸载，起到安全保护作用；泵内的控 制牢 油压力由低压溢流阀限定在2 5 m p a ，补油泵提供的低压控制油有两个作用，其一是 通过排量控制阀与伺服油缸去控制主泵( 径向柱塞泵) 的斜盘的转角的大小与方向，从而 实现泵的排量与高低压腔的改变；其二是通过系统中的单向阀向低压腔进行补油。系统在 工作时，液压油会发热，冲洗阀的作用是将系统内的发热的液压油由低压腔送回油箱，经 冷却后的液压油由补油泵送入系统，使系统的油温以不超过8 5 。为宜。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 螺旋叶片参数的设计计算“5 “2 2 4 1 2 钉 螺旋叶片各参数之间关系的建立是基于空间解析几何的知识。其中，工作点的确立是 以空间向量在不同的坐标系下的坐标为基础确立的；在罐体倾角6 、半锥角0 确定后，即 可计算出相对应的叶片螺旋角1 3 ，进而确立最大有效倾角及最大有效转角。通过对螺旋曲 面的分析，建立起螺旋面根部与顶部螺旋角之间的关系，并通过对相关命题的证明建立起 “计算锥”的概念，为在p r o e 环境下的叶片设计建立基础。 3 1 螺旋叶片参数之间的数学关系 罐体内螺旋叶片参数的计算是罐体设计过程中首先要解决的问题，也是罐体设计中非 常重要的一步，是保证罐体能够正确工作的基础。在进行叶片设计之前，我们必须对空间 曲线与曲面以及研究空间曲线与曲面的一些数学方法有较深入的了解。只有这样，才能最 终定量地、准确地说明罐体的工作过程，并方便地设计出面向不同需求的罐体。 本节中的公式推导是在对空间曲线与曲面充分地掌握基础上，借鉴了文献1 4 1 、 5 1 的基本思想。所不同的地方在于：本文是从空间向量在具有公共原点的坐标系下的各坐标 之间的关系入手，使每一步的推导都变成对这一关系的一次应用，这样使整个过程条理清 晰。同时，将每一步的推导都与三维图形结合起来，克服了二维图形表述不清、不易理解 的弊端。 3 i 1 螺旋叶片参数之间的数学关系的确定 图3 - 1 是两个具有公共原点的坐标系，其中，坐标系o x 。k z 。是坐标系o x y z 绕z 轴 旋转口，再绕x 轴旋转芦：，再绕y 轴旋转如后得到的坐标系。两坐标系各坐标轴之间的 夹角如表3 - 1 所示。若在o _ n z 坐标系有一向量o m b ，y ，z ) ，其在o x ，x z 。坐标系中的 坐标为b 。，y ，毛) ，现根据空间解析几何的知识建立两者之间的关系。两者之间的关系是设 计计算罐体工作点、最大有效倾角、最大有效转角的基础。 y 幽3 - i 两坐标轴的旋转情况 f i g 3 1c i r c u m v o l v i n gc i r c u m s t a n c eo ft w oc o o r d