电控混凝土搅拌运输车设计与试验研究论文.pdf

摘要 电控混凝土搅拌运输车与传统混凝土搅拌运输车相比，具有低速恒转速运输，拌 筒转速不受发动机转速影响的特点。因此，运输混凝土强度高，坍落度损失小；同时 由于系统压力波动小，拌筒转速低、运输效率高；因此，具有元件磨损小、寿命长等 优点，是今后混凝土搅拌运输车的发展方向。 本文对电控混凝土搅拌运输车的工作原理进行了分析，确立了采用五十铃手动油 门底盘上进行安装电控系统的整体方案；完成了整个搅拌运输车的关键工作部件搅拌 筒及其螺旋叶片的设计计算；分析和设计了电控搅拌车的工作液压系统和电液比例控 制系统；分析和设计了与液压比例控制系统相适应的电控系统；分析了混凝土搅拌运 输车搅拌筒的转速和混凝土匀质性的关系，阐述了恒速运输对保证混凝土匀质性的重 要意义；建立了控制系统的数学模型，得出了液压控制系统在控制过程中运动特性和 动态特性的变化规律。完成了电控搅拌运输车和普通混凝土搅拌运输车的系统压力以 及混凝土性质的对比，试验数据有力地证明了匀速控制系统的明显优势。 关键词：混凝土搅拌运输车恒速控制液压系统电控系统 数学模型 a b s t r a c t e l e c t r i cc o n t r o lc o n c r e t em i x e rt r u c k ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n c r e t e m i x e rt r u c k ，b r i n ga d v a n t a g e so fc o n s t a n tr o t a t i o ns p e e d ，r o t a t i o ns p e e do f m i x e rd r u mn o t c h a n g e db yc h a s s i se n g i n e s o ，t h ei n t e n s i t yo fc o n c r e t e c o n v e y e di sm o r eg r e a t l y ，l o s so fl a n d s li pd e g r e ei sl e s s ：s y s t e m p r e s s u r e f l u c t u a t el i t t l ea n dr o t a t i o ns p e e do fm i x e rd r u mi ss l o wa n dt h es u mo f r o t a t i o no ft h ed r u mi s f e w ，s ot h o s ec o m p o n e n t si nt h em i x e rt r u c kh a v ea l e s sw e a ra n dal o n g e r1 i f e i tb e c o m e sc u r r e n tt r e n do fc o n c r e t em i x e rt r u c k i nt h i sp a p e r ，a f t e ra n a l y z i n gw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h em i x e rt r u c k a p r o g r a mi se s t a b li s h e dt h a tae l e c t r o n i cs y s t e mi si n s t a ll e di nac x z 8 1 k c l a s s i sf o rm i x e rt r u c kf r o mj a p a n ，c o n t r o lo fg a si nt h ec l a s s i si sm e c h a n i c a l c o n t r 0 1 a c c o m p l i s h i n gd e s i g na n dc a l c u l a t i n go fh e l i xb l a d ea n dt h ed r u m ， t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h em ix e rt r u c k ，a n a l y z i n ga n dd e s i g n i n go ft h e w o r k i n gh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o nc o n t r o ls y s t e m a n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，r e s e a r c h i n gt 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 d a n dh o m o g e n e o u sq u a l i t yo fc o n c r e t e i t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i i ta n di n t h em e a n t i m e ，f i n i s h e dl o t so ft e s ti nt h ef i e l d ，t h er e s u l t so ft e s tv e r i f l 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 dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：c o n c r e t em i x e rt r u c k ，c o n s t a n tr o t a t i o ns p e e dc o n t r o l ，h y d r a u l i c s y s t e m ，e l e c t r i cs y s t e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 论支匏钏住声曰月 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 矽7 年歹月z e t 论吏知识产仅仅属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 彬氟 瑚孚，形 日 用一 己 ， 月 月 年 佯 砰7 1 1 1 商品混凝土的概念 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 。1 商品混凝土 商品混凝土就是按用户的要求，将集中搅拌的新鲜混凝土作为商品销售给用户， 并按规定的时间内生产、运输到一定范围内的施工作业区进行浇筑的预拌混凝土。其 生产场所一般称为商品混凝土或预拌混凝土工厂( 供应站、公司) 。一个商品混凝土 工厂可以分别对数个用户和施工作业区供应不同的预拌混凝土。 1 1 2 商品混凝土的运输及其机械 混凝土的商品化，要求许多施工工地所需的混凝土，都由专业化的混凝土工厂或 大型混凝土搅拌站集中生产供应，形成以混凝土制备地点为中心的供应网。因而，把 混凝土从厂站输送到各个需要工地之间的距离相应加长，有些供应点甚至很远。当混 凝土运送距离( 或运送时间) 超过某一限度时，仍然使用一般的运输机械( 翻斗车或 自卸车) 进行运输，混凝土就可能在运送途中发生离析，甚至初凝等现象，严重影响 混凝土质量，这是施工所不允许的。因此，为适应商品混凝土的输送，发展了一种混 凝土专用运输机械混凝土搅拌运输车。 1 2 混凝土搅拌运输车的发展 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) ，随着混凝土生产的需要，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，其拌筒为多面体形状的木制结构，2 0 世纪 处，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r 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 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 年代彳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 年代术才开始推广使用。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8 0 年代初从同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。它可根据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，利用瑞典v o l v o f m l 2f l 6 型底 盘，液压传动系统均采用德国力世乐a 4 v t g 7 1 、a 4 v t g 9 0 油泵和z f 公司z f p l m 7 、 z f p l m 9 三合一变速箱。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r 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罩巴施维波姆股份有限公司合作生产4 15 m 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1 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i 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、 2 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 6 年已达到了7 0 0 0 多辆。 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 同起禁止在城区 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一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 1 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。 1 3 课题提出及意义 我国混凝土搅拌运输车的制造己走过了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 t 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! 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 m i n ，且搅拌筒按规定连 续运转不大于3 0 0 转；搅拌车行驶时最高车速不得超过5 0 k m h ，对混凝土的匀质性 也提出了明确要求。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。 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，凋整液压泵的输出流量达到恒定值；力世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。 3 我国是水泥生产大国，产量居世界第一，水泥混凝土是当今最大宗的建筑材料。 随着公路交通事业的快速发展，我国己成为沥青混凝土生产大国。在多年来积累的基 础上，开展本课题的研究，实现搅拌运输车的电液控制有着良好的经济效益和应用前 景。 基于上述原因，本文提出了研发我国一种电液控制的混凝土搅拌运输车这一课 题。 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，该技术一直进展缓慢。 电液控制混凝土搅拌车的研究丌发，主要通过更合理的拌筒结构和叶片设计以及 拌筒的恒速控制来提高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， 同时改善混凝土运输车使用的经济性和环保性，目前只有从这两方面入手，才能提高 混凝土搅拌运输车的技术水平。 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其相适应，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。 本文所设计的就是一种拌筒转速可以自动控制的混凝土搅拌运输车。基于以上分 析，确定了本文的研究内容如下： 1 从研究搅拌简的工作原理及其与混合料问相互作用的关系出发，得出混凝土 运输过程中物料的运动规律，从而确定搅拌筒的外形结构和叶片角度。 2 从混凝土匀质性和搅拌转速的关系入手，确定恒速控制的理论基础和现实意 义。 3 从提高搅拌车的操作和控制的方便性，确定与液压系统相适应的电控系统方 案，完成系统设计。 4 对电控混凝土搅拌车的液压系统进行设计与动态性能分析。 4 5 开展试验工作，测试样机的工作性能。经过现场试验，对不同性质的混凝土， 在不同工况下对比试验，通过混凝土的坍落度、运输距离、混凝土的匀质性、混凝土 的强度分析，得出相关结论。 本文研制丌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。 第二章电控混凝土搅拌运输车的结构和工作原理 21 电控混凝土搅拌运输车的组成 该混凝土搅拌运输车由：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 为e t 本五十铃c x z 8 1 k 专用汽车底盘，发动机带有全功率取力器，是搅拌筒的动力 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 盘大粱上。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包括 减速机、液压马达、液压泵、管路及油箱等，电气系统是与液压系统相配套的控制部 分，水路系统是用柬整车清洗的。整体结构如图2 - 1 所示。 侧i 、k ：二i ”一 蹰 1 汽车底盘；2 传动系统3 前台架：4 供水系统：5 搅拌筒； 6 后台架：7 操纵系统；8 进山料装置；9 人梯 图2 - 1 电控混凝土搅拌运输车的整体结构 22 电控混凝土搅拌运输车的技术参数 表2 - 1 混凝土搅拌运输车的主要技术参数 嘶 盛，嗣西 孽_遁 最人搅动容量( m 3 ) 8 最人搅拌容鼙( m 3 ) 6 倾斜角( 。) 1 5 转动速度( r m i n ) 0 1 4 ( 从7 f 后往前看) 顺时针进料，逆时针出料 叶片舣螺旋对数叶片 出料能力转动方向坍落度为5c m 时， lm 3 m i n 进出料 料斗( 长x 宽n r a )9 5 0 1 0 0 0 主料槽长度( m m ) 1 6 0 0 装置 延长槽长度( m m ) 7 8 0 供水系统电动水泵型号 w p 2 4 1 8 0 8 1 2 液压传 油泵 t m p 8 9 马达t m m8 9 动系统 减速箱 t m g 6 1 2 发动机型号 1 0 p e l 额定功率( k w ) 百公里油耗( 限定条f ，l ：) ( l )2 3 2 2 5 底盘 底盘删号 c x z 8 l k 最人行驶速度( k m h ) 8 9 外形尺寸长宽高( m m ) 8 2 7 5 x 2 4 9 0 3 7 8 6 质量 整车装备质鼙( k g ) 1 2 0 0 0 最人装载质量( k g ) 1 7 0 0 0 参数 整车总质量( k g ) 2 9 0 0 0 2 3 搅拌运输车的设计及工作原理 2 3 1 搅拌简的工作原理和工作过程 搅拌运输车的搅拌筒，是依靠回转的筒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 是通过搅拌筒轴线的垂直剖面示意图。图( a ) 、( b ) 分 别为被剖搅拌筒的两种状态，图中斜线表示螺旋叶片，q 为其螺旋升角，1 3 为搅拌筒 轴线与底盘平面的央角。 工作时，搅拌筒绕其自身螺旋线转动，混凝土因其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，在其自重g 作用下， 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，使混凝土一直被推移到螺旋叶片的终端。 如果搅拌筒是作图2 2 ( a ) 所示方向的“f 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，这样 7 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。 ( a ) 正转( b ) 反转 图2 - 2 搅拌筒工作原理 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6 l o r m i n 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 2 r r a i n 的转速下“j 下向”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，只需搅拌简在运途中作1 - 3 r m i n 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，并使使之获得6 1 2 r m i n 的“反转转速。混凝土在叶 l 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， 有“切向d 又有“轴向”的复合运动， 带动螺旋叶片产生螺旋运动，使混凝土获得既 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， 搅拌简的转速和运动方向等，都是决定搅拌筒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 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，并且在搅拌筒不同位置可以设计成不同的螺旋角，分 别满足混凝土白j 搅拌和出料对螺旋角的不同要求。搅拌简设计的基本要求是： 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； 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 包括搅拌简的壳体的几何容积设计两部分内容，外形控制尺寸( 最大直径和长 度) 的确定和搅拌筒内螺旋叶片曲线参数的选择。， ( 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：v j 0 5 0 6 5 ( 2 一1 ) 式中：v 对预拌混凝土，此值为预拌混凝土的设计额定装载容积；对混凝 土干拌合料，此值为干料的最大装载容积； v 厂一搅拌筒的几何容积。 混凝土的出料系数f = o 6 5 ，所以搅拌运输干料或预秤混臌土具买际廷载质量是不 同的，必须依据搅拌运输车的工作制度，在底盘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， 两边逐渐收缩。小容量的搅拌简壳体，通常仅用两个不对称的截圆锥体对接而成，而 9 较大的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 免搅拌筒中部尺寸过大。 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简斜置角度，是搅拌简壳体设 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。目自订一般搅拌筒的轴线与底盘 平面的斜置角在1 0 , - - 2 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。如大容量搅拌筒又 采用半拖挂式专用底盘，此角可减小到1 0 。 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对应，f 相差无几，通常控制在1 5 - - - - 2 0 。之间，在设计 搅拌筒的主要控制尺寸时作为参考。例如，对装载容量小的搅拌筒，为适应小吨位底 盘的有限长度，搅拌筒的斜置角通常都选择的较大，因而配合选择较大的锥顶角，这 样可使搅拌筒的长度减小。 ( 4 ) 搅拌筒中部的最大直径 搅拌运输车梨形搅拌筒的壳体各部分的尺寸比例和形状，是一直在研究的问题。 据有关实验资料认为：梨形搅拌筒壳体以中部具有较大直径，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f i 移：对合理分配运载底盘前后桥荷，提高搅拌运输车的装载能力 有利。但是我们知道，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萤，因此在确定这一最大直径时，必须综合考虑上述因素。据统 1 0 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 米左右，小容量的搅拌筒可略小。 图2 3 搅拌筒结构 ( 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，锥顶角，斜置角 等几何参数用计算或绘图方法求得，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 搅拌筒的筒口直径关系着对混凝土的吞吐速度，应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是考虑配套使用的混凝土泵等些现场输送 浇灌机械的生产效率或自身的生产等因素而制定的。而搅拌筒的实际卸料速度又取决 于搅拌筒的反转速度和混凝土的坍落度。在正常条件下，搅拌筒反转速度愈高，混凝 土坍落度愈大，则卸出速度愈快。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 c m 时，卸料速度可控制在9 0 1 8 0 秒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 0 秒m 3 。 根据以上要求，设计搅拌筒结构如图2 3 。 2 螺旋叶片的曲线形式和参数 由前述原理可知，搅拌运输车的搅拌筒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。下面就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| 日j 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 - 2 ，图中1 3 1 角即叶片曲线围绕搅拌筒轴心的螺旋升角，现在讨论，当叶 片曲线的螺旋升角大小不同时，对混凝土在搅拌筒中的运动状态的影响。 当q 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。 随着角的逐渐q 增大，混凝土沿搅拌筒轴线方向的运动分量逐渐提高，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c t 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q 角趋于9 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。 从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a 角较大和较小时，叶片的工作性 能都较差，甚至没有搅拌和卸料工作能力，那么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。实验结果表明：一般搅拌筒的斜置角 b = 1 6 2 0 。对于搅拌工作，一般可使叶片曲线的螺旋升角c t = 3 0 。；对于卸料工 作，则需视混凝土的性质而定，一般使q 3 0 。，对于坍落度低于5 厘米的干硬性混 凝土，甚至q 1 57 。 f 搅拌和卸料性能，对叶片曲线的蠓旋升角要求的这一差别是一个矛盾，如何在同 一叶片上，既作到结构参数的区别对待，又作到在工作性能的统一，需进一步研究解 决。如果仔细观察搅拌筒的工作过程可以发现，虽然搅拌筒中的螺旋叶片在工作时沿 整个长度上都对混；疑土起到推动和引导作用，从而产生搅拌和卸料效果，但在不同工 作部位其工作性质则各有侧重。因此可根据工作情况将整个搅拌筒大致划分两个区 段，上部锥体如长颈部分为卸料引导区段，这早的锥形简体和螺旋叶片主要在搅拌筒 反转时引导混凝土实现卸料；而搅拌简具有较大直径的中下部则是搅拌区段，进入搅 拌筒的混凝土主要在这里受到搅拌。根据这一划分，实际上提供了一个确定螺旋曲线 形式和参数的原则：按功能区段，适当区别选用叶片的曲线参数，着重满足该段的主 要工作性能，选择符合这一特点的螺旋曲线形式。 目前在搅拌运输车的搅拌筒中常采用两种叶片螺旋曲线形式，阿基米德螺旋曲线 和对数螺旋曲线。 阿基米德螺旋曲线，即等螺距曲线p = ao 。这种曲线的特点是：螺旋环绕筒壁的 叶片在搅拌筒轴线方向上的间距保持定值不变，但叶片的螺旋升角却随着搅拌筒横断 面的直径成反比变化。图2 4 ( a ) 就是按这种曲线形式设置在梨形搅拌筒内的螺旋叶 片。从图中可以看出，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a = 3 0 。，这对于输送坍落 度在5 厘米以上的混凝土时尚可实用，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 ( a 、m 为常数) ，见图2 4 ( b ) ， 这种螺旋叶片的螺旋升角始终不变，螺距却随搅拌筒直径正比变化，虽然卸料区段的 叶片间距较搅拌区段为小，但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。 为了适应坍落度更低的混凝土，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，在搅拌筒的不同 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 。减少到1 5 。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舰律性，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筒和不同参数的螺旋叶片，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，卸料的忖! 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f 最佳的搅拌筒结构和理想的叶片曲线参数。 2 ( 曲阿基米德螺旋线叫片( b ) 对敬螺旋线叶片 图24 叶片的两种螺旋曲线 假设一个锥面平行于搅拌筒前锥或后锥面，且螺旋面与之交线( 斜圆锥对数螺旋 线) 上所有的螺旋角均相等。这个假想的锥面叫“计算锥”。 囤2 - 5 三维拌筒示意图 混凝土搅拌输送车搅拌筒内的两条螺旋叶片，是搅拌输送车设计的重要部件。它 的结构形状j 时搅拌输送车进、出料性能及混凝土的搅拌质量有直接影响。目前，设计 的搅拌输送车螺旋叶片，多采用斜圆锥对数螺旋面。它是在式( 2 - 2 ) 所列斜 f x = p oe x p ( s i n 口彰t a n ) s i n 口c o s 8 y = p oe x p ( s i n a o t a n f l ) s i n a s i n o ( 2 2 ) 【z = p oe x 小i n a o t a n f l ) * c o s a 圆锥对数螺旋线方程的基础上，由一条长度为d ，与z 轴夹角恒为常数的空间曲线r ， 沿圆锥对数螺旋线绕z 轴作螺旋运动而形成的，如图2 - 6 所示。其方程为： f x = 乒be x p ( s i n a o t a n p ) s i n a c o s o d s i n c o s o y = , 0 0e x p ( s i n a o t a n f l ) s i n a s i n o d s i n 矽s i n o ( 2 3 ) k = p oe x p ( s i n a * 8 t a n 纠c o s 口一d c o s 矽 式中：q 一螺旋线的螺旋角； b 一圆锥顶到圆台小头的母线长； p0 _ 圆锥项到圆台小头的母线长； 巾一空间曲线与z 轴的夹角； d 一空间曲线长度； 0 一参数，0 = ( 2 i ) n ： n 一螺旋线在平面投影图中所取等分数； i 一等分编号。 1 图2 - 6 斜圆锥对数螺旋面 1 5 b i + 灯1 _ + 1z l ，l ， 1 n l 片顶部i2 川片根部 图2 - 7 ( 叶片展开 设计中，将空间螺旋面叶片分段展丌成平面图形，制造中根据平面图形下料经锻 压成型后，焊接在搅拌筒简壁上。所以，叶片展丌成平面图形的准确程度，是搅拌输 送车性能达到设计要求的重要因素之一。螺旋面理论上是不可展曲面，由于制造工艺 的需要常采用近似展丌法加以处理，以满足制造要求。我们在设计时，利用制图法中 “三角形”法的原理，借助计算机对空问斜圆锥对数螺旋面叶片进行展开计算，既减 少了计算量，又得到比较准确的叶片平面展开图。现将计算方法叙述如下。 将空间叶片第i 点至i + l 点两等分点之i 日j 的一小段叶片，近似地看作一四边梯形， 如图2 7 所示。只要算出两等分点间叶片根部及项部斜圆锥对数螺旋线上点c 、b 、 d 、a 的坐标值，然后根据空间任意两点间距离公式i = ( x 2 一x 1 ) 2 + ( y 2 一y i ) 2 + ( z 2 一z 1 ) 2 】 z 就可以计算出图中任意两点问的距离，即a b 、b c 、c d 、d a 、d b 。还可以把i 点到i + l 点两等分点之间的这小段叶片展开。然后通过计算机进行循环计算，利用“三 角形 法，可将整个螺旋叶片展开。只要在螺旋叶片设计时，两等分点i 与i + l 之问 的间隔控制在一定的范围内，展丌的螺旋叶片平面图，就可以达到一定的精确程度。 2 3 3 混凝土搅拌运输车传动系统 图2 8 混凝土搅拌运输车液压传动系统 1 6 表2 - 2 液压传动系统主要零部件 序号 代号名称数鼙材料 1 j c 5 a 1 1舣向接头( 油泵泄)l3 5 2 油冷却器 1 。纫郜4 ：1 - ： 3 j c d 7 1 1舣向接头( 滤) l 4 j c d 7 1 2舣向接头21 5 j c d 7 1 - 1吸油管1二级部件 6g b 5 7 8 2 - 8 6 螺栓m 1 2 x 4 0 4 8 8 级 7 g b 9 3 8 6垫阁1 246 5 m n 8 j c 5 1 3垫a 4 q 2 3 5 a 9 t m p 0 8 9马达l- 二级部件 1 0 j c d 7 1 3舣向接头( 泄) 33 5 1 l j c 5 1 4 、卜法1 8z g 4 5 1 2 g b 5 7 8 2 - 8 6螺栓m 1 2 x 2 01 68 8 级 1 3g b 9 3 - 8 6 垫圈i 6 6 5 m n 1 4 4 w e 6 e 一1 2 4 n j z 5 l电磁阀 l 奶害b 彳，l ： 1 5 y g x 2 0 f a t油缸1二级部件 1 6 j c d 7 1 2阀缸支架 l - 二级部件 1 7 j c d 7 卜4摇臂 l q 2 3 5 1 8 j c 5 a 1 5 高压管总成2 。幺晤喜r 中l ： 1 9 j c d 7 1 3 马达泄油管 1二级部件 2 0 j c d 7 1 5舣向接头( 缸1 ) l3 5 2 1 j c d 7 1 6舣向接头( 缸2 ) l3 5 2 2 j c 5 。3 。8 - 4u 璎螺栓23 5 2 3g b 6 1 7 0 - 8 6 螺母m 1 2 4 5 级 2 4g b 9 3 - 8 8 6垫圈1 246 5 m n 2 5g b 57 8 3 - 8 6 螺栓m 1 4 x 6 0 48 8 级 2 6g b 6 1 7 0 - 8 6螺母m 1 448 级 2 7g b 9 3 - 8 6垫圈1 446 5 m n 2 8 j c d 7 1 4f ； j 司管 4 二级部件 2 9 t m m 0 8 9油泵 1 成品 3 0 j c 5 a 。l 一5双向接头( 泵吸) l3 5 3 1 j c d 7 1 7舣向接头( 阀吸) 1 3 5 3 2 j c 5 1 6同油管 1 二级部件 液压传动系统由液压系统和减速器组成，如图2 8 所示。液压系统主要包括变量 油泵2 9 、定量马达9 、散热器2 ( 包括油箱、吸油滤清器等) 、控制油缸1 5 等。油泵 1 由发动机通过传动轴驱动，油泵旋转产生压力油，压力油进入马达，马达旋转并通过 减速器驱动搅拌筒转动。变量泵2 9 是电液比例控制，排量、方向均可以改变，从而 改变马达转速和旋向，最终实现搅拌筒的无级变速和旋向的改变。 发动机的油门控制是通过电磁阀1 4 、控制油缸1 5 、摇臂1 7 等实现，随过控制电 1 7 磁阀开关，一调节油缸行程改变发动机的油门位置，来改变发动机转速，从而与变量泵 共同完成搅拌简从0 5 1 6 r m i n 大范围内的调速。 第三章混凝土匀质性和搅拌转速的关系 3 1 混凝土的结构、组成及性质 3 1 1 混凝土的结构 混凝土是一种非均质多相复合材料。从亚微观上来看，混凝土由粗骨料、细骨料、 水泥的水化物、毛细孔、气孔、微裂纹( 因水化热、干缩等使水泥石丌裂) 、界面微 裂纹( 因干缩、泌水等所致) 及界面过渡层等组成。即混凝土在受力以前，内部就存 在许多微裂纹。界面过渡层是由于泌水等原因，而在骨料表面处形成的宽度约为 3 0 6 0l am 的水泥石薄层，其结构较疏松，且界面过渡层中常含有微裂纹。界面过渡 层对混凝土的强度和耐久性有着重大影响，特别是粗骨料与砂浆( 或水泥石) 的界面。 从宏观上看，混凝土是骨料和水泥石组成的二相复合材料，因此，混凝土的性质主要 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) ( 参见图3 1 ) 。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