混凝土搅拌车搅拌系统仿真设计

1、混凝土搅拌车搅拌实验系统仿真设计学生姓名：班级：指导老师：才商要：混凝土搅拌运输车是用于解决商品混凝土运输的运输工具。它兼有载 运和搅拌混凝土的双重功能，可在运送混凝土的同时对其进行搅拌或搅动， 因此 能在保证输送的混凝土质量的同时适当延长运距（或运送时间）。所 以大力发展 商品混凝土和搅拌运输车有明显的社会效益和适用价值。而我国 混凝土运输车起步较晚，到70年代才开始试生产。目前，搅拌运输车的理论 研究及生产在我省及整个西北地区均处于空白。因此搅拌运输车的理论研究 及开发势在必行。搅拌运输车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料的功能，主要 是因为拌筒内部特有的两条连续螺旋叶片在工作时形成螺旋运动，从

2、而推动 混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。因此两条叶片的螺旋曲线 的形式及结构直接影响搅拌筒的工作性能。本论文基于物料在螺旋叶片上的 搅拌出料机理对螺旋叶片的工作原理、主要技术参数进行理论分析和计算， 同时对前锥段、 后锥段的螺旋叶片进行展开设计；对拌筒进行几何设计。搅 拌筒既是搅拌运输车运输混凝土的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。 几何设计是搅拌筒结构设计的基础，它包括几何容积计算、外形尺寸的确 定、搅拌筒有效容积及满载时重心位置计算。为使混凝土搅拌运输车的搅拌 装置系列化，以满足用户要求，借用计算机程序语言对其进行设计。基于功 率键合图的建模方法，利用大型软件matlab的仿

3、真工具箱simulink ,对混凝土搅拌运输车液压系统进行设计分析，同时建立系统动态仿真模型，用此 来模拟液压系统工作过程，更好地反映系统中各输出变量随输入变量的变化 关系。尤其是对辅助泵调节斜盘角度系统、变量主泵控制系统及恒速控制系 统进行详细的分析，为液压系统的进一步优化设计提供有益的借鉴。关键词：混凝土搅拌运输车拌筒液压系统功率键合图几何设计数学模型螺旋叶片动态特性展开仿真指导老师签名：design of the structure of the truck mixer and digitalsimulationof its hydraulic system student name:c

4、lasssuperviso 匚abstract： the truck mixer is a vehicle for transportation concrete. it is fuelled two actions,conveying concrete and mixing concrete. these actions not only ensure the quality of the concrete, but also make the conveying distance longer. but in thenorthwest area of our country, resear

5、ch on the field of the truck mixer is little. so the truck mixer must be developed strongly in order to meet the need of the risingconcrete market. three important parts are studied in this thesis. firstly, thehelix-vanes of the truck mixer are designed following the principles of the flowing state

6、of the concrete on the helix-vane. secondly, the drum of the truck mixer is designed base on its working characteristic. thirdly, with the widely used soft ware package simulink the mathematic models of the hydraulic system driving the truck mixer are established on the found of the theory and metho

7、d of power bond graph. the dynamic characteristics of the hydraulic system are simulated numerically, and some significant results are presented.key words: truck mixer drum spread hydraulic system mathematic models structure design helix-vanes power bond graph dynamic characteristics simulationsigna

8、ture of supervisor:目录1 .绪论1.1 混凝土搅拌车的介绍41.2 课题研究背景61.31.4 本文研究内容及方法82 .搅拌筒的结构设计2.1 搅拌筒的工作原理102.2 搅拌筒的整体构成102.3 拌筒主要结构尺寸参数的确定112.4 切割法求装载容积132.5 积分法求装载容积142.6 搅拌筒几何容积计算182.7 满载时拌筒的重心位置183 .驱动功率的计算3.1 搅拌力矩曲线193.2 驱动阻力矩计算193.3 搅拌筒驱动功率的计算234 .螺旋叶片的设计及仿真4.1 螺旋叶片上螺旋角的确定244.2 搅拌叶片的母线方程274.3 搅拌叶片设计294.4搅拌叶片

9、的仿真设计和模态分析334.5搅拌叶片结构应力分析37参考文献 致谢一 附录,4344441.绪论1.1混凝土搅拌车的介绍商品混凝土的发展从根本上改变了传统上工地自制混凝土，用翻斗车或自 卸卡车进行输送，就近使用的落后生产方式，建立起一种新的生产方式，即许 多施工工地所需要的混凝土，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。由于混凝十工厂便于应 用现代电子技术，使用计算机控制生产，可以得到精确配比和均质拌合的混凝 ,使混凝土质量大大提高，所以对于整个施丁工程起到良好的促进作用。但 是混凝土的商品化生产，势必把混凝土从厂站输送到各个需求工地之间的

10、距离 相应加长，有些供应点甚至很远。当混凝土的输舒巨离（或输送时间）超过 某一限度时，叮燃使用一般的运输机械进行输送，混凝土就可能在运输途中发 生分层离析，甚至初撇见象，严重影响混凝土质量，这是施工所不允许的。因 此为了适应商品混凝土的输送，发展了一种运送混凝土的专用机械一混凝土搅 拌运输车（以下简称搅拌运输车）。图1.1所示就是这种搅拌运输车的外形和 基本结构。搅拌运输车多作为混凝十工厂或搅拌站的配套运输机械，通过搅拌 运输车将混凝土工厂、搅拌站与许多施工工地联系起来，如与混凝土输送泵 配合使用，在施工现场进行“接力”输送，则可以完全不再需要人力的中间周 转而将混凝土连续不断的送到施工浇注点

11、，实现混凝土输送的高效能和全部机 械化。这样不但大大的提高了劳动生产率和施工质量，而且有利于现场的文明 施工，这对于城市建设 尤其是现场狭窄的施工工地更加显示出它的优越性。 随着国民经 济的发展，一些大型建筑工程对现浇混凝土的大量需求，大力发 展商品混凝土和搅拌运输车有明显的社会效益和适用价值。搅拌运输车实际上就是在载重汽车或专用运载底盘上安装一种独特的混凝土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可以在运送 混凝土的同时对其进行搅动或搅拌。因此能保证输送混凝土的质量，允许适 当延长运距（或运送时间）。基于搅拌运输车的上述工作特点，通常可以 根据对混凝土运距长短、现场施工条件以及

12、对混凝土的配比和质量的要求等 不同情况，采 取下列不同的工作方式：（1）预拌混凝土的搅动运输这种运输方式是搅拌运输车从混凝土工厂装进已经搅拌好的混凝土，在 运往工地的路途中，使搅拌筒作大约1-3r/min的f氏速转动，对运输运的 混凝土不停地进行搅动，以防止出现离析等现象，从而使运到工地的混凝土 质量得到控制，并相应增长运距。但这种运输方式其运距（或运送时间） 不宜过长，应控制在预拌混凝土开始初凝以前，具体的运距或时间视混凝土 配比和道路 气候等条件而定。（2）混凝土拌合料的搅拌运输这种运输方式又有湿料和干料搅拌运输两种情况。湿料搅拌运输是指搅 拌运输车在配料站按混凝土配比同时装入水泥，砂石骨

13、料和水等拌合料，然 后在运送途中使搅拌筒以8-12r/min的“搅拌速度”转动，对混凝土拌合料 完成搅拌作业。干料注水搅拌运输是指在配料站按混凝土配比分别向搅拌筒 内加入水泥、砂石等干料，再向车内水箱加入搅拌用水。在搅拌运输车驶向 工地途中的适当时候向搅拌筒内喷水进行搅拌。也可根据工地的浇灌要求运 干料到现场后再注水搅拌。混凝土拌合料的搅拌运输，比预拌混凝土的搅动运输能进一步延长对混凝土的输送距离（或时间），尤其是混凝土干料的注水搅拌运输可以将混 凝土送到很远的地方。另外，这种运输方式又用搅拌运输车代替了混凝土工 厂的搅拌工作，因而可以节约设备投资，相对提高生产率。但是，搅拌运输 车的搅拌却难

14、以获得象混凝土工厂生产的那样和易性好均匀一致的混凝土, 所以，在对混凝土的质量要求愈来愈严格的现代建筑施工中，对预拌混凝土 的搅动运输是搅拌运输车的主要工作方式。从上述几种工作方式看出，搅拌运输车能根据工作条件的需要灵活应 用，可以充分发挥其特点。它不但配合商品混凝土的生产，而且反过来发展 了商品混凝上的生产工艺，把混凝土从工厂的“集中搅拌”又延伸到许多搅 拌运输车的所谓“分散搅拌”，因而扩大了混凝土工厂的服务范围，与一般 的运输机械相比，它有较大的灵活性、适应性，并有较高的生产率，成为现 代混凝土施工中的有效运输工具。12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

15、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2008年29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。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2006年起，我国240多个城市要全面 使用商品混凝土，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。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。本课题针对中国 重汽集团专用

16、汽车公司生产的混凝土搅拌车（如图1.2）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t佛f究的资助1965生或者通过技1、国内方面：搅拌车的开发期年是引年代初期，井混凝土1982年开始，。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 3 m3x 4 m3、5 m3、6 m3、8 m3v 10 rra 12 m3等品种，8 m3以下正在逐渐淘汰，向着 10 m 12 m

17、3甚至更大容积发展，但整机性能与国外相比还有一定差距。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。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。2、国外方面：19世纪40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， 19世纪80年代用钢铁件代替木板。20世纪初开始改良为圆柱形搅拌筒。 1926

18、年美国生产出搅拌容积为3m3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，1965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）-混合 螺旋线搅拌叶片的混凝土搅拌车。2000年，美国的christensorno nalde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；2005年澳大利亚的khouri anthonjya mes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

19、年来，澳大利亚vulca、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。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。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

20、。本文研究内容及方法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4080万之间，其中一个混凝土搅拌系统 造价大约10万元。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一搅拌筒完成的，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。充分的文件

21、检索和实际调研表明，了解螺旋叶片出料机理分析是设计搅 拌装置的基础。也是生产具有更好搅拌性能但又不降低混凝土质量的基础。 冲击小、响应决而且效率高的液压系统是搅拌运输车传动系统设计的关键。搅拌运输车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料的功能，主要是因为拌筒内 部特有的两条连续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。因此两条叶片的螺旋曲线的形式及结构 直接影响搅拌筒的工作性能。本论文应用静力学 运动学的原理阐述螺旋叶 片的工作原理并对主要技术参数进行理论分析。为螺旋叶片的结构设计提供 理论依据。搅拌筒既是搅拌运输车运输混凝上的装载容器，又是搅拌混凝土的工作 装置。几何设计是搅拌筒结构设计的基础，它包括几何容积计算 外形尺寸 的确定、搅拌筒有效容积及满载时重心位置计算。本论文对搅拌筒进行几何 设计。螺旋叶片的几何参数直接影响搅拌筒的搅拌和卸料性能。目前，应用于 搅拌运输车的拌筒叶片螺旋面的形式有：正螺旋面 圆锥对数螺旋面两种。 本论文对搅拌筒内螺旋叶片曲线参数的选择及展开进行计算，并加以搅拌 系统的仿真设计与运动模拟。2