（车辆工程专业论文）混凝土搅拌运输车搅拌叶片参数设计及数值分析.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 混凝土搅拌运输车是建筑机械产品中的主要机种，广泛应用于矿山、水利、 建筑、公路、港口和国防工程等。虽然混凝土搅拌车的市场前景异常乐观，但是 我国混凝土机械生产在基础理论方面的研究还存在很多薄弱环节，致使搅拌叶片 还存在很多问题，如使用寿命短、搅拌效果和出料速度不理想、搅拌振动噪声大、 出料残余率高等，大部分企业生产技术不完善而且关键技术都靠国外引进，这一 直是制约着混凝土搅拌机械难以发展壮大的技术“瓶颈”。因此对搅拌叶片的改进 设计有着重要的理论意义和实际应用价值。 本文以中国重汽集团专用汽车公司生产的8 5 l p 型搅拌车搅拌叶片作为分析 对象，结合搅拌理论对搅拌叶片进行参数设计、静态特性分析、优化设计，并进 行试验验证。本论文主要完成了以下工作： i 、通过对搅拌机理、出料机理和8 5 l p 型搅拌车搅拌总成的研究，对非等变 角对数螺旋线方程进行了改进，并对搅拌系统进行了参数化设计、仿真建模和展 开图的实现。 2 、修正了搅拌叶片在正转和反转两种工作状态下微元流层的微分方程。在此 基础上对搅拌叶片进行了静态分析，找出薄弱环节，进行结构优化设计。 3 、根据相似原理，采用1 ：4 的比例制作改进前后的搅拌叶片模型，通过试 验数据的对比分析，验证了理论方法的可行性。 关键词：新拌混凝土；搅拌叶片；优化设计；搅拌筒；特征分析 童曼堡苫銮：三耋堡圭茎堡垒耋 a b s t r a c t t h ec o n c r e t em i x e rt r u c kp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h eb u i l d i n gm a c h i n e r y i ti s w i d e l yu s e di nm i l l t ：，i r r i g a t i o nw o r k s ，c o n s t r u c t i o n ，r o a d ，h a v e n ，d e f e n s ee n g i n e e r i n g a n ds oo n a l t h o u g ht h em a r k e tf o r e g r o u n do f t h ec o n c r e t em i x e rl a u e ki se x c e p t i o n a l l y o p t i m i s m ，t h e r ei ss o m ew e a k n e s so ft h em i x i n gb l a d ei nf o u n d a t i o nt h e o r i e sw h i e l a b r i n g so nm a n yp r o b l e m s ，s u c ha ss h o r ts e r v i c el i f e ，l o we f f e c to fb l e n d i n ga n d d i s c h a r g e dv e l o c i t y ，b i gv i b r a t i o na n dn o i s e ，h i g hr e m n a n tr a t ea n ds oo n f o rm o s t d o m e s t i ce n t e r p r i s e , t h e i rr , r 9 d u e i n gt e c h n o l o g yi sn o tp e r f e c ta n dk c yt e c h n o l o g yi s m a i n l yd e p e n d e do i li m p o r t i n gf r o ma b r o a d , w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h e m i x i n gm a c h i n e s oi m p r o v i n gt h ed e s i g no ft h em i x i n gb l a d eh a si m p o r t a n tt h e o r y m e a n i n ga n dp h y s i c a la p p l i c a t i o nw o r t h i n e s s a sa ne x a m p l eo f8 5 l pe o n e r c l em i x e rm a c kp r o d u c e db yt h eh e a v ya u t o m o b i l e e o r p o r a t i o r t , t h ed e s i g n , s t a t i ca n a l y s i s 。s t r u c t u r eo p f m a i z a t i o na n dt h c i re x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o no f t h em i x i n gb l a d ea f o c u s e d m a i nw o r kc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 、t h r o u g ht h er e a s e r c ho f m i x i n gm e c h a l l i s l n ，d i s c h a r g e dm e c h a n i s ma n dm i x i n g a s s e m b l y , t h ee q u a t i o no fl o g a r i t h ms p i r a l c u l v ew a si m p r o v e da n dt h ep a r a m e t r i c d e s i g n , m o d e l i n g i m i t a t i o na n da c h i e v e m e n to f t h es p r e a dd r a w i n gw e f ec a r r i e do n 2 、f o r w a r d r e v e r s a lr o t a t i o no v e rd y n a m i ce q u a t i o n so fm i x i n gb l a d e w l ：l e a m e n d e d t h r o u g hs t a t i ca n a l y s i s ，w e a k n e s sl i n kw a sf o u n da n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n d e s i g no f m i x i n gb l a d ew a sm a d e 3 、b a s e do ns i m i l a rt h e o r y , t h ei m p r o v e da n do r i g i n a l m i x i n gb l a d e sw e f e m a n u f a c t u r e dw i t has c a l eo f1 ：4 t h r o u g he o n l a a s t i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , v a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h e o r ym e t h o d k e yw o r d s ：f r e s hc 删t e ：m i x i n gb l a d e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；l v , i x i n gd r l l m ；a n a l y s i s o i lc h a r a e t e r i s t i c s i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着我国国民经济的迅速发展，高速公路建设、城市基础建设、房地产开发 也急剧发展。在以国家“十一五”规划、中西部大开发战略的大背景下，以及北 京申办2 0 0 8 年2 9 届夏季奥运会成功的带动下，加大城市建设成为不变的潮流【”。 建设容量的加大，就意味着混凝土的消费量加大。混凝土已经成为现代社会 文明的基石，越来越发挥着不可替代的作用f 2 j l 伴随着我国政府颁布的终结现场 搅拌混凝土条文的实施，从2 0 0 6 年起，我国2 4 0 多个城市要全面使用商品混凝 土【3 】，作为城市中唯一合理的运输预拌混凝土工具，混凝土搅拌运输车的作用就 显得尤为重要。 图1 18 5 l p 混凝土搅拌运输车 虽然混凝土搅拌车的市场前景异常乐观，但是我国混凝土搅拌车生产的一些 薄弱环节尤其是基础理论方面研究的薄弱却不容忽视【4 1 。本课题针对中国重汽集 团专用汽车公司生产的混凝土搅拌车( 如图1 1 ) 目前还存在着搅拌叶片使用寿命 短、搅拌振动噪声大、搅拌效果和出料速度不理想、出料残余率高等问题和隐患 而立题并开展研究的。并得到国家自然科学基金基于流变学的混凝土搅拌叶片理 论研究、山东省自然科学基金基于流变学的混凝土搅拌车搅拌系统设计理论研究 的资助。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 混凝土搅拌车搅拌系统国内外研究现状 国内方面： 1 9 6 5 年上海华东建筑机械厂引进了我国第一台混凝土搅拌车嗍。我国混凝土 搅拌车的开发生产始于二十世纪八十年代初期，开始基本上是引进散件组装，或 者通过技贸方式引进技术生产与部分零部件引进相结合的生产制造模式。从1 9 8 2 年开始，一些企业相继引进国外的先进生产技术，经过2 0 年的发展，产品国产化 率不断提高，产量也有了很大的提高。在产品系列上，形成了3m 3 、4 订、5m 3 、 6m 3 、8m 3 、1 0m 3 、1 2m 3 等品种，8m 3 以下正在逐渐淘汰，向着l om 3 、1 2 舒甚 至更大容积发展，但整机性能与国外相比还有一定差距嘲。 如今，国内生产企业对混凝土搅拌车的搅拌系统研究主要是引进消化国外的 技术或者仿制国外产品为主，自主开发很少，在理论方面的研究比较匮乏，国内 企业的生产多靠测绘和技术引进，甚至在搅拌叶片的生产安装过程中，局部敲打、 硬性整合现象屡见不鲜m 。虽然国内一些高校也在这一领域进行研究，如武汉理 工大学、西安建筑科技大学等。但他们主要是对搅拌筒进行设计绘制，对于搅拌 叶片设计，数值模拟研究很少。 国外方面： 1 9 世纪4 0 年代出现以蒸汽为动力源的木制多面体拌筒的自落式搅拌机，1 9 世纪8 0 年代用钢铁件代替木板。2 0 世纪初开始改良为圆柱形搅拌筒。1 9 2 6 年美 国生产出搅拌容积为3 m 3 的第一台混凝土搅拌车。早期的搅拌叶片一般都是采用阿 基米德螺旋线，1 9 6 5 年以后日本开始采用对数螺旋线设计制造搅拌叶片，后来又 在此基础上对局部叶片的螺旋角进行了修正，逐渐形成了现在这种梨形拌筒( 前 后部分为圆锥形，中间部分为圆柱形) 一混合螺旋线搅拌叶片的混凝土搅拌车嘲。 2 0 0 0 年，美国的c h r i s t e n s o nr o n a l de 在原来搅拌筒的基础上，在底锥添加辅 助搅拌叶片改进了传统的搅拌叶片；2 0 0 5 年澳大利亚的k i j o u r ia n t h o n yj a m e s 采用两条螺旋钢板焊接作为内筒壁，合成树脂作为外筒壁，改进了传统的三段式 搅拌筒，不过这种搅拌筒制造起来比较困难。近年来，澳大利亚v u l c a n 、美国的 马克西姆等公司推出了超长搅拌筒的前卸式搅拌车，拌筒前锥加长，架在驾驶室 上方，于驾驶室前方出料嗍。成为搅拌车市场快速增长的产品，但搅拌叶片设计 仍然沿承了对数螺旋线叶片设计方法。 青岛理工大学工学硕士学位论文 目前，国外的搅拌设备研究逐渐向着多功能、自动监控、多样化、成套化发 展，如单、双卧轴式搅拌机、振动式搅拌机、强制式搅拌机，多种混凝土搅拌楼 ( 站) 等。搅拌车研究更倾向于上装技术、耐磨材料的研究。 针对国内外现状，本文改变传统的搅拌叶片母线所采用的螺旋线方程，使搅 拌叶片和搅拌筒之间的连接方式和安装参数得到了改善，提出了用有限元软件对 搅拌叶片进行数值模拟和参数优化。试验验证了理论方法的可行性。 1 3 本课题研究的目的和意义 1 、研究目的 通过对搅拌叶片的设计分析，找出搅拌叶片的薄弱环节，对搅拌叶片进行改 进，延长搅拌叶片的使用寿命、提高出料速度、降低出料残余率、降低生产成本， 达到更好的搅拌出料效果。 2 、研究意义 一辆混凝土搅拌车的售价在4 0 。8 0 万之间，其中一个混凝土搅拌系统造价 大约1 0 万元。平均使用3 年左右即告报废“”。而混凝土搅拌输送车的搅拌和卸料 作用是由搅拌装置搅拌简完成的，搅拌叶片更是关键中的关键，搅拌叶片的性 能好坏直接决定搅拌运输车的性能，进而影响着基础建设的质量“”。因此研究搅 拌出料过程叶片的磨损、提高搅拌叶片使用寿命、提高叶片的搅拌质量具有重要 的的经济效益和社会效益。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 本文研究内容及方法 本文主要研究过程见图1 2 ： 图1 2 课题研究流程图 由图1 2 可以看出，本文需要完成的主要工作有： 1 、叶片参数化设计：通过对8 5 l p 型搅拌车搅拌总成的研究并结合前人的经 验，找出搅拌叶片在前锥、中圆和后锥部分分别采用何种形式的螺旋线。确定搅 拌叶片的螺旋角、安装角。安照行业标准j g t s 0 9 4 1 9 9 7 对搅拌系统进行建模仿真， 编制拌筒和搅拌叶片的三维生成程序，并进行二维工程图、螺旋叶片和螺旋轨迹 平面展开图的绘制，为下一步的分析和实践生产做准备； 2 、叶片静态分析：利用有限元软件对搅拌叶片在正转和反转两种工况下的强 度进行计算，对计算结果分析得出结构强度薄弱环节： 3 、结构优化：针对应力分析中的薄弱环节，以搅拌叶片厚度为设计变量，各段 叶片应力为约束变量，最大应力为目标函数，对叶片进行优化； 4 、根据相似原理，采用l ：4 的比例制作搅拌系统模型，对两套叶片在不同搅 拌条件下的搅拌性能进行对比分析，验证理论方法的可行性： 5 、总结各种因素对搅拌叶片工作性能的影响并提出改进设想。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章搅拌系统参数化设计 2 1 对数螺旋叶片的理论研究 2 1 1 物料在螺旋叶片上的搅拌出料机理 1 、斜面倾角a 和物料下滑角v 性质一定的物料，在性质( 主要是粗糙度) 一定的倾斜平板上，由于自身重力 在斜面方向的分力刚够克服平板对物料的摩擦力和粘附力而开始向下滑动。平板 的倾斜角为a ，该种物料对于该种平板的下滑角用v 表示。物料沿斜面下滑的条 件是：a v 。 物料下滑角是确定叶片螺旋角的主要依据之一。当混凝土性质( 坍落度) 不同 时，其下滑角的大小也不同。图2 1 是混凝土下滑角、l ，与坍落度s 关系曲线图“。 r 图2 1v s 关系曲线图图2 2 斜面及最大倾斜面s 方向 由曲线图可知，混凝土的坍落度越小( s 5c m 的混凝土为干硬性混凝土) ， 下滑角就越大。 2 、斜面的最大倾斜线s 斜面上物料的下滑方向是沿斜面的最大倾斜线s 的方向。如图2 2 所示，即 斜面上对水平面h 的最大倾斜线为a c 。 由图2 2 可得： s i n a = s i n a t c o s y , = s i n a c o s t 月 ( 2 一1 ) 又因为t = 丫，+ 丫。，所以c o s y 。= c o s ( y h ) = c o s tc o s y ，+ s i n 7s t a y ， 5 三 青岛理工大学工学硕士学位论文 代入上式得：t a n 7 。= ( s i n c c 。s i n a , - c o s y ) s i n ? ( 2 2 ) 同理：t a n 7 。= ( s i n c e , s i n c c 。- c o s l , ) s i n y ( 2 3 ) 3 、物料沿筒壁螺旋进行有效下滑出料的条件 先从最简单的情况来定性的分析物料沿叶片和筒壁进行有效出料，叶片必须 具备的几何角度如图2 3 所示“” 出料方向 图2 3 平置圆柱正螺旋面叶片 设在平置圆柱形简体内壁的正螺旋叶片上，面积元a 的对地最大倾斜线用s 表 示；螺旋线的切线用f 表示；螺旋面的母线用1 3 表示。s 、f 、n 线的对地倾角分别 用口、a 。表示。 1 ) 当拌筒转角+ = o 。时，面积元a 处于拌筒最低位置1 。q = o ，o r 。= 9 0 ，s 线 与n 线重合。s 线垂直指向筒壁，物料积在筒壁处。 2 ) 当拌筒转到o 庐 1 5 f ，物料也将顺着筒壁沿f 线方向下滑出料。但当 卢 1 1 f ，时，物料不能下滑而被叶片带着继续上升。( 卢为叶片螺旋角) 4 ) 当拌筒转到9 0 。 o ；圆柱o = o ；后锥o 9 0 。的情况下，物料将沿s 线方向下滑，指向离开筒壁，出料无效。 开线倾角伍。的表达式： s i n = 。= c o s u c o s 8c o s 巾- s i n u s i n 8 = ( c o s 4 ) - t g u t 炉) c o s u c o s 8 ( 2 7 ) 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 t 线与拧线夹角t 的表达式：c o s = c o s ps i n ( u + o ) 当s 线与t 线重合时：s i n a 。s i n a , 。= c o s y ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 将( 2 4 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式代入( 2 9 ) 式整理后得：p c o s p 一置：q 1 厅硒 式中： p = - s i n ( u + 0 ) s i n 0 c o s 2p + c o s “ c o s 5 q = j 1s 嘶+ o ) s i n 2 p c o s 6 r = - s i n ( u + o ) c o s 2c o s o + s i n “ s i n 8 揣谚：型萼乒 ( 2 - 1 0 ) 式中巾“为搅拌筒的最大有效转角。“一”根为增根舍去。将十”代入( 2 4 ) 式得：s i n 。= 培ps i n e 材+ s i n oc o s , ”- c o s o t 9 6 ) c o s p c o s 6 ( 2 1 1 ) 将由“代入( 2 7 ) 式得： s i n a 。”= ( c o s 巾”一t g u t 9 6 ) c o s u c o s 8 ( 2 1 2 ) 根据以上公式，已知0 、6 、甜值， 选取不同的b 值，便可求得对应的临 界值q 。当丫f o 时，计算得q 一有 效，为临界点。当扎 o ，于是得到条件式 o a r c t g f ( 2 1 3 ) 式中：f - 驱动力，可在叶片表面分解为互= f t 孵和县= s a ( 2 - 1 4 ) e 一混凝土与叶片表面问的摩擦力： f 为混凝土对钢的摩擦系数； 对于普通的塑性混凝土，若取f = o 6 2 ，则a 3 6 0 。 混凝土搅拌车工作时，叶片的前面将形成密实的核 心，混合料沿着密实核心的侧棱运动，如图2 8 所示。 图中a b 、b c 为密实核心侧棱；o r , 为叶片的安装角；1 ， 为密实核心侧棱与筒壁间的夹角。由于a b 和b c 两侧棱 间的夹角1 5 0 0 一2 r 为混合料稳定堆放的安息角，它 一般为3 0 0 6 0 0 ，所以1 ，鹋0 0 5 2 0 。 b 叶片的横向搅拌速度系数就是o f , 0 0 时密实核心的截面积与a = 0 。时密实核心 最大面积之比 = 怼即- 1 _ 筹 叶片的轴向搅拌速度系数就是密实核心两侧棱在搅拌轴上的投影差与叶片在 筒壁上投影之比 = 警眠= 导 ( 2 1 回 为了兼顾混合料在横向和轴向都有较大的运动速度，叶片的安装角应使总的搅拌 速度系数6 具有最大值。总搅拌速度系数6 为： 6 l - = ( 卜筹) 孑 ( 2 1 7 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 令6 c a ，= o ，得到a 。c q ，= 堑：i ；专i 耋等= 。 即s 缸2 yl s 近2 a f t + c o s 20 ) = o 当，= 8 0 0 5 2 。时，得到a = 3 6 0 7 6 0 2 2 螺旋线和螺旋叶片的设计建模 f 2 一i s ) ( 2 - 1 外 2 2 1 非等变角对数螺旋线的构建 1 、非等变角对数螺旋线的构建 对于圆锥螺旋线叶片设计总是假想一个计算锥，这种计算锥主要是为了计算 的方便而引入的，即假想存在一个锥面平行于搅拌筒锥面，且螺旋面与之交线上 的所有螺旋角均相等，这个假想的圆锥面就叫计算锥“”。计算锥的引入虽然方便 了计算，但在实际生产制造中，却不是那么方便。在这里，由于搅拌的需要，我 们为了获得螺旋角是时变的螺旋面叶片，直接采用搅拌筒的锥面作为设计锥面， 采用非等角对数螺旋线作为搅拌叶片的设计母线，其性能更加优越，而且在实际 生产时也便于划线和确定准确位置。 1 ) 对数螺旋线方程 搅拌叶片在前锥和后锥部分采用的是对数螺旋线如图2 9 所示，其方程为： i 并= p s i a o c o s # , y = p s h l o s i m k ( 2 - 2 0 ) i z = p c o s 8 面0 其中p ：p 。e 面砷0 为半锥角，+ 为螺旋转角，1 3 为螺旋角，p 为极径，p o 为初 始极径。利用参数t ，其默认变化范围o 1 。将公式( 2 2 0 ) 中的变量写成t 的 函数，当1 3 是一定值时，螺旋线为等角对数( 圆锥) 螺旋线；当1 3 是一个变量时， 该螺旋线即为非等角对数螺旋线，则1 3 可以表示为： p = p o + c 6 ( 2 - 2 1 ) 其中1 3 。为初始螺旋角，c 为系数，6 为变化函数，可采用多种函数规律。可以 看出等角对数螺旋线是非等角对数螺旋线的一个特例。 2 ) 对数螺旋线的绘制 青岛理工大学工学硕士学位论文 我们以重汽集团8 5 l p 混凝土搅拌车的搅拌系统为设计基础，根据以上对搅 拌出料机理和螺旋角的分析结合各个搅拌参数问的相互作用对螺旋线进行改进设 计。螺旋线设计规律及参数如表2 1 所示。 袭2 - 1 螺旋线设计规律与参数 方案 后锥 中圆前锥 螺旋线规律螺旋角表达等角圆柱螺旋角表螺旋线规螺旋角表达式 式螺旋线达式 律 新非等变角对 b = 8 1 3 6 等角螺旋 d = 6 8 非等变角 6 = 8 5 9 7 - 方案数螺旋线线对数螺旋 1 5 7 8 5 6 9 3 6 线 新等变角对数 6 = 8 1 3 6 等角螺旋 6 = 6 8 等变角对 p = 8 5 9 7 - 方案螺旋线线数螺旋线 5 7 8 t6 9 3 t 底部与中圆等角圆柱顶部与中 原设接口处为离 d = 7 6 1 螺旋线 b = 6 7 7 圆接口处 p = 7 9 0 4 计散点，中间为为离散点， 等角对数螺中间为等 旋线。 角对数螺 旋线。 其中5 = ( 1 一c o s ( 三功( o g 1 ) ，我们称之为逆余弦函数。 根据螺旋线方程编制前锥对数螺旋线的u g 绘制程序： t = o n = l o 9 * t * p i0 1 = 1 5 8 9f s l 3 6 x t = 一r , s i n ( 1 ) * c o s ( n 3 6 0 ( 2 * p i ( ) ) z t = r # c o s ( 1 ) y t l = r * s i n ( 1 ) * s i n ( n * 3 6 0 ( 2 * p i 0 ) ) 同样可给出后锥对数螺旋线的u g 绘制程序。 x r 0 = 3 2 9 1 1 3 r = r o * e x p ( s i n ( 1 ) t a n ( m ) 半n ) y t = - r * s i n ( 1 ) * s i n ( n 3 6 0 ( 2 * p i 0 ) ) x t l = r * s i n ( 1 ) * c o s ( n 3 6 0 ( 2 * p i0 ) ) z t l = r * c o s ( 1 ) 图2 9 非等变角对数螺旋线 图2 1 0 中圆等角对数螺旋线 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 0 所示的圆柱对数螺旋线方程为： fx = r s i n # y = r c o s p i z = r t 咏p 式中：盖一圆柱半径 一螺旋转角 b 一螺旋角 基于以上表达式，用u g 给出了图2 1 1 所示的螺旋线。 ( 2 - 2 2 ) 剀2 1 1 非等变角对数螺旋线 同理可以构建等角和等变角对数螺旋线，图2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 分别是采用设 计方案l 、设计方案2 和原设计方案设计而成的对数螺旋线： 霎鏊 图2 1 2 等角对数螺旋线正视图和右视图 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 3 等变角对数螺旋线正视图和右视图 图2 1 4 非等变角对数螺旋线正视图和右视图 图中标记a 、b 为三段螺旋线的接合处，从中可以看出等变角对数螺旋线与圆柱螺 旋线拟合的效果比等角对数螺旋线光顺，而非等变角对数螺旋线的拟合效果最为 光顺，而且螺旋角是变化的，可见设计方案1 很好的满足了搅拌和进出料的设计 要求。 2 、非等变角对数螺旋线的拟和 混凝土搅拌运输车由前锥、后锥、中圆三部分组成，相应的螺旋线也分为三 段，对螺旋线进行曲率分析，如图2 1 5 所示。从图中可以看出螺旋线在段与段连 接处曲率相差较大，严重影响螺旋线的光顺性，从而影响搅拌叶片的性能。通过 u g 软件的曲线拟和功能，在过渡处对曲线进行拟和，拟和后的螺旋线曲率如图2 1 6 所示，可以看出螺旋线在各段的交界处的曲率有了很大的改善，使生成的螺旋曲 线更加光滑平顺，从而改善搅拌叶片的性能。 1 6 羹蓦 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 5 拟和前螺旋线的曲率分布图 图2 1 6 拟和后螺旋线的曲率分布图 2 2 2 螺旋叶片设计建模 我国设计制造的搅拌运输车拌筒叶片常用的螺旋面为斜圆锥对数螺旋面， 按划分工能区段的原则，在搅拌筒的不同工作区段分别选用合适的螺旋升角，以 达到比较理想的工作性能。下面简要叙述斜圆锥对数螺旋面性质。 图2 1 7 空间曲线图2 1 88 5 l p 型搅拌车 如图2 1 7 ，空间曲线r 与x 轴的夹角w 恒为常数，其一端位于外锥对数螺旋线上， 坐标为m y ，z ) ，取空间曲线，上任一点m “，乃，五) ，设舰= d ，它在投影面 f o z 上的投影为d s i n w ，且该投影与】r 轴夹角亦为，则点4 ，的空间曲线方程可 表示为： x = 风吲嚣娴础 y = p 0 妯p 鲫妒 ( z - 2 3 ) z = 岛唰嚣娴出口如多 点m 的空间曲线方程可表示为： 青岛理工大学工学硕土学位论文 生玉：c o sj h ， d ! = 苎：c o s 由 d s i n l ， 孚= 如+ d s l n w ( 2 - 2 5 ) 又因为曲线r 的端点肘似弘力在外锥对数螺旋线上，又与x 轴夹角h ，保持恒 值，就形成了斜圆锥对数螺旋面。将式( 2 2 3 ) 带入式( 2 2 5 ) 得： 而= p 0 e x p ( s f g i n i ，o 。巾) c o s 。一d c o s w m = p 0 吲詈如0 - d s i n w 卜 z 。， 毛_ p 。川s 血。础访w 卜 ( 2 2 6 ) 式即为斜圆锥对数螺旋面方程，在以上公式中： 0 一圆锥顶角一半； b 一圆锥对数螺旋线的切线与圆锥母线的夹角； p 。一圆锥对数螺旋线初始极径； 一螺旋转角 由公式( 2 2 6 ) 可以看出，当圆锥顶角0 确定之后，螺旋面的形状则取决于螺 旋角p 和空间曲线与x 轴的夹角w 。螺旋角p 和安装角w 在上面已经分析。根据上 述分析，重汽集团8 5 l p 混凝土搅拌车的搅拌叶片与筒壁垂直安装，显然不能很好 的满足搅拌和出料，参照图2 1 8 ，结合对安装角的定性分析确定叶片各项参数如 表2 2 所示。 表2 - 2 搅拌叶片设计参数 名 p ( o )o ( o ) 由 “( o )b ( m m ) 称 前 8 1 3 6 - 5 7 8 5 ( f )1 5 8 9 1 0 一饨 9 05 0 0 锥 9 中 6 8o 1 9 一霄 7 4 1 15 0 0 圈 1 8 后 8 5 9 7 6 9 3 8 ( r )1 9 7 6 7 一兀 7 4 1 l5 0 0 专3 0 0 锥 2 w = 雠丑_ g d d d 一 一 一 x y ： = = | i 薯m 毛 ，、l 青岛理工大学工学硕士学位论文 按照上面所确定的安装角，其中叶片厚度取5 咖，前锥和中圆采用1 ：1 比例， 后锥采用5 ：3 比例进行叶片实体建模，建立如图2 1 9 所示的叶片三维模型。 图2 1 9 搅拌叶片实体模型 图2 2 0 搅拌筒图 2 3 搅拌系统的运动仿真 2 3 1 搅拌系统的建模与仿真 根据中华人民共和国建筑工业行业标准j g t 5 0 9 4 - 1 9 9 7 混凝土搅拌运输车 嘲，搅拌筒的斜置角6 的取值可参照下表2 - 3 所示： 表2 _ 3 搅拌筒的斜置角a 公称搅拌容量( m )搅拌倾斜角6 ( o ) 拌筒最大转速( r m i n ) 1 0 。( 1 5 ) ，2 0 ，( 2 5 )1 8 2 0 3 0 ，( 4 o ) ，4 5 ，( 5 o ) ，6 01 6 1 81 4 1 8 ( 7 0 ) ，8 o ，( 9 o ) ，l o 0 ，1 2 01 0 1 5 由于运输车必须保证在坡度1 4 的路面上行驶且出料口面对下坡方向时不产 生外溢，故在计算搅拌筒的额定装载容量时取混凝土与搅拌轴线的夹角 6 0 = 6 + a r c t a n ( o 1 4 ) z 6 + 8 ( 2 2 7 ) 如图2 2 0 所示，搅拌筒目前一般采用梨形，底部( 称为后锥) 是较短的锥形， 中部是圆柱形，上部( 前锥) 是较长的锥形，研究发现：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，对合理分配运载底盘前后桥负荷，提高搅拌输送车的装载能力是有利的 嘲。因此，设计时后锥加上球冠的长度基本等于中圆的半径。设前锥长为厶，中 圆柱长为厶，后锥长为厶，中圆半径r ，则根据交通法规的要求搅拌筒的最大半 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 径r 1 2 5 m 。 厶= c l r 厶= c 2 ， q 取值范围1 4 1 8 ： c 2 取值范围0 8 0 9 7 ； r 2 为进料口半径，取值范围2 5 0 3 1 0 r a m ： 中圆的长度要结合搅拌筒的额定容积确定； 前锥角b 取值范围1 4 2 4 1 6 1 。； 后锥角岛取值范围j 罗2 矿； ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 图2 2 1 搅拌筒三维实体模型图2 2 2 搅拌筒三维实体装配模型 根据以上原则设计搅拌系统如图2 2 1 所示，并在理论研究的基础上，初步对 设计的搅拌系统进行了运动仿真，图2 2 2 为叶片与筒总成装配模型。 2 3 2 搅拌系统二维工程图的绘制 u g 工程制图模块可以得到与三维实体模型协调一致的二维工程图。嘲当三维 实体模型改变时，二维工程图尺寸会同步自动生成，能够避免传统的二维工程图 集中尺寸矛盾、丢线条等常见错误，保证二维工程图的正确无误。 目前的工程应用中，二维工程图是必不可少的，作为重要的技术文档资料， 二维工程图必须符合一定的规范与标准。u g 软件虽然支持工业上颁布的主要制图 标准，但对国际的支持很有限。本文通过对u g 系统两个工程制图环境文件 u ge n v d a t 和u gm e t r i c d e f 的直接配置，可以分别利用u g _ e n v d a t 文件和 u gm e t r i c d e f 文件配置u g 启动时的环境变量和公制环境下的用户工作环境参数 2 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 设置，使生成的二维工程图符合国家标准。图2 2 3 为由a f c v 搅拌筒三维实体模 型直接转化成的二维工程图。 图2 2 3 搅拌简二维平面图 2 4 搅拌系统绘制程序设计和展开图的实现 2 4 1 搅拌系统参数化绘制程序设计 1 、u g 菜单的开发 u g 的具体开发过程一般包括用户菜单的开发、对话框的开发和编写程序三个 部分。用户菜单是通过u g 加载菜单描述文件来实现的，对u g 进行二次开发时，首 先需要在用户工作盘上( 如f 盘) 建立一个名为f ：u s e r 的文件夹，在该文件夹中分 别建立s t a r t u p 和a p p l i c a t i o n 两个子文件夹，用于存放具体的开发内容，然后设 置开发环境变量：用记事本打开u g 安装目录下的u g i i u g i i _ e n v d a t 文件，将语句 “# u g i iu s e r _ d i r - $ h o m e 中的“$ h o m e ”改为“f ：u s e r ”，并删除语句前的字 符“荐”以激活该条语句阍。菜单文件存放在u s e r s t a r t u p 文件夹当中，文件的扩 展名为m e n 。菜单描述文件的生成方法比较多，可以使用u g 为用户提供的界面开发 工具u g m e n u s c r i p t ，u g o i s t y l e r 或u s e rt o o ld e f i n e ，也可以直接通过文本编 辑器生成嘲。本文采用文本编辑器直接生成菜单描述文件，菜单文件名为y s x m e n ， 将其放在文件夹f ：u s e r s t a r t u p 中。菜单文件y s x m e n 程序代码为： v e r s i o n1 2 0 e d i tu gg a t e w a ym a i n 娅n u b a r 2 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 b e f o r eu g _ h e l p c a s c a d e _ b u t t o nj 1 j g d e s i g n l a b e l 水泥罐车拌筒设计 e n d o f b e f o r e m e n uj u g d e s i g n 图2 2 4 菜单效果图 l a b e l 拌筒、螺旋线和搅拌叶片设置 a c t i o n sc u r v e g r x e n d o f m e n u 启动u g 时，系统会自动加载菜单描述文件 y s x m e n 。在主菜单中产生用户菜单项“水泥罐车拌筒 设计”，点击该项后会出现“拌筒、螺旋线和搅拌叶片 设置”选项，如图2 2 4 所示。选择“拌筒、螺旋线和 搅拌叶片设置”选项系统将会调用拌筒、螺旋线和搅 拌叶片绘制程序c u r v e g r x 进行搅拌叶片曲面绘制。 2 、搅拌筒、螺旋线和搅拌叶片参数化设计的g r i p 程序 g r i