混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法

精品文档 1欢迎下载 混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法 1 1 混凝土搅拌筒主要结构尺寸的确定混凝土搅拌筒主要结构尺寸的确定 根据中华人民共和国建筑工业行业标准 JG T5094 1997 混凝土搅拌运输 车 搅拌筒的斜置角 的取值可参照下表 1 1 公称搅拌容量 m 3 搅拌倾斜角 拌筒最大转速 r min 1 0 1 5 2 0 2 5 18 20 3 0 4 0 4 5 5 0 6 016 18 7 0 8 0 9 0 10 0 12 010 15 14 18 由于运输车必须保证在坡度为 14 的路面上行驶且出料口面对下坡方向时 不产生外溢 故在计算搅拌罐的额定装载容量时取混凝土与搅拌轴线的夹角 0 arctan 0 14 8 2 0 1 图 1 1 搅拌罐体图 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 精品文档 2欢迎下载 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 因此 设计时 后锥加上球冠的长度基本等于中圆的半径 具体参见图 1 1 所 示 设前锥长为 中圆柱长为 后锥长为 中圆半径 r 则根据交通法 1 L 2 L 3 L 规的要求搅拌筒的最大半径 1 25rm 1 1 11 Lc r 1 2 32 Lcr 1 2 c c 取值范围1 41 8 取值范围0 80 97 为进料口半径 取值范围 250 310mm 2 r 中圆的长度要结合搅拌筒的额定容积确定 前锥角 1 14 2 16 1 取值范围 后锥角 2 15 20 取值范围 2 2 搅拌筒几何容积与装载容积的计算搅拌筒几何容积与装载容积的计算 2 12 1积分计算方法积分计算方法 2 1 1圆柱截段计算公式 如图2 1所示 2 1计算示意图 2 1 22 32 32 1 arccos 1 2 3 a hbbRRbb VRRbb bRR 若 为已知 可用代替 h b cot 2 1 2圆锥截段计算公式 2 2 12 11 33 b VHShS sin cos a h 其中 圆锥截段弓形的面积 2 3 22 1 111 arccos2 Rh SRRhRh R 其计算分三种情况 b h R 精品文档 3欢迎下载 a 当 为正值 2 1 cos 1 cos c 2 4 2 2 211111 11 211 3 2 111 22 ln 24 clbcblclbb Slblcl ccb 式中 cos Ha l b 2 5 3 2 2 8 tansin 3 Sal c 2 6 2 2 111 211 3 2 111 2 arccos 1 24 bbcl Slblcl ccb 2 1 3圆柱段搅拌筒计算 B A C E D R h2 h1 b1 b2 图2 2圆柱截台计算示意图 V1是一圆柱截台 是两个圆柱截段之差 112aa VVV 3222 111 11111 1 3222 222 22222 2 3 1 arccos 1 32 2 3 3 1 arccos 1 32 2 3 a a hbb VRRRbbRbb bRR hbb VRRRbbRbb bRR 精品文档 4欢迎下载 2 7 3 01122 1 12 222222 11112222 3 1 arccos 1 1 arccos 1 3 32 2 32 2 hbbbb VR bbRRRR RRbbRbbRRbbRbb 2 1 4前锥圆锥段搅拌筒计算 V2是一个圆锥台截段 圆台截段就是两个圆锥截段之差 如图2 3所示 B R H A C S S S H C H 图2 3 小圆锥截台计算示意图 21212 11 33 VHShSHShS 2 8 21122 1 3 VH SSh SS 2 1 5后锥圆锥段截台计算公式 V3是从一个圆台体减去一个圆台截体 如图2 4 计算公式如下 22 30111 1 3 VHRRR RV 2 9 22 30111122 11 33 VHRRR RH SSh SS B R H A C S S S 图2 4 圆锥截台计算示意图 精品文档 5欢迎下载 2 2 经验公式 搅拌筒设计的最大装载容积V与搅拌筒的几何容积Vj存在以下经验公式 0 5 0 65 j V V 2 3 重心位置的计算 2 10 112233123 1 1223 3123 XV XV XV XVVV YVYV YVYVVV 体积的计算如前 其中是各段重心的坐标 1 2 3 ii X Y i 3 3 驱动功率的计算驱动功率的计算 3 13 1 搅拌力矩曲线搅拌力矩曲线 混凝土搅拌的过程力矩曲线变化规律如图 3 1 所示 Nm min 12 3 4 56 图 3 1 搅拌力矩曲线 0 1 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 1 2 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 4 5 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 精品文档 6欢迎下载 出而逐渐下降 5 6 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 准备下一个循环 3 23 2 驱动阻力矩计算驱动阻力矩计算 搅拌筒驱动阻力矩由拌筒与支承系统的摩擦阻力矩与拌筒搅拌阻力矩共同 组成 其以拌筒搅拌阻力矩最难计算 3 1MMM 驱搅支 3 2MMMMM 搅筒摩叶摩流阻偏 3 2 1 积分公式计算方法 a 拌合料与筒壁间的摩擦力矩M筒摩 如图 3 1 拌合料与筒壁或与搅拌叶片间的单位摩擦力 f 图 3 1 装满拌合料的搅拌筒剖面图 3 3 12 fkkV 2 1 2 2 30 1 9 8 10 40 1 9 8 10 ks ks 式中 k1 粘着系数 kN m2 k2 速度系数 kN m2 V 拌合料速度 精品文档 7欢迎下载 s 混合料的坍落度 3 4 33 12 11 22 ii iii ii dd MfSkkVS 筒摩 式中 搅拌螺旋叶片外圆线速度 i i i V S d 搅拌螺旋叶片外圆线速度 锥筒各段内表面与混凝土实际摩擦面面积 锥筒各段试验计算直径 3 5 1 1211 0 6 0 8 22 d Sdd h 3 6 23 0 5 0 7 Sdh 3 7 23 32 0 3 0 5 2 dd Sh 2 11 3 22 33 2 2 d dd d dd dd b 拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩M叶摩 r r R R 2 d 1 F F F K a r 图 3 2 螺旋叶片断面投影 图 3 2 为拌筒内螺旋叶片的端面投影 任取一半径 r 该半径对应的叶片螺旋 开角为 k 近似认为对应于各 r 处的螺旋开角 均等于中径上的螺旋开角 精品文档 8欢迎下载 2 122 cos 2 dMr f dA KK Vrdr 叶摩 V2 拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度 2 2 12 2 60cos30cos 2 30cos nrnr V nr dMKKrdr 叶摩 则 3 8 2 1 2 12 2 3344 2 12121 2 30cos 2 360cos R R nr MKKr dr K n K RRRR 叶摩 式中 R1 搅拌螺旋叶片断面投影最小半径 R2 搅拌螺旋叶片断面投影最大半径 c 流动阻力矩 由于拌合料眼螺旋升角方向运动 所以取微元面积 2 cosdArdr 设混凝土的单位平均流动阻力系数为 p 则取微元面积上的法向阻力 2 cos p dFp dArdr sin2tan r dFdFprdr 周向流阻 周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩 2 2tan r dMr dFpr dr 流阻 3 9 2 1 33 22 2 tan 3 R R MdMpRR 流阻流阻 其中 p 值的确定较复杂 除与搅拌筒和叶片的结构参数有关外 还与混凝上的 水灰比 配合比 坍落度 外加剂和易性等有关 一般取 2 20 30 pkN m d 由筒体的转动引起的偏载 对搅拌筒的阻力矩 见图3 3 拌合料在随拌筒搅拌的同时 由于拌合料受到与筒壁和搅拌叶片间的 摩擦阻力矩的作用 使拌合料向转动方向提升 其重心偏向转动一侧 出现偏 心距e 对拌筒运动产生阻力矩 e值的精确确定目前还有困难 除与拌筒结 构有关外 还与拌合料的性质有关 只能采取先近似计算 再用实验验证的方 法确定 对拌合料来说 共受到三个力矩的作用 即偏心力矩 与简体的 摩擦力矩 与叶片的摩擦力矩 由力矩平衡条件得 精品文档 9欢迎下载 0 0 M GeMM GeMM 筒摩叶摩 筒摩叶摩 F r 图 3 3 脚板筒偏载示意图 对简体来说 又受到由于拌合料的偏心距 产生的阻力矩作用 在数值上M偏 等于 Ge MMM 偏筒摩叶摩 3 102 MMMM 搅筒摩叶摩流阻 2 2 2Lieberherr 的经验公式 2 MMMFr MFrM 偏筒摩叶摩 搅流阻 实验测得 0 5MFr 流阻 3 112 5MFr 搅 式中 r 偏心距 一般取0 1m F 混凝土重量 精品文档 10欢迎下载 3 33 3搅拌筒驱动功率的计算搅拌筒驱动功率的计算 按求得的拌筒搅拌阻力矩 再根据传动系统的总效率 拌筒与支撑系统的 摩擦阻力矩及拌筒转速n 即可求出搅拌筒的驱动功率N kw M支 3 12 716 2 716 2NC MMnCM n 驱搅支 式中 搅拌筒支撑机构所克服的摩擦阻力矩 M支 搅拌筒脚板阻力矩 M搅 机械效率 一般0 8 0 9 C 考虑峰值的影响系数 1 2 1 4 n 转速 rpm 4 4 搅拌出料机理 搅拌出料机理 4 14 1物料下滑角物料下滑角 4 1 1 物料的下滑角 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 4 1 是混凝土下滑角与坍落度 s 关系曲线 图 该图由试验所得 图 4 1 s 关系曲线图 由曲线图可知 混凝土的坍落度越小 s 5 cm 的混凝土为干硬性混凝土 下滑角就越大 精品文档 11欢迎下载 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 4 2 所示 即斜面上对水平面 H 的最大倾斜线 AC 图 4 2 斜面及最大倾斜面 s 方向 由图 4 2 可得 4 1sinsin cossin cos nn 又因为 n 所以 cos cos cossinsscoin n 代入上式得 4 2 sin sitncos sinna n 同理 4 3 sin sitancos sinn nn 4 1 2 混凝土有效下滑出料的条件 如图 4 3 所示 图 4 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 精品文档 12欢迎下载 S 表示 螺旋线的切线用表示 螺旋面的母线用 n 表示 S n 线的对地 倾角分别用 表示 n a 当拌筒转角 0 时 面积元 A 处于拌筒最低位置 1 0 90 S 线与 n n 线重合 90 S 线垂直指向筒壁 物料积在筒壁处 b 当拌筒转到 0 物料也将顺着筒壁沿线方向下滑出料 但当 时 物料不能下滑而被叶片带着继续上升 为叶片螺旋角 d 当拌筒转到 90 时 物料沿 S 线下滑 此时 S 线指向离开筒壁 达不到出料目的 根据以上分析 物料有效下滑出料的条件是 时 面积元 A 的 S 线下滑指 向不离开筒 5 5 搅拌叶片设计 搅拌叶片设计 5 15 1 搅拌叶片设计原则搅拌叶片设计原则 设计搅拌罐的搅拌叶片时 一般在前锥和后锥段采用对数圆锥螺旋线 中 圆段采用圆柱螺旋线 搅拌罐的搅拌和出料性能与螺旋线的螺旋升角和螺旋角 有着密切的关系 螺旋升角 螺旋角之间存在着的关系 总的来 90 说 螺旋升角越大搅拌性能越好 但出料性能越差 因此 在设计时 要综合考 虑以下几点 后锥螺旋叶片主要是为了实现搅拌功能 因此设计时在满足物料下滑 一般下滑角 的前提下尽量加大螺旋升角 但为了避免前锥积料 改30 善出料性能 应减少小端处的螺旋升角 中圆段是搅拌与出料的过渡段 为提高搅拌性能应适当提高螺旋叶片顶 端螺旋升角 为改善出料性能应使螺旋叶片直纹与搅拌简轴线有一定夹角 实 精品文档 13欢迎下载 践中 我们一般让这一夹角等于后锥的半锥角的余角 从而较好地实现这两种 功能 也更便于与后锥螺旋线的拟合 前锥螺旋叶片主要是实现快速卸料 并起一定拌和作用 而且避免出料 时出现离析 实际设计时 越靠近出口的位置越要选用大的螺旋角 即小的螺 旋升角 这样可以提高搅拌罐的出料性能 5 2 非等边角对数螺旋线设计搅拌叶片理论 搅拌叶片在前锥和后锥部分采用的是对数螺旋线 其母线的方程为 5 1 0 cossin0sin exp sin tan sincos00 001cos x y z 其中为螺旋角 为初始极径 为半锥角 为螺旋转角 0 当是一定值时 螺旋线为等角对数 圆锥 螺旋线 当是一个变量时 该 螺旋线即为非等角对数螺旋线 则可以表示为 5 2 0 c t 其中可以是 或 等 t 1t tt 01 t 1 cos t t 0 2 t 表 5 1 搅拌叶片设计参数 B mm 前锥 38081 365 78 t 15 89 10 9 90 中圆 38067 7 0 19 18 74 11 后锥 83 3494 579 t 19 76 7 2 74 11 380304 其中 1 cos t t 0 2 t 非等角队输螺旋线叶片设计和拟合方法 首先根据螺旋线的上升趋势 修改螺旋角 改变螺旋线的走势 变化趋势 为更好地进行曲线拟合提供条件 在两条相接的螺旋曲线的端点附近取若干点 采用最小二乘法进行曲线拟和 图 5 1 5 2 5 3 是分别采用等角对数螺旋线 等变角对数螺旋线和非 等变角螺旋线设计而成的搅拌叶片的螺旋母线 其螺旋角的变化函数取值如下 精品文档 14欢迎下载 5 1 等角对数螺旋线正视图和右视图 图 5 2 等变角对数螺旋线正视图和右视图 图 5 3 非等变角对数螺旋线正视图和右视图 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 很好的满足了搅拌和进出料的设计要求 6 6 关于关于 8 5LP8 5LP 搅拌罐的有关探讨及重新设计搅拌罐的有关探讨及重新设计 6 16 1 8 5LP8 5LP 搅拌罐规律研究搅拌罐规律研究 经过对 8 5LP 搅拌罐搅拌叶片焊接位置的分析 发现叶片的前锥和后锥曲 线规律基本符合等变角对数螺旋线 中圆符合圆柱螺旋线规律 精品文档 15欢迎下载 表 6 1 后锥叶片螺旋线参数 计算点极径极径增量螺旋转角螺旋角 13291 310 23371 3180 1 6 80 49 33468 3197 1 3 79 65 43571 31103 1 2 79 25 53691 31120 2 3 78 69 63871 31180 5 6 77 24 74071 31200 76 11 表 6 2 中圆叶片螺旋线参数 计算点升程增量螺旋转角螺旋角 100 2230230 1 6 69 1 3495265 1 3 67 7 4735240 1 2 67 9 5985250 2 3 67 8 61235250 5 6 67 7 71461226 1 60 67 7 从表中的数据我们可以看出 虽然螺旋角和极径的增量不是很规律 规则 但总的说来 螺旋线的螺旋角变化是规律的 我们可以认为是等变角 考虑到 误差和设计因素 我们可以认为 对于后锥最底部的一段是为了出料彻底 而 对其螺旋角进行的加大调整 与中圆结合部分为便于拟合而对螺旋角进行了适 当调整 对于前锥 考虑到进口叶片第一段是为了出料要求进行调整 最后一段是 为了和中圆叶片进行拟合的需要而进行调整 我们主要以中间的点进行研究 于是可以发现 螺旋角是微量递增的 考虑误差因素 可以看成是等变角对数 螺旋线 也可以看成是等角对数螺旋线 但根据影响搅拌和出料的因素 我们 精品文档 16欢迎下载 认为采用等变角甚至是非等变角对数螺旋线更为合适 表 6 3 前锥叶片螺旋线参数 计算点极径极径增量螺旋转角螺旋角 1 1653 1626 0 216618 35 1 6 83 14 3169736 1 3 83 12 4175861 1 2 81 64 5181456 2 3 81 22 6187359 5 6 80 92 7193259 80 78 8197846 7 6 81 02 9203759 4 3 80 95 10209760 3 2 80 93 11216972 5 3 80 75 12223263 11 6 80 76 13230775 2 80 65 14238679 13 6 80 55 15245771 7 3 80 54 16253679 5 2 80 50 17263498 8 3 80 34 精品文档 17欢迎下载 18272490 17 3 80 27 192859135 3 79 96 203050191 19 6 79 41 213205155 10 3 79 17 6 26 2 8 5LP8 5LP 搅拌罐的实验设计搅拌罐的实验设计 参见图6 1 圆锥螺旋线的极径的计算公式 6 1 sin tan 0e 根据这一公式 我们写出等变角或非等变角的变化关系式 带入不同的螺旋转 角和对应的螺旋角 角度离散化 就可以借以确定各关键点的坐标和尺寸 对于中圆 其曲线方程为 6 2 cos sin tan XR YR ZR 这里我们研究的主要参数是 Z 在圆柱体上我们可以把它叫做升程 螺旋角变 化规律不同 那么对应的升程规律就不同 精品文档 18欢迎下载 0 M o z y x 图6 1 计算锥 6 2 16 2 1方案一方案一 后锥曲线螺旋角规律采用余弦函数 中圆圆柱螺旋线螺旋角采用等变角递减规 律 前锥曲线螺旋角采用余弦对数螺旋线规律 对于后锥来说 我们取螺旋角规律为 6 3 sin15 89 tan 3291 13e 其中 83 3494 579 1 cos 01 2 p ptt 我们分别取以及对应的 将螺旋转 3393 3 9 20 10 20 5 4 10 t 25 6 3 236 角离散化 得到不同的值 从而得到对应的不同的极径 按照这样的极径 在搅拌罐上描点 得出螺旋叶片在搅拌罐上的近似焊接线 具体取值以及计算 修正搅拌叶片的轨迹数据见表6 4 同样道理 对于中圆 导程公式为 1151 5 tanZ 精品文档 19欢迎下载 其螺旋角变化规律为 6 469 1 3t 计算数据如表6 5 表6 4后锥螺旋叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角计算极径 1081 363291 2 1 6 80 853368 3 1 3 80 183459 4 1 2 79 373568 5 2 3 78 433701 6 5 6 77 413863 7 76 324058 8 10 9 75 584208 表6 5中圆螺旋叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角计算升程 10690 2 1 18 68 9377 3 1 6 1 18 68 73313 4 1 3 1 18 68 52554 5 1 2 1 18 68 32799 6 2 3 1 18 68 111050 7 5 6 1 18 67 911305 8 1 18 67 71566 精品文档 20欢迎下载 对于前锥来说 sin19 76 tan 1626e 其中 83 3494 579 1 cos 2 2 01 2 p pttt 其参数计算祥见表6 6 6 6前锥螺旋线叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角t 值极径 圆整 后 1083 350 1653 1626 2 1 6 83 331 211660 3 1 3 83 282 211695 4 1 2 83 231 71732 5 2 3 83 154 211770 6 5 6 83 035 211812 7 82 902 71856 8 7 6 82 741 31904 9 4 3 82 558 211957 10 3 2 82 353 72014 11 5 3 82 1310 212077 12 11 6 81 8811 212146 13 2 81 624 72223 14 13 6 81 3513 212308 精品文档 21欢迎下载 15 7 3 81 062 32401 16 5 2 80 765 72505 17 8 3 80 4416 212620 18 17 6 80 1217 212746 19 3 79 796 72887 20 19 6 79 4519 213042 21 10 3 79 1120 213213 22 7 2 78 7713404 6 2 26 2 2方案二方案二 后锥曲线螺旋角规律采用等变角递减规律 中圆圆柱螺旋线螺旋角采用等变角 递增规律 前锥曲线螺旋角采用等变角递减规律 对于后锥来说 我们取螺旋角规律为 sin15 89 tan 3291 13e 其中83 3494 579t 具体计算数据见表6 7 对于中圆 导程公式为 1151 5 tanZ 其螺旋角变化规律为 66 1 7t 具体计算数值见表6 8 对于前锥来说 sin19 76 tan 1626e 其中 83 3494 579t 计算参数见表6 9 表6 7方案二后锥螺旋叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角计算极径 1081 363291 精品文档 22欢迎下载 2 1 6 80 493371 3 1 3 79 633468 4 1 2 78 763585 5 2 3 77 893722 6 5 6 77 033882 7 76 164065 8 10 9 75 584208 表6 8方案二中圆螺旋叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角计算升程 1066 2 1 18 66 0989 3 1 6 1 18 66 36352 4 1 3 1 18 66 63608 5 1 2 1 18 66 89858 6 2 3 1 18 67 161100 7 5 6 1 18 67 431337 8 1 18 67 71566 表6 9方案二前锥螺旋叶片计算参数 计算点螺旋转角螺旋角t 值极径 圆整 后 1083 3501626 2 1 6 83 131 211661 精品文档 23欢迎下载 3 1 3 82 912 211699 4 1 2 82 691 71741 5 2 3 82 484 211785 6 5 6 82 265 211834 7 82 042 71886 8 7 6 81 821 31943 9 4 3 81 608 212004 10 3 2 81 393 72070 11 5 3 81 1710 212141 12 11 6 80 9511 212217 13 2 80 734 72300 14 13 6 80 5113 212388 15 7 3 80 302 32484 16 5 2 80 085 72587 17 8 3 79 8616 212698 18 17 6 79 6417 212818 19 3 79 426 72948 20 19 6 79 2119 213087 21 10 3 78 9920 213238 22 7 2 78 7713404 6 2 36 2 3方案三方案三 精品文档 24欢迎下载 后锥曲线螺旋角规律采用等变角递减规律 中圆圆柱螺旋线螺旋角采用等角规 律 前锥曲线螺旋角采用等变角递减规律 对于后锥来说