混凝土搅拌运输车搅拌筒的研究与设计

1混凝土搅拌运输车搅拌筒的研究与设计本文主要包括以下内容：1、绪论部分2、搅拌筒的结构设计及受力分析3、驱动功率的计算4、搅拌筒螺旋叶片的设计5、搅拌筒螺旋叶片的三维造型设计山大兴邦技术中心制2摘要混凝土搅拌运输车结构上主要由独立的汽车底盘和混凝土搅拌装置两部分组成。一般汽车底盘主要起到运输和对搅拌筒提供动力的作用，而搅拌装置则是装载混凝土及对其起搅拌和卸料的作用。本文着重对混凝土搅拌运输车的搅拌筒筒体及其内部搅拌叶片进行研究与设计。混凝土搅拌运输车搅拌筒筒体的结构一般是由三部分组成，即由前、后锥段筒体和中段圆柱筒体焊接而成。本文在设计搅拌筒筒体时，主要通过计算机辅助设计得到搅拌筒体相关的几何尺寸，然后通过 ANSYS 软件重点对其进行静态受力分析，得到相关的应力、位移分布云图和变形图，这对设计搅拌筒筒体时进行选材和几何结构尺寸优化起到重要的验证依据。混凝土的搅拌和卸料主要取决于搅拌筒中的两条螺旋叶片，因此螺旋叶片的设计对搅拌运输车就显得格外重要。本文通过对叶片的理论设计计算进行编程，得到叶片的等分点值，然后利用 Pro 甩软件对其进行造型设计。将螺旋叶片在搅拌筒的不同部位进行分段，结合程序运算的每段数据，对螺旋叶片分别进行造型设计和拟合，最终得到了两条准确的螺旋叶片。另外，在对螺旋叶片的拟合问题上，本文的设计解决了实际制造中，螺旋叶片衔接不上，用钢筋逼焊在一起，产生应力不均等相关的问题。最后，将建模技术应用于混凝土运输车搅拌筒的研究，对其设计、制造有重要的指导意义。这种研究思想和方法，在众多企业激烈的竞争中，确保了混凝土的质量和满足不同工作环境的需求，使得混凝土运输车的研制向着高效率、高技术、高质量及智能化控制的方向发展，对于研究和开发其它高性能机械产品具有一定的指导意义和实用参考价值。3目录一、绪论 .51.1 混凝土搅拌运输车的国内外现状和发展趋势 .51.2 混凝土搅拌运输车的结构及工作原理 .61.2.1 混凝土搅拌运输车的结构 .61.2.2 混凝上搅拌运输车的工作原理 .71.3 混凝土搅拌运输车的类型和特点 .81.3.1 混凝土搅拌运输车的类型 .81.3.2 混凝土搅拌运输车的特点 .91.4 本文主要研究内容 .9二、搅拌筒的结构设计及受力分析 .112.1 搅拌筒的结构和工作原理 .112.2 搅拌筒的结构设计计算 .122.2.1 搅拌筒的几何容积 .122.2.2 搅拌筒的有效容积计算 .122.2.3 搅拌筒各参数的确定 .132.3 搅拌筒筒体的有限元分析 .162.3.1 搅拌筒工作状态的受力分析 .162.3.2 用 ANSYS 对搅拌筒筒体进行建模及分析 .172.3.3 用 ANSYS 对搅拌筒封头法兰进行分析 .342.4 本章小结 .39三、驱动功率的计算 .403.1 搅拌力矩曲线 .403.2 驱动阻力矩计算 .403.2.1 拌合料与筒壁间的摩擦力矩 .41M筒 摩3.2.2 拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩 .42叶 摩3.2.3 流动阻力矩 .433.2.4 由筒体的转动引起的偏载，对搅拌筒的阻力矩 .433.3 搅拌筒驱动功率的计算 .444四、搅拌筒螺旋叶片的设计 .464.1 搅拌筒螺旋叶片的工作原理 .464.2 搅拌筒螺旋叶片的曲线、曲面设计 .464.2.1 搅拌筒螺旋叶片的螺旋曲线的选择 .464.2.2 搅拌筒螺旋叶片的螺旋曲面的选择 .484.3 搅拌筒螺旋叶片的计算机辅助设计 .524.3.1 前锥段螺旋叶片的计算 .524.3.2 圆柱段螺旋叶片的计算 .584.3.3 后锥段螺旋叶片的计算 .594.4 搅拌筒螺旋叶片的展开计算 .654.4.1 计算锥的建立 .654.4.2 前锥段螺旋叶片的展开计算 .684.4.3 圆柱段螺旋叶片的展开计算 .714.4.4 后锥段螺旋叶片的展开计算 .724.5 本章小结 .74五、搅拌筒螺旋叶片的三维造型设计 .765.1 用 Pro/E 对搅拌筒螺旋叶片进行三维造型设计 .765.1.1 用 pro/E 绘制搅拌筒的螺旋线 .765.1.2 用 Pro/E 对螺旋叶片进行三维造型 .845.1.3 螺旋叶片在搅拌筒三段中的衔接 .905.2 本章小结 .925一、绪论1.1 混凝土搅拌运输车的国内外现状和发展趋势随着建筑业的发展，混凝土使用量也不断增加，而我国混凝土主要用于城市公共设施、民用住房的建筑中。目前，从商品混凝土的年消耗量来看，小、中等城市约为 100300 万 m3，而大城市约为 300 一 500 万 m3，要将这些商品混凝土从搅拌站运到施工现场，混凝土搅拌运输车就起着关键的一个环节。假设按每辆搅拌运输车运输预拌混凝土每年可达 1.5 万 m3 计，那么就需要大概几十甚至几百辆混凝土搅拌运输车来服务于每个城市，因此就产生了一个特殊运输行业混凝土运输业。自进入 21 纪以来，混凝土搅拌运输车在我国也进入了高速的发展时期，成为当今建筑业的“宠儿” 。由于混凝土搅拌运输车的发展是由汽车专业分工细化的结果，随着市场上混凝土需求量的增大，这块市场已被众多企业看好。随着全民经济的快速发展和国家在基础设施建设方面力度的加大，如项目数量和规模扩张速度明显的加快，这就给混凝土搅拌运输车提供了广阔的市场前景。尽管市场前景较好，但是国内混凝土搅拌运输车行业仍存在混乱的局面，面临如下的问题:(1)生产混凝土搅拌运输车的企业较多，在国内有限的销售市场上，竞争显得特别激烈，企业的利润受到严重的影响，从长期来看，对企业的发展不利。(2)国家对混凝土搅拌运输车市场管控不严，导致运营混乱，缺少规范，部分生产厂家的应收货款有限，普遍存在资金周转困难。(3)新产品的开发很多是模仿国外产品，真正自主开发的产品不多。虽然存在较多的问题，但由于该行业正处于旺势，近几年国内对混凝土搅拌运输车每年的需求量都在增长，因此，上述的好多问题有的将会被掩盖。若国内企业把握住了该行业发展的黄金时段搞好研发设计，强化企业的竞争力，那么，当市场回落到来的时候，生产混凝土搅拌运输车的企业也健康发展起来了。反之，若同某些行业那样，在价格上互相竞争，则很有可能导致整个行业陷入困境。目前，我国市场上的混凝土搅拌运输车装载量多为为 6 一 10m3，以生产地来来分，有 3 种类型:6(l)国产的汽车底盘，如陕汽德龙、内蒙奔驰、山东斯太尔等重型车底盘。安装国产搅拌筒和引进技术生产的驱动装置，这种配置的车型价格和维修费较低，配件有保障，但容易出现问题，故障频繁。(2)采用进口的驱动装置和底盘，其它配件用国内生产的安装。其底盘采用日产、日本产三菱、欧洲奔驰、沃尔沃等 15t 级的汽车底盘;驱动装置的液压泵、液压马达、液压阀等关键部件从国外进口。这种配置价格高于国产，而且系统具有较高的可靠性，在国内使用者较多。(3)整车进口，质量较好，但价格、配件都比较昂贵、技术服务不方便。1.2 混凝土搅拌运输车的结构及工作原理1.2.1 混凝土搅拌运输车的结构混凝土搅拌运输车种类较多，不同的种类在结构上也有许多差异，但从基本的原理来看，大多都是由专用的混凝上搅拌装置和汽车运载底盘两大部分组成。我国市场上的混凝土搅拌运输车多采用由生产企业制造的二类通用底盘，其装用的控制机构主要有搅拌筒前、后支架、搅拌筒、操纵机构、液压系统、取力器、减速机、清洗系统等。混凝土搅拌运输车的外形如图 1.1 所示。图 1.1 混凝土搅拌运输车混凝土搅拌运输车的基本结构:1.取力装置一般国产中小型混凝土搅拌运输车采用普通载重汽车底盘、液压一机械传动共用动力的取力方式，而大容量的搅拌运输车采用独立驱动的取力方式。取7力装置的功能是通过控制取力装置的开关把发动机中的动力取出，经液压系统将动力传给搅拌筒，在运输或进料过程中，搅拌筒须正向旋转(从车尾看顺时针旋转)，方便进料和搅拌混凝土;在出料过程中，搅拌筒须反向旋转(从车尾看逆时针旋转)，以便快速出料。整个工作完成后，关闭取力装置的开关即可。2.液压系统该系统把用取力器从发动机得到的动力，转成液压能，再通过马达输出转成机械能，从而将动力提供给搅拌筒驱使其转动。3.减速机由于搅拌筒转速较低，故通常用减速机把马达输出的转速减速后，传递给搅拌筒驱使其转动。4.操纵机构(l)操纵机构可控制搅拌筒旋转方向，使搅拌筒在进料和运输过程中，正向旋转;在出料过程中，反向旋转。(2)操纵机构可控制其转速满足每个环节需要。5.搅拌装置搅拌筒和支撑其辅助件构成搅拌装置整体。搅拌筒是装载混凝土的容器，混凝土拌合料在其转动过程中沿搅拌筒内壁的螺旋叶片的螺旋方向运动，在叶片作用下卷起和跌落，使混凝土不断的搅拌混合。在进料或运输中，搅拌筒正转，混凝土在叶片的作用下向筒底运动，进行搅拌;在出料时，搅拌筒反转，混凝土在叶片的作用下向筒口外卸料。由上可见螺旋叶片的作用是非常重要的，工作过程中受到冲击力和磨损比较严重，其完好程度会使混凝土搅拌的不均匀。另外，螺旋叶片的角度设计若不合理，很有可能使混凝土发生离析现象。6.清洗系统搅拌筒的清洗主要靠清洗系统来完成，由于其具有水箱，有时在运输过程中对干料进行拌水。另外液压系统的冷却也是通过清洗系统来完成。1.2.2 混凝上搅拌运输车的工作原理本文研究的混凝土搅拌运输车的工作原理是经过取力装置将汽车底盘的动8力取出，用其驱动液压系统的变量泵，把机械能转成液压能传递给定量马达，然后通过马达再将转速传给减速机进行减速，由减速机将转速传给搅拌筒驱动其转动，从而实现对混凝土进行搅拌和卸料的作用。实际上是在专用运载底盘上通常会安装一种独特的组合机构，它兼有搅拌和载运混凝土的双重作用，即能够将混凝土的运载和搅拌同时进行。因此，保证了运载混凝土的质量，可以允许适当延长运送时间，由于其上述的工作特点，一般根据对混凝土运输距离的长短、施工现场条件以及对混凝土质量和配比不同情况的要求等，分别采取不同的工作方式。一般有两种工作方式:(l)预拌混凝土的搅动运输将在混凝土搅拌站己经搅拌好的混凝土直接装入搅拌运输车进行运送，在运途中，搅拌筒大约以 1 一 3r/min 转速转动，使筒内混凝土得到不断搅动，以预防了离析现象，从而保证了混凝土质量。但这种方式运输混凝土的距离不宜过长，一般控制在混凝土初凝以前，根据混凝土配比和路况、天气等条件可定出运距或时间。(2)混凝土拌合料的搅拌运输一般有两种情况:干料和湿料搅拌运输干料注水搅拌运输-在配料站将沙石、水泥等干料按混凝土配比加入搅拌筒内，再将搅拌用水加入车内水箱。在运途中适当的距离或时间将水喷向搅拌筒内，对混凝土进行搅拌，也可到工地后搅拌。湿料搅拌运输一在配料站将沙石骨料、水泥和水等混凝土拌合料按配比同时装入搅拌筒内，搅拌筒在运输途中以 8 一 12r/min 的转速转动，对拌合料进行搅拌，完成搅拌作业。上述两种方式相比，后者更能延长对混凝上的运距(或时间)，特别是混凝土干料的注水搅拌运输，能够满足远距离的混凝输送。第二种方式的混凝土搅拌运输车从某种程度上，基本替代了混凝土工厂，为使用者不仅在设备上节省了投资，而且使生产率也大大提高。但是，在混凝土和易性，均匀等质量上存在着问题，不像搅拌站生产的混凝土那样好，所以，为保证混凝土的质量，满足现代建设施工的要求，第一种运输方式自然成了搅拌运输车首选主要工作方式。91.3 混凝土搅拌运输车的类型和特点1.3.1 混凝土搅拌运输车的类型混凝土搅拌运输车的分类标准较多，但无论哪种形式的分类，从基本的结构原理上来看，一般都是由汽车运载底盘和搅拌专用装置两大部分组成。由此可把搅拌运输车按如下分类:(1)根据搅拌装置进行搅拌传动的不同形式，可分为:液压传动、机械传动和机械一液压传动等形式的搅拌运输车。(2)根据运载底盘不同的结构形式，可分为:半拖挂式专用底盘和普通载重底盘两种形式的搅拌运输车。(3)根据动力不同的配置形式，可以分:独立驱动和共用动力的两种搅拌运输车。1.3.2 混凝土搅拌运输车的特点1.专业性强对于预拌混凝土必须由专用的混凝土搅拌运输车来的运输，要求自动完成装料和卸料，运途中要对筒内的预拌混凝土不断地进行搅动，防止离析或板结现象，以保证预拌混凝土到施工场地的质量。而对于拌合料则要求搅拌运输车具有水箱装置，根据运输的距离，在途中适机加水进行混合搅拌，可不受距离限制。2.服务性强预拌混凝土的运输的服务对象大多为建筑工地，故一切工作都围绕用户对工地施工的进度来安排。只要用户施工需要，就立即将预拌混凝土送到用户指定的地点，能够做到随叫随到，不影响施工进度，也不会造成预拌混凝土的浪费，同时还会增加企业的信誉度。3.时间性强预拌混凝土生产出来后，应在 2h 以内使用到工作面上(对时间要求因预拌混凝土的型号不同而不同，有些特殊型号的预拌混凝土必须在 20min 内使用)，在使用时间内混凝土搅动不能停止，直到某一工作面完工为止，其间供应连续，不能中断。这些要求必须一环扣一环地严格满足，否则会影响工程的质量，没有“灵活掌握”的余地。104.运输距短混凝土的运输距离因使用的时间性而被限制了，再加之交通法规和道路车况的不同程度，混凝土的运输距离一般控制在 20km 以内。1.4 本文主要研究内容通过对混凝土搅拌运输车的文献阅读及上网查阅，了解了国内外的搅拌运输车的现状，随着经济的复苏和发展，国家基础设施的建设和城市化快速发展，混凝土搅拌运输车的研究也随之发展，为了满足不同地区，不同建筑工地环境的需求，这就使得混凝土搅拌运输车向着高效率、多品种、低能耗以及智能化等方向发展，本文主要研究的方向是针对提高搅拌运输车的工作效率、低能耗进行的研究。搅拌筒是混凝土搅拌运输车的重要组成部分，同时也是设计研究的重要部分。搅拌筒的外形尺寸是进行设计的基础，根据用户或场地等多方面的要求，这就提供了对搅拌筒的容量和强度设计要求。根据这些大方面的要求就可进行搅拌筒筒体的外形几何尺寸、容量，材料选择等方面的设计。本文主要是应用计算机的辅助设计及专业的软件来完成整个搅拌筒筒体的结构及受力分析。搅拌螺旋叶片是混凝土搅拌运输车的核心组成之一，也是本文研究的主要对象之一。现有混凝土搅拌运输车的搅拌叶片多数在制造上存在一定的问题，如叶片连接不光顺，叶片焊接时存在应力，叶片螺旋角度不精准等一系列问题，而本文则主要针对这些问题进行逐一的解决和改善。混凝土搅拌运输车的螺旋叶片的设计在混凝土的搅拌和卸料上起着非常关键的作用。目前，市场上的搅拌运输车有的在搅拌质量上存在问题，有的在卸料上时间耗费长，残留在搅拌筒内的混凝土较多，那么，如何设计搅拌螺旋叶片才能使混凝土搅拌运输车在整个工作过程中效率更高些，从上述情况来看，研究混凝土搅拌运输车的搅拌筒及内部的搅拌叶片就显得非常重要。11二、搅拌筒的结构设计及受力分析2.1 搅拌筒的结构和工作原理混凝土搅拌运输车的搅拌筒大多数采用的是不标准的梨形结构，本课题也采用此结构，搅拌筒通过支撑辅助装置斜卧在底盘车架的后台上，可以绕其轴线转动，搅拌筒的后上方只有一个筒口分别通过进、出料装置进行装料或卸料。其外形如图 2.1 所示。图 2.1 搅拌筒外形结构示意图1 一装料斗;2 一环形滚道;3 一滚筒壳体;4 一连接法兰;5 一减速器;6 一机架;7 一支撑滚轮:8 一调节机构;9 一活动卸料溜槽;10 一固定卸料溜槽整个搅拌筒的筒体是一个变截面不对称的双锥体，外形似梨形，分别由前段锥体，圆体和后段锥体构成。前段锥体较短，端面封闭并焊接法兰，通过连接法兰与减速器连接。后段锥体的过度部分有一条环形滚道，它焊接在垂直于12搅拌筒轴线的平面圆周上，整个搅拌筒通过连接法兰和环形滚道斜卧置在固定机架上的减速器壳体和由一对滚轮支撑所组成的三点支撑座结构上，由减速器带动搅拌筒平稳的绕其轴线转动。在环形滚道上还设计了一条保护钢带，它的作用是汽车在恶劣的道路上颠簸行驶时防止搅拌筒跳动。安装机架是由水平框架、前台、后台和门形支架组成，通过相对应位置的若干个螺栓将搅拌筒与汽车底盘相连接，使搅拌筒牢牢的固定在底盘上，防止其摇摆窜动。2.2 搅拌筒的结构设计计算2.2.1 搅拌筒的几何容积搅拌筒由两个不对称的圆锥台和一段圆柱体组成，故它们的体积就是搅拌筒的几何容积。对于封头部分内部焊有一加强锥，且球缺高度小，球体半径大，其几何容积很小，可忽略，而且拌筒内部有两条螺旋叶片，厚度较小，也可忽略。因此计算出来的几何容积比实际几何容积略大。由几何关系，得计算公式如下:V 总=V(前锥圆台)+V(中段圆柱)+V(后锥圆台);HR2圆 柱 hr231圆 锥V(前锥圆台)、V(后锥圆台)的值为两个圆锥的体积之差。2.2.2 搅拌筒的有效容积计算实际应用中的搅拌筒是斜置的，其中心线与水平面之间成一倾角，假设混凝土拌合料是理想流体，在搅拌筒内应形成一水平面，因此混凝土拌合料在搅拌筒内形成了特殊的不规则体积。一般可通过两种方法计算它的体积:一是切割法，即将混凝上拌合料纵向切成若干薄片，其断面成弓形，把所有薄片的体积累加起来，得出它的体积。那么为了提高计算精度，必须切的越多越好，这无疑增加了运算量，而且计算的结果为近似值;另一种是公式法，即根据几何关系，用积分公式推导进行计算。其特点是公式复杂，计算容易出错，没有切割法那么容易理解，但计算结果准确度高些而且运算量相对要小些。搅拌筒各部分的有效容积计算，首先根据搅拌筒截面的几何形状，如图 2.2 所示。13图 2.2 搅拌筒截面示意图由图 2.2 中可看出搅拌筒的轴向横截面被化简后的形状，并且在图中的每个线段顶点处标上字母，以便计算时容易区分。图中坐标原点在搅拌筒后锥筒口的中心上，即线段 AH 的中点，其中 是四条直线的表达式。在实xY41际的设计中，混凝土搅拌筒的有效容积一般都比选定有效容积大些，因为搅拌筒内有搅拌叶片和其它一些辅助搅拌的设计，它们也有一定的体积，再加上搅拌运输车在运输中不可能将混凝土装的很满，以免由路面，施工场地，车速等外界因素引起的混凝土外溢，故设计中会有有意将有效容积加大处理。在设计时，计算搅拌筒各部分的体积时，直接利用 AUTOCAD 画出其截面真实大小的模型，测出各点的坐标值，然后利用 Pro/E 绘制出三维实体模型，直接便可测出各部分的体积。2.2.3 搅拌筒各参数的确定1.搅拌筒斜置角度搅拌筒的斜置角度的大小直接决定搅拌筒的有效装载量，它虽不是拌筒壳体本身参数，但拌筒的工作性能(搅拌、卸料)，支承性能(对底盘的载荷分布)、进出料高度等受它影响。综合考虑上述因素，参考国内外现有同类型车(容量为8 )的参数和国家标准局发布的 混凝土机械搅拌输送车型式和基本参数试3m行标准，取搅拌筒斜置角为 13142.拌筒最大直径根据有关实验表明:梨型搅拌筒壳体的中部直径大，而底锥较短，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，而月.搅拌筒重心适当前移，对搅拌功能和车的整体是有利的。所以，拌筒的最大直径不能超过底盘的最大宽度，应尽量接近底盘的宽度，使搅拌筒形接近球体形状，这样不仅有以上好处，而且在容量一定的条件下可以缩短拌筒长度，降低搅拌运输车整车的高度，改善了搅拌运输车的整体性能。3.前后锥半锥顶角为保持搅拌筒在斜置时，后锥上部有平直的高度和一定的卸料性能，后锥半锥角的取值应接近拌筒的斜置角，参考国内现在同类车的经验值，前锥半锥顶角的值一般为 20 一 25，后锥的为 14.2 一 16.1。4.筒各部分壁厚和材料的确定为了尽量减轻搅拌筒上的自重，提高拌筒有效装载量，并保证筒壁及叶片有足够的强度和抗磨损能力，现在一般都使用高强耐磨合金制作搅拌筒壳体和螺旋叶片，参考同类车的选材，采用 16Mn 钢。搅拌筒壳体和叶片都是按工作时磨损程度的不同来分段，以不同厚度的钢板焊接而成，根据实验数据和使用结果来看，拌筒中、底部的筒壁受混凝土压力最大，拌拌运动剧烈，磨损也最严重。参考有关资料和模拟国内外同类车搅拌筒体的壁厚，搅拌筒前锥段和圆柱段采用 6mm 厚 16Mn 钢板，后锥部分考虑到搅拌过程中受混凝上压力较小，磨损相对小，故采用 4mm 厚的 16Mn 钢。因封头安装支承轴，承受拉、压、弯、扭等十分复杂的外力作用，故取封头壁厚为 6mm。后锥轨道采用铸钢材料。同时，搅拌叶片在搅拌运输过程中，亦受到较严重的磨损，故采用 4mm 厚 16Mn 钢板。5.搅拌筒外形几何尺寸设计计算搅拌输送车梨形搅拌筒的壳体各部分的尺寸和形状的设计，是一个比较复杂的问题。搅拌筒倾斜放置在汽车底盘上，其轴线与混凝土表面有一夹角，根据经验或采用比照法，预先确定拌筒尺寸，然后进行有效容量校核，很难得出理想的拌筒尺寸。本文采用计算机辅助设计进行循环计算，以得出较理想的拌筒尺寸。搅拌筒的有效容积校核是根据国家标准(报批稿)的规定，即梨形搅拌筒的有效容积与几何容积比值(搅拌筒的填充率)应满足:15式（2-1）%5.1jVV有效容积(搅拌筒能够运输的预拌混凝土量)几何容量j当搅拌筒有效容积 8 ，拌筒的斜置角 13，混凝土密度为 2450Kg/m (一3m3般为 1800 一 2450Kg/m );钢板密度为 7900Kg/m 等已知参数输入到程序界面，3运行后得到一系列的搅拌筒几何尺寸数据，然后执行容积校核循环程序，即得到一组最佳数据。yl=550mm y2=1150mm y3=762mmLl=2259.45mm L2=1213.68mm L3=934.8mm后锥半角 a =15 前锥半角 a =23 由上面数据，利用 AUTOCAD 和 ProfE 软件，12作出搅拌筒各部分有效容积真实大小的三维实体模型，在测量前，将实体模型的密度设置成混凝土密度，这样就能测出其体积和重量等相关参数。由图 2.3 测量可得搅拌筒后锥段的有效容积: =2.67m1V3其混凝土质量:M =6533.4Kg1图 2.3 后锥段的有效容积由图 2.4 测量可得搅拌筒圆柱段的有效容积: 3256.mV其混凝土质量:M =8733.9Kg216图 2.4 圆柱段的有效容积由图 2.5 测量得搅拌筒前锥段的有效容积: =2.34m3V3其混凝土质量： 5733.4Kg3M图 2.5 前锥段的有效容积同理，利用三维软件可测得，搅拌筒的几何容积: 352.1mVj那么根据公式(2-l)可得:=63.3%51.5%52.13467.jV式中 V(包含螺旋叶片体积)的值要比实际的值大些，从计算结果看，完全满足搅拌筒的填充率要求。2.3 搅拌筒筒体的有限元分析2.3.1 搅拌筒工作状态的受力分析17混凝土搅拌运输车的筒体是一个金属板筒体的焊接构件，为了满足机械强度的要求，也需要进行强度校核。本文采用壳体理论进行筒体的强度校核，首先筒体在工作时，受有自身的重量、混凝土重量和回转驱动而引起的扭矩作用，其次由于混凝土在筒体内的流态呈不规则变动，又因混凝土性质而不同，这种外载荷也是变化的。另外，筒体在汽车行使过程中还会增加不规则的动载作用，因而筒体无论从结构上还是受力状态上都是比较复杂的。为了便于工程计算，也要进行一些简化，这样就可以用比较少的工作量，计算得出可供参考的结果。本文在利用 ANSYS 对搅拌筒的受力进行分析时，对搅拌筒作了如下的假设:(1)搅拌筒体是由前、后两个锥壳(其中后锥上有一个环行滚道)，一个柱壳、一个半球壳及球壳上的发兰组成的;(2)假定只有封头法兰和半球壳受扭矩，绝大部分薄壳所有横截面上都没有扭矩，也就是绝大部分薄壳处于无扭矩状态;(3)由于整个搅拌筒在工作时除了旋转运动以外，还随着底盘运动，动载荷很复杂，所以可以用静载荷来代替动载荷，其结果再乘以一个系数作为最后结果，这样可以简化建模的复杂性;(4)根据静载荷假设，边界条件为前端法兰固定，后端滚道由两个滚轮支撑;(5)不考虑圆柱段表面开孔的影响;(6)不考虑混凝土与筒壁之间的摩擦力和冲击力。2.3.2 用 ANSYS 对搅拌筒筒体进行建模及分析1.搅拌筒的实体建模由于搅拌筒是一个绕轴旋转的实体，且形状和受力都是对称的，在 ANSYS中可通过设置参数来对对称实体模型进行局部分析，这样可节省建模时间，简化分析难度，因此下面的分析就只对一半模型进行分析。最后可利用对称性看到完整的分析图形。(1)设置单元选项。在 ANSYS 11.0 中，设计置单元类型。执行 Utility MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，弹出Element Type对话框。单击 Add 按钮，弹出如图 2.6 对话框。选择“Structural Shell”和“4node181”选项，单击 OK 键。18图 2.6 单元设置对话框(2)壳体厚度设置。执行 Utility MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete 命令，弹出对话框，单击 Add，再单击 OK，弹出如图 2.7 对话框，输入厚度 6，单击 OK 完成单元设置。图 2.7 壳体厚度设置(3)设置材料属性。执行 Utility MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，弹出对话框如图 2.8 所示，单击StructuralLinearElasticIsotropic 后，按顺序输入材料 16Mn“弹性模量 2.le11”和“泊松比 0.27”，然后单击 OK 完成设置。19图 2.8 材料属性设置(4)生成关键点。选搅拌筒的前锥小端圆心为坐标原点，x 轴沿着拌筒的旋转中心线朝着后锥的方向为正，建立坐标系，将筒体在 x 轴上半边横截面上所有点的坐标求出，然后再 ANSYS 中绘制这些点。执行 Main MenuPreprocessorModelingCreateKey pointsInactive CS 命令，弹出图 2.9 对话框。逐个将点输入后，单击 OK 按钮，生成如图 2.10 所示的关键点。图 2.9 创建关键点20图 2.10 生成关建点（5）生成旋转线段。将这些点按筒体外形绘出要旋转的实体截面线段，执行Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLines Straight Line命令，然后单击 OK 按钮，依次选择要连接的线段，得到如图 2.11 所示的模21图 2.11 创建旋转线段（6）生成实体模型。执行 Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeLinesAbout Axis 命令，然后选择要旋转的线段，之后选择旋转轴线，输入 180，单击 OK 按钮，得搅拌筒的半个实体模型图如图 2.12 所示。22图 2.12 搅拌筒半边实体模型（7）模型完善。然后分别按前面的步骤，分别建立搅拌筒封头法兰盘、后锥的环形轨道、支撑托轮以及搅拌筒斜置时的混凝土水平线，如图 2.13 所示。23图 2.13 加混凝土水平线的实体模型2.网格划分的设置（1）设置单元大小。本文设计时，由于搅拌筒结构比较简单，而且按壳单元分析，故采用四边形单元格式，自由划分网格，由于某些地方的不规则，故会出现少量的三角形单元。先执行 Main MenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsManual SizeGlobalSize命令，弹出如图 2.14 对话框，然后输入单元大小为 0.05，单击 OK，完成单元大小的设置。24图 2.14 设置单元大小（2）自由划分网格。执行 Main MenuPreprocessorMeshingMeshAreasFree 命令，弹出对话框，然后单击 Pick All 按钮，完成自动划分网格的设置，如图 2.15 所示。图 2.15 网格划分结果3.添加边界条件在实际的应用中，搅拌筒是通过前锥段封头法兰盘和后锥段上的滚道与底25盘上前端的法兰盘和后端与滚道相接触的两个托轮，三点固定的。其中，底盘法兰是与减速器相连，为了防止产生不必要的应力，通常把减速器设计成可以在 X 轴、Z 轴方向作轻微的转动(一般范围为士 4o)，从而增加对力外的缓冲，也就是说，在法兰上只限制 X、Y、Z 方向的位移和 X 方向的转动。(1)先在 ANSYS 中选择拌筒法兰上的所有节点，然后执行 Main MenuSolutionDefine LoadApplyStructuralDisplacementOn Nodes 命令，弹出对话框如图 2.16 所示，进行边界设置，完成后单击 OK 按钮，边界添加完成，如图 2.17 所示。图 2.16 法兰边界设置26图 2.17 法兰边界设置完成(2)对于两个托轮则只是限制搅拌筒在 Y、Z 方向上的位移和转动，对 X 方向的位移和转动则没有限制。在 ANSYS 中选择两个托轮上的所有节点执行 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes 命令，弹出如图 2.18 所示对话框，对边界进行设置，完成后单击 OK 按钮，边界添加完成，如图 2.19 所示。图 2.18 托轮边界设置27图 2.19 托轮边界设置完成(3)由于分析的是搅拌筒半边模型，故需要在搅拌筒的周边截面上加上一个对称约束，执行 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.COn Areas 命令，弹出对话框，依次选择截面后单击 OK，完成对称约束的添加，如图 2.20 所示28图 2.20 添加对称载荷4.施加载荷(1)载荷的计算由于搅拌筒的受力很复杂，为了能够了解受力最大时刻的应力分布及变形情况，并且在分析结果的精度要求不高的情况下，可以把混凝土因重量而对搅拌筒产生的压力分为前锥、中间圆柱段、后锥三段来分别施加加载。三段载荷的计算如下，已知:后锥 2.67m ，M =6533.4Kg;圆柱段1V313.56m ，M =8733.9Kg;前锥 2.34m ，M =5733.4Kg;搅拌筒的斜置角为2V32313;搅拌筒部分自身的重力也可利用 Pro/e，绘制实体测出， 3793.6N;后 锥G387lN; =2787.1N;g=9.8N/Kg。圆 柱G前 锥由此可得出:=6533.4 9.8 eos13=62386.3N13cos1gMF=8733.9 9.8 cosl3=83398.5N2=5733.4 9.8 eosl3=54747.2Ncs3(2)搅拌筒斜置时，混凝土水平面将搅拌筒分成上、下两个部分，前、后锥直接选用表面力添加到内表面的下半部分，先选择后锥下表面上的所有节点，然后执行 Main MenuSolutionDefine Loads ApplyStructuralpressureOn Nodes 命令，弹出对话框，单击 Pick All 按钮，弹出如图 2.21 所示对话框，然后输入-62386.3，单击 OK 按钮，载荷加载完成，如图 2.22 所示。29图 2.21 后锥载荷输入图 2.22 后锥载荷加载完成同理，分别加载前锥和圆柱段的载荷如下图 2.23 和 2.24 所示。30图 2.23 圆柱段载荷加载图 2.24 后锥段载荷加载(3)由于搅拌筒斜置，使得每段筒体在搅拌筒前锥端盖面和法兰面上，产生一个力重力的分力 F，按上述同样的方法，将它加载端盖和法兰面上，如 2.25和 2.26 所示。NgMF 5.462913sin8.94573.84.6531sin321 图 2.25 载荷输入31图 2.26 端盖法兰加载完成(4)由于搅拌筒具有自重，在加上是斜置在底盘上，故自重会对前段和圆柱段下半部分产生较大的作用力，而后锥自重影响较小，可忽略。分别选用前段和圆柱段的下半部分上所有的节点，将重力加载上，如图 2.27 所示。32图 2.27 自重加载完成5.求解(l)执行 Utility MenuSelectEverything 命令，使整体模型选中进行计算。接着执行 Main MenuSolutionSloveCurrent LS 命令，单击 OK，直到出现 Slove is done 后，再单击 close 按钮，计算完毕后保存结果。(2)查看变形图。执行 Main MenuGeneral post ProePlot ResultsDeformed Shape 命令，弹出如图 2.28 所示对话框，在“Def+undeformed”选项前加点，单击 OK 选项，得到变形图如图 2.29 所示。图 2.28 设置变形图对话框33图 2.29 节点变形图(3)查看应力和位移云图。执行 Main MenuGeneral postproePlot ResultsContour PlotNodal Solu 命令，弹出如图 2.30 所示对话框，然后分别选“Nodal Solution”和“Stress”中选项，单击 OK，可得到节点位移图云图和应力云图，如图 2.31 和 2.32 所示。在 ANSYS 分析过程中，设计者可根据设计要求的不同，分别查看需要的变形或应力变化图。34图 2.30 设置位移和应力云图对话框图 2.31 节点位移云图35图 2.32 节点的应力云图通过变形图 2.29 可看出，搅拌筒在前锥和圆柱段的下半部分变形较为严重些，故这里的选材应适当加厚些；由图 2.31 可看出，搅拌筒圆柱段的底部和后锥段的上部变形位移比较大些；由图 2.32 看出，变形部分的应力和支撑点附近的应力比较大些。2.3.3 用 ANSYS 对搅拌筒封头法兰进行分析搅拌筒的封头法兰盘处强度分析的实体建模和搅拌筒的建模完全相同，所以不需要重新建模，只要在 ANSYS 中利用对称设置生成一个完整的搅拌筒实体模型，然后新建一个封头法兰分析模型，即添加边界条件和载荷，其他建模的处理，如网格的划分，材料属性的设置等都与筒体的建模处理方法相同。1.边界条件的添加由上述的假设可知，在搅拌筒的前锥段、圆柱段和后锥段上均不受扭矩作用，底盘连接法兰所传递来的力矩全部由封头法兰的球壳部分来承受。所以，搅拌筒的前锥、圆柱和后锥部分面上所有的节点均受到约束，故只在前锥上添加约束即可。在 ANSYS 界面中选择前锥面上的所有节点，然后执行 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn 36Nodes 命令，弹出选项框后单击 Pick All 按钮弹出如图 2.33 所示对话框，对边界进行如图中的设置，完成后单击 OK 按钮，边界添加完成，如图 2.34 所示。图 2.33 前锥边界设置图 2.34 前锥边界添加完成2.载荷的添加经查阅相关文献和对混凝土搅拌运输车工作周期的分析可知：搅拌运输车整个工作周期中在搅拌筒刚刚反转出料的瞬间扭矩最大，根据一般 8m 搅拌运337输车的瞬间扭矩情况，本文设置扭矩为 4500N。如果法兰和封头在出料瞬间的情况下满足强度要求，则在其他的工作情况下也不成问题，所以本文就反转出料的瞬间作强度分析，其载荷为在法兰圆盘外圆柱面上所有节点关于 X 轴的一个力矩。根据模型的具体情况，在搅拌筒封头法兰盘的外圆柱面上所有节点添加上关于 X 轴的力矩 4500N。在 ANSYS 界面中，先选中封头法兰盘外圆柱面上的所有节点，然后执行Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes 命令，弹出选项框后单击 Pick All 按钮，弹出如图 2.35 所示的对话框然后选择力矩输入-4500 即可，单击 OK，完成力矩载荷的添加，如图 2.36 所示。图 2.35 法兰力矩设置38图 2.36 法兰力矩添加完成3.求解执行 Utility MenuSelectEverything 命令，使整体模型选中进行计算求解。接着执行 Main MenuSolutionSolveCurrent LS 命令，单击 OK 直到出现 slove is done 后，再单击 close 按钮，计算完毕保存。4.查看计算结果(1)查看变形图。执行 Main MenuGeneral postProePlot ResultsDeformed Shape 命令，弹出如图 2.28 所示对话框，在“Def+undeformed”选项前加点，单击 OK 选项，得到变形图如图 2.37 所示。39图 2.37 封头法兰节点变形图(2)查看节点位移和应力云图。执行 Main MenuGeneral postproePlot ResultsContour PlotNodal Solu 命令，弹出如图 2.30 所示对话框，然后分别选“Nodal Solution”和“Stress”中选项，单击 OK，可得到节点位移图云图和应力云图，如图 2.38 和 2.39 所示。40图 2.38 封头法兰处节点位移云图图 2.39 封头法兰处节点应力云图由上述分析的云图可知，封头法兰处受力变形最严重的部位在法兰与前锥41段的球壳部分，其变形的位移可以直接的在图中看到。如果这里的强度不足，就会使搅拌筒封头严重变形，以致破裂，此处一般都需要加强厚度，也可以采用一些方法，如在法兰处的圆周及球壳上加焊加强筋等方法来使其达到所要求的强度。2.4 本章小结1.以 8m 混凝土搅拌运输车为例，利用 C 语言程序编写循环计算程序，通过计3算机辅助设计对搅拌筒筒体的外形及总体几何尺寸进行循环计算，最后得到优化设计数据。2.利用 ANSYS 软件对搅拌筒筒体进行假设简化后的静态受力分析，得到相关的受力和位移云图，可看出设计的问题点，以便改进设计，对此行业的设计与研究具有一定的参考价值。3.通过对搅拌筒计算分析后，得到可靠的设计数据，为后面的搅拌螺旋叶片设计提供了必要的设计依据。42三、驱动功率的计算3.1 搅拌力矩曲线混凝土搅拌的过程力矩曲线变化规律如图 3.1 所示：Nm min123456图 3.1 搅拌力矩曲线01：加工工序，搅拌筒以 14-18rmp 正转，在大约 10min 的加料的时间里，搅拌筒的驱动力矩随着混凝土不断被加入而逐渐增大，在即将加满时，力矩反而略有下降；12：运料工序，在卸料地点，搅拌输送车停驶，搅拌筒从运拌状态制动，转入14-18rPm 的反转卸料工况，搅拌筒的驱动力矩在反转开始的极短时间内陡然上升，然后迅速跌落下来； 45：卸料工序，搅拌筒继续以 14-18rPm 的速度反转，驱动力矩随混凝土的卸出而逐渐下降； 56：空筒返回，搅拌筒内加入适量清水，返程行驶中搅拌筒作 3rPm 的返向转动，对其进行清洗，到达混凝土工厂，排出污水，准备下一