混凝土搅拌车搅拌系统设计

混凝土搅拌车搅拌系统设计图2.158.5LP型搅拌车图2.8螺旋叶片焊接曲线表2-1前锥焊接尺寸X--mm序号ABCDE1A86613051644----276812331588----367811701529----4543109514701749--5352101614241749--619794513651705--7--86613051644--8--76812331588--9--67811701529--10--54310951470174911--35210161424174112--197945136517051B----86613051644搅拌筒的工作原理搅拌筒的工作原理用图1来说明。图为通过搅拌筒轴线的垂直剖面示意图。其中(a),(b)为剖开搅拌筒的两部分，斜线代表螺旋叶片，为其螺旋升角，为搅拌筒轴线与底盘平面的夹角。我们设定图a所示方向为“正向”，图b所示方向为“反向”。工作时，搅拌筒绕其自身轴线转动，混凝土因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起来，但在达到一定高度后，必在其自重G作用下，克服上述摩擦力和内聚力而向下翻跌和滑移。由于搅拌筒在连续的转动，所以混凝土即在不断的被提升而又向下滑跌的运动中，同时受筒壁和叶片所确定的螺旋形轨道的引导，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。当搅拌筒做图a所示方向的“正向”转动时，混凝土将被叶片连续不断的推送到搅拌筒的底部，同时到达筒底的混凝土势必又被搅拌筒的端壁顶推翻转回来，这样在上述运动的基础上又增加了混凝土上下层的轴向翻转运动，达到了搅拌筒对混凝土进行充分搅拌的目的。当搅拌筒做图b所示方向的“反向”转动时，叶片的螺旋运动方向也相反，这时混凝土被叶片引导向搅拌筒口方向移动直至筒口卸出，从而达到卸料目的。图1搅拌工作原理搅拌系统的基本设计方法1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α的取值可参照下表3.1:公称搅拌容量（m）搅拌倾斜角（）拌筒最大转速（r/min）1.0，（1.5），2.0，（2.5）18～2014～183.0，（4.0），4.5，（5.0），6.016～18（7.0），8.0，（9.0），10.0，12.010～15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图3.1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，则根据交通法规的要求搅拌筒的最大半径，3-13-2为进料口半径，取值范围250-310mm中圆的长度要结合搅拌筒的额定容积确定。前半锥角后半锥角图3.2计算示意图2.搅拌筒几何容积与装载容积的计算2.1积分计算方法1）圆柱截段计算公式如图3.2所示：3-3若为已知，可用代替2）圆锥截段计算公式3-4其中，圆锥截段弓形的面积3-5其计算分三种情况a.当，，为正值3-6式中，b.3-7c.3-83）圆柱段搅拌筒计算图3.3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3-94）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3.4所示：图3.4小圆锥截台计算示意图3-105）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3-11图3.5圆锥截台计算示意图3.2.2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：3-123.2.3.重心位置的计算3-13体积的计算如前其中是各段重心的坐标3.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3.6所示：图3.6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。3.2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。3-143-151）积分公式计算方法a.拌合料与筒壁间的摩擦力矩如图3.1，拌合料与筒壁或与搅拌叶片间的单位摩擦力f3-16式中，k1——粘着系数，kN/m2；k2——速度系数，kN/m2；V——拌合料速度；s——混合料的坍落度。3-17式中：3-183-193-20b..拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩图3.7螺旋叶片断面投影图3.7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)。V2——拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度3-21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.流动阻力矩微元面积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周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩3-22d.由筒体的转动引起的偏载，对搅拌筒的阻力矩见图3.8。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：图3.8搅拌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，在数值上等于。3-102）Lieberherr的经验公式实验测得：3-11式中：r——偏心距，一般取0.1m；F——混凝土重量3.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)3-12式中：——搅拌筒支撑机构所克服的摩擦阻力矩；一般取为4000-5000Nm——搅拌筒搅拌阻力矩；——机械效率，一般0.8-0.9C——考虑峰值的影响系数，1.2-1.4；n——转速，rpm举例，当搅拌筒转速为12rpm时，设混凝土重量2400，搅拌筒实际容积按5计算，则计算出搅拌筒的驱动功率为：因为搅拌筒的驱动功率一般是从搅拌车发动机中直接取力，在计算搅拌车发动机功率时，要在搅拌筒驱动功率的基础上，再加上汽车驱动功率、爬坡功率等。4.1搅拌叶片的母线方程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：(4-1)其中为螺旋角，为初始极径；为半锥角；为螺旋转角。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。中圆搅拌叶片采用圆柱螺旋线，其母线方程为：(4-3)其中为圆柱底半径，为螺旋转角，为螺旋角。4.2搅拌叶片设计本设计是在三段式梨形搅拌筒外形尺寸不变的前提下进行的。搅拌筒的外形优化暂不考虑。根据搅拌叶片有三段拟合而成的特点，我们分别对前锥、中圆和后锥的叶片采取不同的型线规律。表4-1搅拌叶片基本设计参数B(mm)前锥380中圆380后锥表4-2搅拌叶片设计规律与参数后锥中圆前锥螺旋线规律螺旋角表达式螺旋线规律螺旋角表达式螺旋线规律螺旋角表达式非等变角对数螺旋线等变角递增圆柱螺旋线非等变角对数螺旋线等变角递减对数螺旋线等角圆柱螺旋线等变角递减对数螺旋线底部和与中圆接口处为离散点，中间为等角对数螺旋线。等角圆