混凝土搅拌机设计

河南理工大学万方科技学院2012届本科生毕业设计前 言近年来随着我国城市基础建设、房地产开发业的迅猛发展，推动了混凝土生产产量的迅速提高。混凝土生产是改变传统的现场分散搅拌混凝土的生产方式，实现建筑工业化的一项重要改革。混凝土的商品化生产因其生产的高度专业化和集中化等特点大大提高了混凝土工程质量，节约原材料，加快，提高劳动生产率，减轻劳动强度，同时也因其节省施工用地，改善劳动条件，减少环境污染而使人类受益。目前,在国内外的煤炭、建材、化工、基础设施建设等行业广泛地使用着各种各样的用来搅拌煤、混凝土及其他原料的搅拌机。从其运动方式及其主要结构上来看,它们可分为两大类型:一种形式为单运动的轴式传动轴上(有单轴和双轴)安装各式各样的搅拌叶片(有长锥形、螺旋形等),并利用叶片来搅拌物料；而另一类则是通过钢齿轮传动带动某一形状的筒体(有圆锥体、圆柱体等)的自身旋转而使物料产生搅拌效果。由于这些搅拌输送机全部都是利用单运动方式,因而普遍存在拌和物料不充分,搅拌效果不太理想；另外,其噪音也较大,特别是在煤炭行业的工业型煤等新工艺上使用的搅拌输送机,根本满足不了其工艺设计要求而严重制约了其新技术新工艺的推广使用,因而急需一种结构新颖、效果明显的全新机型的搅拌机来逐步代替旧式搅拌机,并且也可广泛地使用于其他行业。然而，在实际生活中，我们看到的大部分混凝土搅拌机，都是起搅拌作用，然后通过车载，人力等方式运送到需要的地方。搅拌和输送分开进行，既加强了工人的劳动强度，降低了劳动效率，造成大量原材料的浪费，又污染了环境。还有些设备是搅拌和输送是分开的，及用一种机器完成混凝土的搅拌作用，而用专门的机器完成混凝土的输送。连续式搅拌机是随着混凝土施工工艺的改进而逐渐发展起来的新机型。近年来，搅拌机逐渐向大容量和高生产率方向发展。通过长期的研究和探索发现比较完善的搅拌输送过程。为使混凝土的搅拌和输送变得相对容易，我采用卧式双轴强制式连续混凝土搅拌机。通过对搅拌轴的叶片的设计和组合，使物料完成搅拌和输送的工作。本机在封闭的环境中，实现对物料的搅拌和输送，搅拌及输送效果良好，对环境污染少，能够改善施工现场施工条件，保障施工人员身心健康，降低工人的施工强度，提高工作效率，减少施工中对环境的破坏。第1章 总述1.1搅拌的作用1.1.1混凝土的组成混凝土作为当今最大宗的建筑材料，广泛地用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用等基本建设工程中，在国民经济中占有重要地位。一般混凝土指水泥混凝土而言，它是由水泥和砂、石集料，加水按规定的配合比，经过搅拌、浇注和凝结而成的一种人造石材。其中，水泥和水起胶凝作用，砂、石起骨架填充作用，水泥浆包裹在砂的表面，并填充于砂的空隙成为砂浆，砂浆又包裹在石子的表面，并填充石子的空隙。当水泥浆硬化后，就将砂、石集料颗粒牢固地粘结成一个整体，使混凝土具有一定的强度和其他许多重要性能。1.1.2搅拌的任务强度是混凝土最主要的力学性能，混凝土强度主要取决于混合料间的界面结构。一般认为混凝土搅拌的主要任务是；(l)组分均匀分布，达到宏观及微观上的匀质；(2)破坏水泥粒子团聚现象，使其各颗粒表丽被水浸润，促使弥散现象的发展；(3)破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层，促进水泥颗粒与其他物料颗粒的结合，形成理想的水化生成物；(4)由于集料表面常覆盖一薄层灰尘及粘土，有碍界面结合层的形成，故应使物料颗粒间多次碰撞和互相摩擦，以减少灰尘薄膜的影响；(5)提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，以加速达到匀质化。1.1.3合理的搅拌机理由以上分析可以给合理的搅拌机理一个解释：应尽可能使处在搅拌过程中的混合料各组分的运动轨迹在相对集中区域内互相交错穿插，在整个混合料体积中最大限度地产生相互摩擦，尽可能提高各组分参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，为混合料实现宏观和微观匀质性创造最有利的条件。因此，为了获得搅拌均匀的混凝土，混凝土搅拌机必须具备下列条件：(l)能对混凝土各种组分均匀搅拌，并使水泥浆或沥青均匀包裹骨料表面;(2)能将搅拌后的混凝土均匀的卸出;(3)搅拌和出料的时间短;(4)占地面积小;(5)功率消耗小，符合环保要求。而影响混凝土搅拌质量的与搅拌机有关的主要因素有:(1)混凝土搅拌机的结构形式和它的搅拌速度;(2)混凝土搅拌机出料容量与搅拌筒几何容积的比率，即容积利用系数;(3)搅拌叶片和衬板的磨损状况;(4)各种混合材料的加料顺序。(5)搅拌时间。1.2混凝土搅拌机的类型目前生产的搅拌机有两种形式，一是独立使用的搅拌单机；另一是搅拌楼(站)的配套主机。由于使用要求有所差异，两种形式的搅拌机的配置略有不同(搅拌单机要比配套主机多上料和配水等机构)，但二者的主体机构是一致的。为了满足不同混凝土的搅拌要求，已发展了多种机型，各机型在结构和性能上各具特色，可从不同角度进行分类。就其原理而言，基本可分为自落式和强制式两大类。表11 混凝土搅拌机分类分类方式作业方式搅拌原理安装方式出料方式搅拌筒外形形式周期式连续式自落式强制式固定式移动式倾翻式非倾翻式梨形、锥形、鼓形、盘形、槽形、其他形自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。工作时利用拌筒内壁固定的叶片对筒内物料进行分割和提升，物料则靠自身重力洒落、冲击，从而使各部分物料的相互位置不断进行重新分布而获得均匀搅拌。这种机型结构简单、功率消耗和叶片磨损均较小，但其搅拌强度不够剧烈，搅拌质量难以保证，生产效率低，只适用于搅拌普通塑性混凝土，对粗骨料粒径要求不严格，广泛地应用在中小型建筑工地。常用的这类搅拌机有，鼓式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等。其中的鼓式搅拌机由于技术性能落后，已于1987年列为淘汰产品。强制式搅拌机是在自落式搅拌机之后，随着干硬性混凝土的发展而逐渐发展起来的。与自落式搅拌机不同，它不是通过重力作用进行搅拌，而是借助旋转的叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到均匀搅拌。与自落式搅拌机相比，搅拌作用强烈，搅拌质量好，生产率高，但磨损大、功耗大，而且对骨料粒径有较严格的限制，适用于搅拌干硬性混凝土和轻骨料混凝土，多用于施工现场的混凝土搅拌站和混凝土预拌工厂的搅拌楼。常见的这类搅拌机有，立轴涡桨搅拌机、立轴行星搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机等。周期型搅拌机是大家可以经常见到的搅拌机。这种搅拌机在进行搅拌时，需要经常停机器，作效率较低。而连续型混凝土搅拌机，由于机器在正常工作状态时，不需要停止机器。减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，是当下的一种发展趋势。1.3国内外混凝土搅拌机的发展状况在搅拌机出现的时期，是以自落式搅拌的形式出现。随着对混凝土要求的不断增多，出现了强制式搅拌机。强制式搅拌机又可分为立轴式和卧轴式两类。国内几乎都是这两种形式的搅拌机。立轴式搅拌机，又称涡浆式强制搅拌机，这种搅拌机的形式是在固定放置的圆盘中央，装有一个由减速机驱动的转子臂架，在臂架上装有搅拌叶片和内外壁铲刮叶片，依靠各组搅拌叶片不同的安装位置和安装角度便能对在圆盘和转子之间环形工作容积的物料进行剧烈搅拌。卧轴式搅拌机又称圆槽式搅拌机，是七十年代发展起来的一种新型搅拌机，它可分为单轴式和双轴式，这种形式的搅拌机兼有自落和强制两种搅拌的机能，搅拌叶片的线速度比涡浆式小，因而耐磨性要比涡浆式小高。单卧轴搅拌机是由德国ELBA公司研制生产。它具有结构紧凑、消耗功率小、叶片衬板耐磨性好，能满载启动和具有搅拌轻质混凝土能力的优点。我国也向该公司引进了样机。双卧轴搅拌机是随着混凝土施工工艺的改进而逐渐发展起来的新机型。国外从二十世纪四十年代后期开始在美国和德国出现，但因轴端密封技术的不成熟，其发展基本处于停顿状态。直到七十年代初，由于这项技术得到突破，双卧轴搅拌机在不少国家右重新发展起来，目前已形成系列产品。我国于二十世纪八十年代初研制成功，但发展迅速，在产品规格和产品数量上，都远远超过了其它机型。搅拌机构是双卧轴搅拌机的核心部分，混凝土搅拌质量的好坏，生产率的高低，使用维修费用的多少都与它有关。搅拌机构是由水平安置的双圆槽形伴筒、两根按相反方向转动的搅拌轴和其上安装的搅拌叶片组成的。搅拌叶片的作用半径是相互交叉的，叶片与轴中心线成一定角度，当搅拌轴转动时，叶片一方面带动混和料在两个拌筒内轮番地作圆周运动，上下翻滚，同时在搅拌叶片相遇或重叠的部分，混和料在两轴之间的共域相互交换；另一方面推动混和料沿着搅拌轴方向，不断地从旋转平面向另一个旋转平面运动。1.4本文的主要内容和设计方法为了使混凝土在有限的空间中，尽可能的进行充分的搅拌，提高混凝土的硬度。而又不出现市场中搅拌机常出现的混凝土搅拌不足和“裹轴”现象。进行的创新如下。首先，是叶片的选择。根据不同的叶片具有不同的搅拌特征，选择三种合适的叶片来完成混凝土的搅拌工作；其次，对这不同的叶片进行有机的组合，充分发挥各种叶片的特征。为了达到该机器所能完成的目标，使混凝土的各项性能指标达到要求。采用理论分析和参考资料相互结合，相互补充的方法。根据相关公式对一些设计参数进行计算。同时参考已发展较为成熟的搅拌机设计，从而使本设计更具合理性，并且大大降低设计成本。第2章 总体设计方案确定及动力元件选择2.1总体设计方案连续式混凝土搅拌机主要由传动系统、搅拌输送装置、搅拌筒、及外供水系统等组成。该产品的主要机构主要由一下几部分组成。图22连续式混凝土搅拌机1-电动机 2-联轴器 3-底座 4-搅拌筒 5-支架 6-搅拌轴1.电机、减速机由联轴器连接在一起，减速机与搅拌轴也由联轴器连接在一起，安装在底座上组成一个整体，它们之间用螺栓联结以便装卸和运输。2. 搅拌系统由搅拌筒，搅拌轴组成，完成物料的搅拌及输送工作。两搅拌轴在搅拌筒内成对称方向布置，一个搅拌轴主要用于输送物料，而另一个搅拌轴用来搅拌和输送物料。2.2电动机的选型由于连续式混凝土搅拌机从结构上看，主要就是依靠电机的旋转，带动减速机的转动，进而带动搅拌轴的旋转。因此，电机是整个装置的动力元件。由于在露天工作，工作时灰尘较多，土扬水溅的工作场合。在搅拌的过程中，由于混凝土在不断的搅拌过程中消耗动力，因此连续式混凝土搅拌机的生产能力决定着电机的功率。此处电动机选型计算不详细涉及功率计算，而依据工作装置转速进行电机选型。异步电机具有结构简单、维修方便、工作效率高、重量较轻、成本较低、负载特性较硬等特点，是应用较广、需求较多的一类电机。综合考虑各个条件，暂选电机为Y180M-4型电机。查表知该电机功率为18.5KW。转速为1470转/min。效率为90，额定转矩为2.0 KW ,最大转矩为2.2KW。2.3减速器的选型由于混凝土搅拌机在搅拌时，为了使混凝土搅拌的比较均匀，搅拌轴的转速不宜过快。但考虑到该机器的生产能力，搅拌轴的转速又不可太慢。综合考虑一下，参考其它机器的转速，该搅拌轴的转速在40左右。通过查表知暂选减速器的型号为ZSY224。额定功率为64KW。（1） 机械强度的校核计算 式中 减速器的计算输入功率（KW）； 减速器的实际输入功率（KW）； 工况系数； 与实际输入转速相对应的额定输入功率（KW）。混凝土搅拌机属于中等冲击，据表查得工况系数1.5。计算输入功率为 18.51.527.75该减速器满足机械强度要求。（2） 校核热功率 式中 计算热功率（KW）；额定功率利用系数；负荷率系数；环境温度系数；许用热功率（KW）。功率利用率=0.29，查表知额定功率利用系数1.5；由图知，载荷率系数0.7；由图知，环境温度系数1.3；由表知，许用热功率87kw。计算热功率为 18.51.50.71.3 19.5热平衡校核通过。选用减速器代号为ZSY224。2.4连轴器的选择与计算由于电机与减速器和减速器与搅拌轴之间需要传递扭矩和运动，因此需要联轴器来保持它们一同回转而不脱开。由于凸缘联轴器具有结构简单，制造方便，成本较低，装拆、维护简便，可传递大扭矩。因此，我们可以选择该联轴器作为该机器的联轴器。由于电机和减速器已经选定，减速器连接的轴已经确定。因此联轴器的基本尺寸参照机械零件设计手册，可以确定下来。然后根据安装和配合需要的尺寸，来确定最终的加工的大小和尺寸。第3章叶片的设计与计算3.1原有叶片的布置连续式搅拌机的合理结构，技术参数的确定是一项迫切而急需的任务。在过去，曾研究过的搅拌叶片在轴上布置对混合物均质性的影响。对搅拌机筒体中充填性能及对机器生产率和搅拌过程耗电量的影响，在叶片合理布置下，叶片轴转速对混合物均质性的影响，在合理的叶片布置和转速下，搅拌机筒体的安装倾角对搅拌过程及对混凝土制件强度指标的影响。(a)(b)(c)(d)(e)图31 叶片的布置形式图上示出了曾研究过的搅拌机的叶片在轴上安装的几种布置方式（假设叶片设置在一个平面上并只标记出安装角度）。a型可使物料连续顺向流动的布置图，两轴上叶片反向安装，但都能确保物料朝卸料口移动。b型两轴上叶片在外型上是同向布置，但一根轴的叶片把混合物推向卸料槽，而另一根轴则相反。c型两轴叶片在外型上是同向布置，并且筒体向卸料一侧倾斜一个角度3度。d型叶片外型上同向布置，筒体倾斜安装，并且在靠近卸料口处，轴上装有阻滞作用的叶片。e型混合布置，在一根轴上安装的叶片使物料沿着搅拌机筒体从装料口朝卸料口流动。在另一根轴上，使物料顺着流动的叶片与逆向流动的叶片交替安装，而两根轴的卸料端都装有阻滞作用的叶片。评定混合物质量的主要准则可以用离析率S来表示。它说明混合物中各成份分布不均匀性的程度。评定轴上叶片的布置时，这是一个主要的依据。为了便于选取混合物试样并进行分析，可把搅拌机筒体的工作部分分为五个部分（五个区段）。在表中列出了搅拌叶片在各种不同布置时的离析率S，生产率Q和单位电耗e的测定值。很明显，在外型上叶片同向布置的各种情况下，（图c，d）耗电量e都是较高的，这说明在搅拌和移动混合物时，由于反向叶片使物料沿着搅拌机筒体朝着与卸料方向反向移动。因而增大了阻力。当叶片混合布置时（图e），耗电量e实际上与轴的转速n无关，而是很接近于两轴上叶片反向安装是的值。当按图a叶片反向安装是，可取得最大的生产率Q和最小电耗e。但此时，混合物的质量比混合布置要差。在进行查阅已有资料后得到以下数据表31 不同叶片布置情况的影响叶片布置轴转速n（r/s）离析率S(%)单位电耗e（KWh/m3）生产量Q(m/h)a25.30.2814.75b27.10.586.5c（a=3）250.417.2d（a=3）240.84.67e（a=3）25.30.327.5分析上述资料可得出结论：综合所有参数一起看，用混合布置来安装叶片是比较理想的。在叶片混合布置时，搅拌机筒体向卸料一侧倾斜a3，可降低单位电耗和提高生产率。对混凝土试样强度指标的研究得出：叶片按混合布置可取得较均质的混合物，同时提高叶片轴的转速（增大单位时间内工作机构和混合物配料），试样的强度可增大1015，从顺向流动布置的强度为12.515 MPa。增大到叶片混合布置时强度为15.817.2 MPa。3.2设计叶片的布置工作时,搅拌轴带动搅拌叶片旋转,强迫物料按预定的轨迹产生剪切、挤压、翻滚和揉搓等强制搅拌作用,使物料在剧烈的相对运动中得到均匀搅拌。改进搅拌叶片的结构和曲面形状,对提高搅拌质量、减小搅拌阻力和降低功率消耗具有重要的意义。3.2.1叶片的布置合理的叶片布置不仅可以提高混凝土的硬度和混凝土的生产率。而且可以减少原料的消耗，减少物料对机器的冲击，还能延长机器的寿命。由于两轴的旋转方向相反,两轴间的料产生挤压、翻滚和揉搓,以达到搅拌混合效果显然,在不破坏物料流运动的前提下,两轴间物料逆流运动的频次越高,揉搓和挤压作用就越充分,搅拌效果就越好。因此,双轴上搅拌叶片的排列应以此作为依据。针对上述问题，结合资料数据得到的叶片布置的优劣。针对连续式混凝土搅拌机作出如下叶片的布置。图32 设计叶片的布置通过对叶片相对运动分析可知:搅拌叶片正反排列得到的逆流次数要比搅拌叶片双正排列得到的次数多,因此搅拌作用更强烈,搅拌质量也更好。并且随着搅拌叶片数量的增多,这种优势会更加明显。但这种情形下，那么搅拌叶片的运动顺序破坏了拌筒内物料的大流动。这是因为物料以连续递推的方式前进。此外，在一根轴上相邻叶片，同时参加搅拌,并且二者对物料推动的方向相反。由于叶片的反向推动,有可能该叶片的相邻叶片无料可搅,从而导致一根轴上叶片内的物料无法推出来。为了防止物料在机体两端受到挤压,应在物料进口端只设正向叶片,在出口端仅设反向叶片。实体面型螺旋叶片具有搅拌效率高、输送物料性能好，因此在入料口设置这种叶片。但这种叶片容易使物料形成“裹轴”现象。而带式面型螺旋叶片虽然在输送效率上，稍差于实体面型螺旋叶片，但物料不会形成低效区。这对物料在沿轴向运动是比较有利的。特别物料在长距离输送时，带式面型螺旋叶片充分发挥了自己的优点。虽然搅拌叶片正反排列得到的逆流次数要比搅拌叶片双正排列得到的次数多,因此搅拌作用更强烈,搅拌质量也更好。但这种情形下，搅拌叶片的运动顺序破坏了拌筒内物料的整体流动。这是因为物料以连续递推的方式前进。此外，在一根轴上相邻叶片，同时参加搅拌,并且二者对物料推动的方向相反。由于叶片的反向推动,严重时，可能造成该叶片的相邻叶片无料可搅,从而可能导致一根轴上叶片内的物料形成断料现象。为了避免这种情形的产生，根据试验结果,反向叶片的长度一般为正向叶片的1/22/3较好。此外，采用螺旋桨叶片，作为反向叶片，各叶片均匀分布在轴上。这种叶片，可以承受较大的反向推力，搅拌的效率较高。螺旋桨叶片间断的分布在轴上，不能导致对搅拌轴的断料形成。机内的物料被正、反叶片分成两部分,一部分向前推进,另一部分则向后推送,使物料产生连续不断的轴向往复运动,将处于不同半径处的物料翻转,在正反叶片的共同作用下,物料在机内反复翻动、扩散、搅拌、揉搓,使物料混合均匀。由于正向叶片大于反向叶片,所以物料在作轴向往复运动的时候,总体上是向出料口方向前进的,因而可以满足连续工作的要求。此外,物料由通常的单向运动方式改为往复运动,使得设备在有限的长度，提高物料的生产率和搅拌效率。3.2.2“裹轴”现象连续式混凝土搅拌输送机由于在先前的生产过程中，一些问题也暴露出来。其中，“裹轴”是比较突出的一个现象。裹轴现象的产生(l)维修清理工作没有到位。正常情况下，双卧轴搅拌输送机应该在工作8个小时以后，停机清理。但我们的客户为了赶进度大都是24小时在运转忽略了清理工作，这会给以后的搅拌埋下了隐患，导致理论上单盘3立方的混凝土，只能出2.8立方甚至更少的混凝土.大大降低了生产效率。因为有了第一次的“裹轴”，就会象滚雪球一样，随着时间的推移.轴会变得越来越粗，裹的泥浆也越来越多也给整个主机的负荷带来了一定的影响。所以针对这点我们应该定期清理主轴.有句俗话用在这里很合适：“磨刀不误砍柴工：工欲善其事必先利其器”。(2)搅拌机的进料口位置不合适。有的厂家设计的搅拌输送机的落料口正对着其中的一个主轴，这样，很容易和喷溅的水混合在一起.形成水泥浆，久而久之就凝固在搅拌主轴上。所以.在设计落料口位置时.一定让物料恰巧竖直落在两个主轴的中间避免和主轴接触。因此，在进行料口的位置应该在中间，进料口的宽度应该为两轴的距离。(3)搅拌机的进料顺序不完美。当落料顺序设置不当时同样会导致“裹轴”。这时可以调整投料顺序，使之达到最佳匹配。当然合适的投料顺序，需要操作人员或实验室人员试验摸索找到最终的适合该混凝土型号的顺序。(4)与搅拌叶片形状有关系。强制式搅拌机受限于本身结构，搅拌叶片靠近拌筒且高度有限，靠近搅拌叶片的物料运动速度较大，搅拌充分，而离搅拌叶片较远、靠近搅拌轴的物料流动慢，得不到很好的搅拌，在靠近搅拌轴的环带区域内形成搅拌低效区甚至死区，见图。图33 裹轴普通双卧轴搅拌机的搅拌机构见图。图中搅拌叶片靠近拌筒安装，其附近的物料运动速度较快，而靠近搅拌轴的物料缺乏搅拌叶片的搅拌作用，运动缓慢，搅拌质量较低。如何使靠近搅拌轴的物料得到有效的搅拌。是解决低效区问题的关键。机器在开始进料时，大量物料在很短的时间内很容易造成物料在进料口堆积。因此，为使物料迅速离开入料口，入料叶片做成实体面型螺旋叶片。这样又很容易造成“裹轴”。因此，在其后的搅拌输送叶片，为减少“裹轴”的危害，做成带式面型的螺旋叶片3.3叶片的主要参数3.3.1输送叶片主要参数的设计物料在料槽中的轴向移动速度(m/s),在实际工作中,通常不考虑物料轴向阻滞的影响,因此物料在料槽内的轴向移动速度/60。由上式可以看出,当物料输送量Q确定后,可以调整螺旋外径D、螺距S、螺旋转速n和填充系数四个参数来满足Q的要求。所以,螺旋直径 主要参数的确定对于螺旋输送叶片,其物料输送量可按下式计算:式中Q螺旋输送搅拌机输送量(t/h)F料槽内物料层横截面积()(为填充系数)r物料的单位容积质量()c倾斜输送系数;令 ， 所以 式中K物料综合特性系数。物料综合特性系数为经验数值。一般说来,根据物料的性质，查表取K=0.0573为填充系数取值为0.3C倾斜输送系数。该搅拌机的倾斜角度为，查表取值为1代入数据得D= =480.9 mm。为方便生产，一般把计算出来的D值应尽量圆整成下列标准直径(mm):150,200,250,300,400,500,600,700,800所以D=500 mm。3.3.2主轴的转速的确定随着主轴的转动，使得混凝土产生一个附加的绕轴旋转的循环流。主轴一定的转数范围内，这种附加的循环流对混凝土的影响并不显著。但是，一定的转数时，混凝土就会产生垂直于输送方向的跳跃翻滚，这时主轴将主要起搅拌而不再起轴向的推进作用。这不仅会降低物料的输送效率，加速设备构件的磨损，而且会降低生产率。因此，为了避免这种现象的产生，主轴的转速不得超过它的临界转速。为了保证位于主轴附近的混凝土不会因为离心力的作用而产生垂直于输送方向的径向运动，它所受的离心力不能大于其自身重力，而叶片外径处的混凝土所受的离心力最大，因此混凝土所受离心力的最大值与其自身重力之间应有如下关系: 式中 主轴最大转速, 即临界转速，；螺旋叶片外径，；重力加速度，；物料综合特性系数。令，则式可转化为： 式中 物料综合特性系数，查表知：A=37代入数据得52.3因此把它初始设置在38是合理的。对于标准的输送叶片,通常螺距为(0.81)D。当倾斜布置时S0.8D，该搅拌机的倾斜角度为。取S=400 mm。搅拌输送机中，对物料搅拌与输送的高低主要取决于螺旋叶片的选择一对螺旋叶片图34 螺旋叶片当该轴的转速为n转时，在叶片推进面边k质点处粉料受到N、F力的作用而运动达到混合目的。为直观起见，将其中一螺距上的螺旋叶片展开，如图所示。图35 运动轨迹这样叶片的旋转运动就变成了垂直于轴向的平移运动，K质点处物料在被推进过程中，不断偏离质点，又有新物料不断补充。在物料运动主方向是从A处指向B处，在此平移过程中物料除了质点还作自身旋转运动，完成物料剪切与扩散的混合。由图示几何关系求得K质点处物料周向运动累计距离为： 轴向运动累计距离为：其合成总运动累计距离为：根据搅拌输送机的每次所需混合量，估算出搅拌输送机的筒体尺寸，螺旋叶片中径也由此被确定。这样，其螺距完全随螺旋角而发生变化。现查表知物料与叶片的摩擦系数0.4。则。那么以上三式就变为作图如下图36 运动路线1. 求极值点 =。 =。 =。2. 求拐点。=。=。 =。表32 四条线弧的主要特征列表+0_0+0_+0_从图中一目了然，太大或太小，其搅拌轴的轴向运动都会减弱，对流混合效率降低。尤其对于偏大的情况，则对圆周运动、轴向运动均不利，不宜采用。要使对流输送作用显著，值应取在（）左右，我取的为。要使搅拌作用显著，搅拌叶片的值应取小值为宜。搅拌叶片的螺旋角的设计： 由于筒内充满了物料，其扩散作用使在环筒（d2-d1）内的物料偏离输送实体。而周围的物料又来补充，组成新的输送实体，连续不断，循环往复。为不使物料在搅拌筒内堆积和截断。输送叶片旋转一周输出的物料应与搅拌叶片旋转一周输出的物料一致。由公式 式中：Q: 料流量（）：螺旋叶片轴向投影面积 （）：叶片旋转一周被推料的轴向运动距离（） ：叶片轴的转速 （）要满足物料的连续性，有公式 其中 把其余数据代入得：由叶片的性质知，带式螺旋叶片的螺旋节距与螺旋叶片的直径大致相同，再根据下述关系知 463.8 mm考虑到该轴上还有一些反转的叶片，的值适当取的大一些，所以取480 mm。3.4螺旋叶片的加工用于连续型混凝土搅拌机的工作螺旋是由旋转轴和许多螺旋叶片彼此焊接而成。螺旋叶片的制造无疑是整个螺旋输送机制造中的关键。制造螺旋叶片虽有多种方法，但由于螺旋输送机属小批生产，故用模具压形来制造螺旋叶片乃是质量可靠而又切实可行的办法。3.4.1、叶片螺旋面的成形叶片的螺旋面是以垂直于轴的一段直线作母线绕轴作匀速旋转并同时作匀速轴向移动而形成的。是母线绕轴旋转360“所形成的螺旋叶片，此时母线轴向移动的距离称为螺距S。3.4.2、坯料形状的选择所示螺旋叶片的坯料形状示于下图所视，显然坯料有一小块扇形面积未被使用。尽管如此，但生产中往往选用这种形状的坯料压制出正好一个螺距的螺旋叶片。若将坯料修改成开有剪缝的整圆环状，就能压制出多于一个螺距的螺旋叶片，达到充分利用材料的目的，还可减少工作螺旋中叶片间的焊缝。这样做的另一优点是使构成工作螺旋的各螺旋叶片的接头处的各焊缝错开而不在同一轴向平面内，从而改善螺旋输送机工作的平稳性。3.4.3、整圆坯料尺寸的确定经红压验证，尺寸可按以下公式确定:实体面型的螺旋叶片根据设计的尺寸可知：D=140 mm，S=400 mm，B=180 mm。图37 实体面型螺旋叶片（1） 内螺旋线投影长=3.14140=440 mm。（2） 外螺旋线投影长=3.14500=1570 mm。（3） 螺旋线实长594.6 mm。1620.2 mm。（4） 叶片内沿展开半径 mm。（5） 叶片外沿展开半径 =104.5+180=284.5 mm。（6） 展开料缺口夹角 = (7) 展开料缺口外螺旋线旋长 A= 164.7 mm。带式面型的螺旋叶片根据设计的尺寸可知：D=300 mm，S=480 mm，B=100 mm。图38 带式面型螺旋叶片（1）内螺旋线投影长=3.14300=942 mm。（2）外螺旋线投影长=3.14500=1570 mm。（3）螺旋线实长1057 mm。1642 mm。（4）叶片内沿展开半径 mm。（5）叶片外沿展开半径 =101+100=280.7 mm。(6)展开料缺口夹角 = (7) 展开料缺口外螺旋线旋长 A= 120 mm。3.4.4、压模主要尺寸的确定1.构成模块螺旋面母线的旋转角度叶片在成形过程中存在着复杂的变形。对多种规格的叶片测量得知其外径处螺旋展长度与整圆坯料的外径展开长度基本一致，故取式中 D1-坯料外径；D叶片外径。2.模块螺旋面的螺距t考虑到工件材料的弹性变形和温度收缩的影响，经实践验证可取:压模定位轴外径等于叶片内孔下限尺寸。压模外径等于叶片外径。3.5螺旋叶片的制造工艺螺旋叶片的制造工艺过程如下:切割下料车外圆、内孔开剪缝一加热手工初拉成形模具红压成形。加热后的平板坯料必须迅速手工初拉成形并放入下模，拉形使放置在下模中的工件不致过于倾斜，此时工件在下模中的径向位置凭目测估计。在模压过程中，随着工件的轴向尺寸逐渐伸长，径向尺寸则逐渐缩小。同时工件在压模中作径向游动。当压模闭合时，工件的螺旋孔壁缠绕在压模定位轴外圆上，即工件轴线与压模轴线重合，此时工件模压成螺旋叶片，而坯料外径D:缩小成叶片外径D，坯料内径d，缩小成叶片内径d。3.6螺旋叶片的校核校核叶片叶片的材料采用16Mn的钢查表知道叶片的420 MPa。253 MPa。图39 物料叶片上运动图物料颗粒M在p力作用下,在料槽中进行着一个复合运动,即沿轴向移动,又沿径向旋转,如图所示,既有轴向速度V1,又有圆周速度V2,其合速度为V。当螺旋体以角速度W绕轴回转时,若在螺旋叶片任一半径r的O点处有一物料颗粒M,则物料颗粒M的运动速度可由图的速度三角形求解。叶片上O点的线速度.就是物料颗粒M牵连运动的速度,可用矢量OA表示,方向为沿O点回转的切线方向;物料颗粒M相对于螺旋面相对滑动的速度,平行于O点的螺旋线切线方向,可用矢量AB表示。当不考虑叶片摩擦时,则物料颗粒M绝对运动的速度Vn应是螺旋面上O点的法线方向,可用矢量OB表示。由于物料与叶片有摩擦,物料颗粒M自O点的运动速度V的方向应与法线偏转摩擦角。现对V进行分解,则可得到物料颗粒自O点移动的轴向速度V1和圆周速度V2。因此,V1就是料槽中物料的输送方向,而V2则是对物料输送的阻滞和干扰。根据物料颗粒M运动速度图的分析,物料轴向移动的速度为: 由于， 所以而 所以由于所以又可写成同理可得： 。式中S螺旋螺距(mm)n螺旋转速(r/min)f物料与叶片间的摩擦系数,f=tan，是与物料的摩擦角()螺旋面升角()。据此,可得出物料在料槽内轴向移动速度V1和圆周速度V2随半径r而变化的曲线图。图310 物料轴向运动与圆周运动由图310可见, 对带状叶片，V2在半径长度范围内是变化的。在叶片边缘处，沿轴向运动的速度最大。 。代入数据知 285.3 mm/s =0.29 m/s。 = =164.2 mm/s 0.16 m/s。现在假设物料均是在最大速度上进行运动，在轴旋转一周时的时间内，在水平方向上，由动量守恒定律得tmv1代入数据得24.3 N。在竖直方向上，由动量守恒定律得tmv2代入数据得7.4N。0.3mg 1366.6 N。 叶片在叶边缘所受的力为F=1366.5 N。叶片在沿轴向看去为一圆环，由公式对y轴的惯性矩叶片弯曲时，最大正应力发生在弯矩最大的截面上由公式 0.075 MPa对实体叶片，V2在半径长度范围内是变化的。在叶片边缘处，沿轴向运动的速度最大。 。代入数据知 225.6 mm/s =0.2256 m/s。 = =129.8 mm/s 0.130 m/s。在水平方向上，由动量守恒定律得tmv1代入数据得21.7 N。在竖直方向上，由动量守恒定律得tmv2代入数据得7.2N。0.3mg 1590.3 N。 叶片在叶边缘所受的力为F=1597.8 N。叶片在沿轴向看去为一圆环，由公式对y轴的惯性矩叶片弯曲时，最大正应力发生在弯矩最大的截面上由公式 0.033 MPa 由于物料在刚接触叶片时，瞬间速度发生了较大的变化，对叶片来说有一个很大的力的冲击，在这个瞬间，叶片要承受较大的冲击。由于由上式计算出的结果可知远小于，叶片不会发生弯折的情形。可以认为这种冲击对叶片来说也是安全的。螺旋桨式螺旋叶片螺旋桨式螺旋叶片在连续式混凝土搅拌机当中，主要是用来使混凝土反向运动，使混凝土搅拌得更均匀，达到一定的硬度。然而由于叶片的作用，使混凝土在反向运动，而物料在运动的过程中突然受阻，叶片受到的阻力将突然增强。因此，叶片受到很强的推力，容易发生弯折。在水平方向上，由动量守恒定律得tmv1-mv2代入数据得14.5 N。在竖直方向上，由动量守恒定律得tmv2代入数据得4.8N。0.3mg 1883.25 N。 叶片在叶边缘所受的力为F=1883.4 N。叶片在沿轴向看去为一圆环，由公式对y轴的惯性矩叶片弯曲时，最大正应力发生在弯矩最大的截面上由公式 0.24 MPa参考一些其它的焊接方法，对于实体搅拌叶片有很长的焊缝，。我采用交错断续角焊缝。焊角尺寸为5 mm，相邻焊缝的间距为30 mm，焊缝段数为10段，每段焊缝长度为50 mm。对于带状叶片来说，主要是对叶片加强板两端的焊接。分别采用角焊缝，焊角尺寸为5 mm。第4章 轴的设计与计算4.1与联轴器联接的左轴的校核电机的功率；联轴器效率；减速器效率已知电机的功率是18.5KW。查表得联轴器的效率是0.99。减速器的效率是0.91代入公式得17.59 KW。4.1.1、初步估算轴的直径选取45号钢作为轴的材料，调质处理。查表得640N/mm2，由表查得材料许用应力60N/mm2。由公式 mm轴所传递的功率，KW；n轴的转速，r/min。A取决于轴材料的许用扭矩切应力的系数，其值查表知A=115计算轴的最小直径并加大3以考虑键槽的影响。则91.6 mm。在轴的最细的部分轴的直径取值为100 mm。图41 左轴结构4.1.2轴的结构设计确定各轴段直径和长度(1)段 根据圆整（GB5014-85）,并由T和n，根据减速器选择联轴器型号为(Q/ZB121-73)，比毂孔长度稍短，因此（1）段的长度选择为160 mm。（2）段 为使联轴器定位，轴肩应有一定高度，且符合标准密封内径和滚动轴承型号，因此（2）段的直径为110 mm。取端盖宽度为20 mm。查GB/T281-1994,暂选圆柱孔调心球轴承2322，其宽度为80 mm。轴承座的宽度为40 mm。筒左壁厚度为27 mm。考虑到端盖与联轴器之间有距离，（2）段总的长度为187 mm。 （3）段 为了和轴套配合，（3）段的直径为116 mm。轴套与轴连接用的是销轴，考虑到销轴成对使用，（3）段长度不宜过短，因此设计选（3）段长度为200 mm。4.1.3左轴机械加工工艺过程卡材料为45，热处理表41 工艺卡片工序号工序名称工序内容工艺装备10下料（棒料）20热处理调质处理4045HRC30粗车夹一端，车断面，见平即可，钻中心孔CA614040粗车掉头装夹，车端面，保证总长547mm，钻中心孔。CA614050粗车以中心孔定位装夹工作，粗车外圆各部，留加工余量2 mm。CA614060精车以两中心孔定位装夹工作，精车各部尺寸，留磨削余量0.4 mm。CA614070磨以两中心孔定位装夹工作，粗、精磨外圆中间部分至图样尺寸。M143280划线划mm键槽线90铣一夹一顶装夹工作，铣键槽mm，保证尺寸mm。X5020100钻以外圆为基准，钻销轴孔T618110检检查各部尺寸120入库入库4.1.4轴承的强度校核搅拌轴与壳体的连接，根据轴的直径，选用调心球轴承2322。查设计手册，2322轴承的主要性能参数（GB/T288-1994）为：C=215000 N， Co942000 N ， e0.39 ，YI=1.6， Y2=2.5 ， Yo1.7计算轴承支反力 设螺旋为标准的等螺距、等直径、螺旋面升角的单头螺旋。以距离螺旋轴线r处的物料颗粒M作为研究对象,进行运动分析旋转螺旋面作用在物料颗粒M上的力为P,由于物料与叶片的摩擦关系,P力方向与螺旋面的法线方向偏离了角。角的大小由物料对螺旋面的摩擦角及螺旋面的表面粗糙程度决定, 板拉制的螺旋面,可忽略其表面粗糙程度对角的影响,可认为。P力可分解为法向分力P1和径向分力P2。图32 受力分析从图上知，对任一个叶片来说，1597.8sin（71.236）1506 N。1597.8 cos（71.236）511.6 N。对对整根轴来说 511.694604.6 N 。因为/=0.34e 所以X取值为1，Y的值为1.6。滚动轴承若同时承受径向和轴向载荷，需将实际工作载荷转化为当量动载荷进行寿命计算。在当量动载荷P的作用下，轴承寿命与实际受载下轴承的寿命相同。当量动载荷的计算公式是 式中 径向载荷（N）；轴向载荷（N）； X ，Y径向系数和轴向系数； 冲击载荷系数由于搅拌机受到中等程度冲击，查表知=1.5调心球轴承主要承受径向载荷，也可承受少量双向的轴向载荷。所以，调心球轴承与推力球轴承共同作用才行。当量动载荷可以用代入数据可得 P=+31381.56 N。轴承基本额定寿命的公式是 式中 失效率百分之十的基本额定寿命基本额定动载荷（N）；当量动载荷（N）；寿命指数，对球轴承=3若轴承工作转速为n（r/min），以小时为单位的基本额定寿命公式为= 代入数据得=77094h由于实际工作中，混凝土不可能填满整个滚筒，调心球轴承的受力也不会是这么的大。但考虑到轴承是易损件，应该经常检查，及时更换调心球轴承。4.1.5轴的强度校核联接搅拌机轴筒和减速器的轴主要受到扭矩的作用而发生扭转轴上各个段都有受力矩的影响，选择其中受力较大、应力集中较严重的截面。应为直径较小的地方。在不考虑其余损失的情况下，轴的最大切应力由公式可得 T轴所受的扭矩； 抗扭截面系数。对于圆轴的圆截面来说,D为圆截面的直径。 代入数据得: 20.31轴满足抗扭强度。由于混凝土的填充系数为0.3.前面已经计算出单个叶片所受的径向力。在不考虑其它的影响。左轴承上所受的力为轴所受的最大弯矩M在轴端。弯矩=15069312=4228848N.mm。轴所受的扭矩T3103500N.mm。当量弯矩，取折合系数0.6，则当量弯矩4864379N.mm。由公式得轴的计算应力为=48.64该轴满足强度要求。4.2减速器与搅拌轴之间的连轴器里键的校核因轴的直径为100 mm。暂选普通平键。键的尺寸为 mm。键的材料用45钢。与键相对滑动的键槽径表面硬化处理查表知 =120 MPa。所在处传递的功率最大为由公式与实际输入转速相对应的额定输入功率工况系数连轴器的效率。效率为0.99电机的输入功率由于搅拌是工况属于中等冲击查表知 工况系数为1.5代入数据知/1.5=12.349 KW。在不考虑其余的损失的情况下，键所传递的扭矩为/n=9550x18.5/38=3103.5 Nm.键的连接工作面的压强公式为式中： T传递的转矩（N.mm） d轴的直径（mm） k键与连轴器的接触高度（mm），平键k0.4h。 b键的宽度 键的许用压强 L键的工作长度（mm）。l=L-b代入数据得：P105.4 MPa键的强度是安全的。4.3销轴的校核搅拌轴与轴之间的联接，由于有扭矩的传送。并且销轴还要受到力的作用。选择在搅拌轴上两头各用两个销轴联接。销的材料用45钢，并进行硬化处理，其许用切用力80100 MPa，许用弯曲应力=120130 MPa。销轴的抗剪强度F销所受的拉力；d销轴的直径。代入数据得：3.30 MPa由于该力