搅拌筒计算叶片450

搅拌叶片计算物料在螺旋叶片上的搅拌出料机理3.1.1坍落度及其测定坍落度是混凝土生产的一个重要质量指标，影响商品混凝土的坍落度的定和不确定因素有很多，其中最主要的有搅拌时所加水量、砂石等骨料的含率和水泥湿度的饱和性等。商品混凝土坍落度的测量方法为：将新拌混凝土分三层装入坍落度料筒按规定进行捣插刮平后，将料筒垂直提起，测量混凝土的坍落值h即为坍落单位为cm），如图3-1所示。此种测量方法适宜于各种流动性混凝土。抗压强度是混凝土性能的主要指标。抗压强度以强度等级表示。是根据混凝土的标准立方体（150×150×150mm）试块经28d标准养护后，在压力机中直接得出的单位压强MPa（N/mm2）。是以符号C和上述抗压强度标准值表示常用的强度等级如下：C7.5；C10；C15；C20；C25；C30；C35；C40；C45；C50；C55；C604.1混凝土在拌筒内流动形态分析混凝土在搅拌筒搅动工况下，叶片将所包围的混凝土向搅拌筒底部推去，随着筒体底部锥体的收缩，混凝土被叶片强行挤出，这部分被挤出的混凝土，顺着筒底球壳向中间滑去，然后转过来流向筒口，整个过程如图4-1所示。流动为一顺时针环流，而从水平剖面看，流动为一不对称双环流。由于筒壁、叶片和混凝土的粘性摩擦力，筒体内混凝土被带动向转动方向倾斜，倾斜到一定角度后，由于重力影响，混凝土內某一层中的剪应力大于混凝土的屈服剪应力，一部分混凝土便向下坍塌。坍塌的混凝土在通过回流时，与之进行了强迫混合。在筒体底部附近这种混合最强烈；到了筒体的中部，混合逐渐削弱，在筒体的前锥部分，一部分坍塌顺着回流。搅拌筒转动时，混凝土作为整体的转动与坍塌的流动形成了一个稳定的环流。坍落度越小，其屈服剪应力越大，坍塌的倾角（即物料的下滑角）也越大。另一方面，在筒体的前锥部分，随着叶片将混凝土向筒体底部推移，回流的混凝土立即填补了这一空间，因此，在这里叶片受到的轴向阻力较小。在筒体的中部，也有一部分回流会添入，或者形成小回流，叶片在该处受到的阻力要大些，在筒体的底部，混凝土被叶片强行推挤出去，叶片受到的阻力最大。从以上分析可以得出，欲减小混凝土在筒体内的流动阻力，应在保证罐体总容积的前提下应尽量加长前锥，缩短中节和后锥。4.2搅拌罐筒体外形设计搅拌车筒体大多采用梨形结构，整体形状为变截面而不对称的双锥体。图4-2是混凝土搅拌运输车筒体的侧面图，它是由圆柱、圆台和球缺组合而成的筒体。在搅拌过程中，进出料口端口处由于高度为A－B的叶片将混凝土拌合料挡住，不会从A－B处流出。这种混凝土的流体从B点形成一水平面（图中水平线所示）。因搅拌筒体中心线与水平面之间成一倾角δ。这样，混凝土拌合料在搅拌筒内构成一种特殊形状的体积。从搅拌筒外形图中可以看出，罐体中节长度增加也有利于罐体有效容积的增大，但如果中节过长，则罐体最上点会成为整车的最高点，有可能导致全车高度超高。一般情况下5～7立方搅拌罐中节长度多在500～900毫米左右，8～10立方搅拌罐中节长度多在1000～1500毫米左右。前锥长度一般随罐体有效容积的增大取在1000～1400毫米之间，后锥则多取在1400～1900毫米之间。12方搅拌筒(一)拌筒叶片常用螺旋面母线(直线或曲线)在绕轴线作匀速圆周运动的同时，沿轴线方向作匀速或变速直线运动，该母线的运动轨迹形成等螺距或变螺距螺旋面。母线为直线形成直纹螺旋面;母线为曲线形成非直纹螺旋面。混凝上搅拌输送车中常用的螺旋面是直纹正螺旋面(母线和轴线正交)和直纹斜螺旋面(母线和轴线斜交)两种螺旋面。轴线与螺旋面轴线重合的圆柱面或圆锥面同该螺旋面的交线分别称为圆柱螺线或圆锥螺线。螺线的切线和圆柱面或圆锥面的母线之间的夹角称为螺旋角，用β表示。(二)针面倾角α和物料下滑角性质一定的物料，在性质(主要是粗糙度)一定的倾斜平板上，由于自身重力在斜面方向的分力刚够克服平板对物料的摩换力和粘附力而开始向下滑动，这时平板的斜角α叫做该种物料对于该种平板的下滑角，用表示。物料沿斜面下滑的条件是:(三)斜面的最大倾针线S斜面上物料的下滑方向，是沿着斜面的最大倾斜线S(图2中斜面P上对H水平面，即地面的最大倾斜线AC)的方向的。由图2物料下滑角是叶片设计的主要依据之一。混凝土的性质(主要是坍落度)不同，其下滑角价的大小也不同，图1是在简单试验中得到数据，可供参考。三)针面的最大倾针线S斜面上物料的下滑方向，是沿着斜面的最大倾斜线S(图2中斜面P上对H水平面，即地面的最大倾斜线AC)的方向的。由图2由式(2)或(3)式可求出最大倾斜S的位置:令(1)取正值，即下>0;(2)射线S、、n上仰时，、、为正;反者为负。则:计算所得值若为正，就从线向n线方向量取角，便是S线的位置;若<0，则S线的位置在线的相反方向，见图3所示(对于n线和角值的方向亦同)。当搅拌筒壳体的外形尺寸确定后，搅拌筒的搅拌性能及出料性能就取决于搅拌筒内部叶片的曲线特性及螺旋角。5.1螺旋角的确定搅拌筒叶片螺旋角决定混凝土在拌筒内沿轴向或周向运动的强度，从而影响搅拌和卸料的性能。螺旋角即螺线的切线和圆柱面或圆锥面的母线之间的夹角，用β表示。由螺旋原理推知，随着螺旋角的增大，混凝土沿叶片滑移的摩擦阻力也相应增大，达到一定程度时就易造成混凝土在叶片上的淤积，使其运动受阻，不但使搅拌效率下降，尤其是在卸料工况时，由于淤积而造成的堵塞会使卸料发生困难。相反随着螺旋角的减小，当叶片与混凝土搅拌筒轴线近似平行，这时叶片对混凝土类似于自落式搅拌而几乎没有轴向的推移作用，因而会丧失卸料功能。搅拌筒前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的前提下尽量减小螺旋角，但为了避免前锥积料、改善出料性能，应增大小端处的螺旋角。圆柱段是搅拌与出料的过渡段，为提高搅拌性能应适当降低螺旋叶片顶端螺旋角，而为改善出料性能应使螺旋叶片直纹与搅拌筒轴线有一定夹角，从而较好地实现这两种功能。后锥螺旋叶片主要是实现快速卸料，并起一定拌合作用，设计时使后锥小端螺旋角高于大端螺旋角6至18度左右，随混凝土坍落度减小取值增大。同时，螺旋角的确定受混凝土的性质（不同坍落度的混凝土其内部粘合力，与叶片筒壁等的摩擦系数不同，因而表现出不同的运动阻力）和搅拌筒的斜置角度等因素的制约。根据搅拌筒各段叶片所要求搅拌和卸料功能的不同，各段叶片的螺旋角采取分段设计。5.1.1混凝土有效下滑出料的条件假设在平置圆柱形筒体内壁正螺旋叶片上，面积元A的对地下滑倾斜线用S表示，螺旋线的切线用τ表示；叶片螺旋面的母线用n表示。S、τ、n线的对地倾角分别用α、、表示。其示意图见图5-1。1）当搅拌筒转角φ＝0°时，面积元A处于搅拌筒最低位置1。＝0°,=90°，S线与n线重合，α＝90°，S线垂直地指向筒壁。此时物料积在筒壁处。2）当搅拌筒转角0°＜φ＜90°时，面积元A处于搅拌筒位置2。n线倾角=90°-φ,S线斜向指向筒壁。如果φ角足够大，使τ线倾角大于物料下滑角ψ（性质一定的物料在性质一定的倾斜平板上，由于自身重力在斜面方向的分力刚够克服平板对物料的摩擦力和粘附力而开始向下滑动，这时平板的倾斜角度为该种物料对于该种平板的下滑角），物料就沿S线方向滑至筒壁后沿τ线方向下滑。3）当搅拌筒转到φ＝90°时，面积元A处于搅拌筒位置3。S线与τ线重合，达到最大值，此时=α=β（β为叶片螺旋角），如果这时>ψ，物料也将顺着筒壁沿τ线方向下滑出料。如果A点处β太小，β<ψ，那么，即使在面积元A到达位置3时，物料仍不能下滑而被叶片继续往上带。4）当搅拌筒转到90°＜φ＜180°时，面积元A到达搅拌筒位置4。S线的倾角α随φ角增大而继续增大，当达到α>ψ时，物料就沿着S线下滑。但这时S线的指向已离开筒壁，物料沿S线方向滑落到前一个螺距中去了，达不到出料目的，这种下滑对于出料来说是无效的。所以，要使物料沿着筒壁螺旋进行有效下滑出料，必须满足的条件为：>ψ时，面积元A的S线下滑指向不离开筒壁。5.1.2根据有效下滑出料条件建立数学模型根据有效下滑出料条件的分析，可通过混凝土在螺旋叶片上流动状况及公式推导，建立数学模型。模型中各符号含义如下：θ——搅拌筒前后锥角；μ——n线与搅拌筒轴线的垂线的夹角。12方筒体倾为δ=11°。注：搅拌筒轴线对地倾角δ，拌筒安装角度为11°，但考虑到地面不平度、制造误差、尤其是非满载时底盘后桥比前桥高，取δ＝11°+7°＝18°。搅拌筒有关参数如图5-2所示。图5-2搅拌筒结构参数简图τ线倾角的表达式：式中θ值，前锥θ＞0，圆柱θ＝0，后锥θ＜0。当θ、δ、β已知时，是φ的函数。令可得：式中是使达到最大值时搅拌筒体的转角值。将代入（5-1）式可得：式中是线的最大倾角，但不一定是最大有效倾角，即可实现有效出的倾角，因为后锥发生在搅拌筒转角＞90°的情况下，物料沿S线方向下滑，指向已经离开筒壁，出料无效。n线倾角的表达式：τ线与n线夹角γ的表达式：当S线与τ线重合时，可以推出：将（5-1）、（5-5）、（5-6）式代入（5-7）式经运算，整理后得：由以上式子可求得：式中为搅拌筒的最大有效转角，式中一根为增根。将代入（5-1）式，得：将代入（5-5）式，得：根据以上公式，已知θ、δ、μ值，选取不同的β值，便可求得对应的临界值或。当≥0时，计算得有效，为临界点；反之计算得无效，要进一步求得最大有效倾角为临界点。5.1.3临界点的计算参见搅拌筒结构参数（图5-2），可知：前锥：θ＝11.6973°δ＝18°μ＝-11.6973°中节：θ＝0°δ＝18°μ＝-11.6973°后锥：θ＝-15.0685°δ＝18°μ＝0°取β值由58°～78°，根据上述公式，利用MicrosoftExcel软件可以快速准确地计算出临界点值。其值见表5-1、5-2、5-3。βγαnmaxφmax有效性5897.941.22-8.7718199.23103.3-5.4无效95.46341.1-5.26097.543.13-8.1154698.54101.9-4.41无效95.35243-5.1629745.04-7.4826997.87100.6-3.57无效95.20345-4.96496.546.96-6.8709797.2399.41-2.87无效95.0246.9-4.86696.148.87-6.2779996.698.34-2.27无效94.80148.8-4.66895.650.79-5.701679697.36-1.77无效94.54950.8-4.37095.152.72-5.140195.4196.46-1.36无效94.26552.7-4.17294.654.64-4.5915194.8395.63-1.02无效93.9554.6-3.87494.156.56-4.0542894.2694.86-0.75无效93.60556.6-3.47693.658.49-3.526993.7194.14-0.53无效93.23258.5-3.17893.160.42-3.0079593.1693.46-0.36无效92.83360.4-2.7βγαnmaxφmax有效性5896.2402.2170319086.69.57有效6095.8422.2170319086.739.091有效6295.5442.2170319086.848.618有效6495.1462.2170319086.958.151有效6694.7482.2170319087.047.687有效6894.4502.2170319087.137.227有效7094522.2170319087.216.77有效7293.6542.2170319087.286.316有效7493.2562.2170319087.345.864有效7692.8582.2170319087.45.414有效7892.4602.2170319087.454.966有效βγαnmaxφmax有效性589040.749.17762782.7876.2713.73有效609042.688.65229283.3277.4912.51有效629044.638.1467683.8578.611.4有效649046.587.65884784.3579.610.4有效669048.537.18659184.8480.529.479有效689050.486.7282285.3281.368.636有效709052.436.28212285.7882.147.86有效729054.395.84682186.2382.867.142有效749056.345.42095986.6783.526.475有效769058.35.00327687.1184.155.853有效789060.254.59259687.5384.735.269有效5.1.4搅拌筒叶片螺旋角的确定从上面表格中的数据可以绘制出搅拌筒各段叶片的临界线图，如图5-3所示。临界线的左上侧是限制区，右下侧是允许区。允许区内任一点的倾角都是有效的。在临界线图允许区内和β值对应的值，称作“工作点”，用表示。表示物料开始从叶片上进行有效出料（物料沿筒壁按τ线方向下滑）时搅拌筒转角的大小。从临界点计算表中可以看出β值愈大，愈小。即“工作点”愈低。工作点低对提高出料速度有利。为使搅拌筒输送低坍落度（S≤3cm）混凝土，取物料下滑角ψ≥43°。由临界点表可知：前锥螺旋角度β>60.32°，圆柱螺旋角度β>61°度，后锥螺旋角度β>59.86°。可以看出，搅拌筒的前锥、中节、后锥部分，各段螺旋叶片的螺旋角图5-3临界线图因功能不同而各不相同。叶片为连续的斜螺旋线。叶片与筒壁焊接部分的螺旋线称为外锥螺旋线，叶片顶部形成的螺旋线为内锥螺旋线。由于叶片顶部螺旋角小于根部螺旋角，对后锥叶片，为提高出料速度，应使叶片顶部工作在临界线上或临界线附近，这不但能使整个后锥叶片工作在允许区上，而且使工作点适当压低。对前锥叶片，为减少混凝土的残留量，也应使叶片顶部工作在临界线上。对圆柱叶片，因主要以搅拌混凝土为主，可使叶片顶部工作在临界线附近。叶片曲线螺旋角较小或较大时，叶片的工作性能都较差，甚至没有搅拌或卸料能力。为保证搅拌质量或卸料速度，究竟选多大的螺旋角较好，根据长期实践结果，当搅拌筒体的斜置角度δ＝12°～17°时，对于侧重搅拌工作的前锥、中节，一般可使叶片曲线的螺旋角β＝60°。对于侧重卸料工作的后锥，则需视混凝土的性质决定，一般β≥60°。对于坍落度低于5cm的干硬混凝土，要求β＞70°。利用本介绍的方法确定的螺旋角，可满足搅拌和卸料性能的要求。5.2叶片螺旋线绘制不同的圆锥面或圆柱面与同一螺旋面相交所得的螺旋线是不同的，因而螺旋角也不相同。为了螺旋线设计计算上的方便，本文引入了“计算锥”的概念。5.2.1根据计算锥特性建立数学模型1．螺旋角表达式同一螺旋面在不同圆锥面上产生螺旋线的螺旋角之间存在如下的关系式：1.前锥与圆柱段的计算混凝土下滑角ψ=43°（坍落度S=3cm），前锥半锥角θ=11.6973°，叶片斜置角μ=－11.6973°，叶片母线宽度B=450mm，圆柱高2100mm，前锥高1500mm，圆柱半径χb=1185mm。坐标尺寸计算（2）取圆柱段叶片顶部工作在临界线上，查临界线图5-3，当=ψ=43°时，得β=61°。前锥上点b′的螺旋角应用（5-14）式：=61.507°为改善前锥段小端处的出料性能，取其螺旋角适当大于大端螺旋角，使其工作点低一些，取：其示意图见图5-6。（4）计算锥在图5-6中作出了一个半锥角的计算锥，见图5-7。932.921图5-6图5-7应用（5-16）式计算出计算锥上和点的螺旋角β。计算锥中存在β==1.384β=54.148°令-932.921×(sin11.6973°)=-38.347=3633.508=2133.508计算锥上各点β角均相等，计算锥展开成扇形时，其螺旋展开线是一条对数螺旋线，这样就可以简化各点纵坐标的计算。5）计算锥上任意一点纵坐标值的计算以计算锥锥顶为坐标原点，则有：由对数螺旋的性质：式中==常数n―画螺旋线投影图时，地平面图上所取等分数，取n＝40；i―等分编号。代入数值即可求得：由于目前在实际生产中，叶片是分段压制拼接的，工艺上一般把筒壁交点(图5-7中b点等)的那些母线布置在接头上，所以计算时也把b点作为等分点计算出来。计算的方法是，令并任取值(这里取，求出对应的值:得，Z0＝1179.421，则处的值:，i=0.017,以此可逐个计算出其他各等分点的坐标。（6）前锥上的螺旋角由式：得到：b处的螺旋角=71.173°由式：得到：a处的螺旋角=78.392°前锥上任一点螺旋角都可用同样方法计算，从计算结果可以看出，a、b之间螺旋角值近似成线性关系。（7）前锥上a、b两点的工作点的螺旋角将，β==71.173°，δ=18°，θ=11.6973°代入（5-1）求得=55.8202°将β==78.392°代入（5-1）求得：=50.4347°（8）圆柱段螺旋角前面已取叶片顶部β=61°（90°），则圆柱段筒壁处螺旋角可由式（5-13）求出：=70.8027°圆柱段H＝2100mm，取圆柱段为等螺旋角，半径R=1185由式中—每等分上的Z轴增量64.81则实际=70.8027°等分数将，=70.8027°代入（5-1）：可求得圆柱段筒壁螺旋的工作点：=52.183°，以上数据计算参看图5-8。2．后锥段的计算后锥段的计算与前锥、圆柱段计算相同，仅给出计算结果（图5-9）。已知：后锥半锥角θ=15.0685°，叶片斜置角μ=0，叶片母线宽度B＝450mm，圆柱高2100mm，后锥高2210mm，圆柱半径χb=1185mm。坐标尺寸图5-8前锥圆柱段数据计算后锥上点的螺旋角取圆柱段叶片顶部工作在临界线上，查临界线图5-3，当=ψ=43°时，得β=61°。=60.14°为改善前锥段小端处的出料性能，取其螺旋角适当大于大端螺旋角，使其工作点低一些，取：引入半锥角的计算锥121.71在计算锥上和点的螺旋角，=1.662==459.825锥上任意一点纵坐标值以计算锥锥顶为坐标原点，则有：=2548.115=338.115=1219.43则处的值:，i=-1.2516用下面公式计算：i=0时Z0=338.115,Zi=2548.115时i=82.21以此可逐个计算出其他各等分点的坐标。（5）后锥上的螺旋角由式：得到：b处的螺旋角=70.8°由式：得到：a处的螺旋角=84.697°前锥上任一点螺旋角都可用同样方法计算，从计算结果可以看出，a、b之间螺旋角值近似成线性关系。（6）后锥上a、b两点的工作点的螺旋角将，β==70.8°，δ=18°，θ=15.0685°代入（5-1）求得=56.185°将β==84.697°代入（5-1）求得：=47.476°图5-9后锥数据计算将以上结果汇总，见表5-4。表5-4筒体叶片参数区段点螺旋角工作点后锥a84.697°47.476°b70.8°56.185°中节70.8027°52.183°前锥b71.173°55.8202°a78.392°50.4347°3．螺旋线轨迹的绘制1）采用以上计算方法对拌筒各段逐点进行计算，△Z为各等分点上的Z轴增量，升程L为各等分点上的沿筒体方向增量，利用MicrosoftExcel软件计算，其过程不再详述，计算结果见表5-5，表5-6。表5-5前锥计算值表iZiΔZiZiΔZ0.0171179.883181785.346605.463111206.90227.01861191826.945647.061621235.02255512689.629531263.79883.91543211913.072733.189141293.245113.3619221957.647777.763751323.377143.4945232003.26823.376861354.212174.3292242049.936870.052871385.765205.8824252097.699917.816381418.054238.1707262146.576966.692791451.094271.2114272196.5911016.708101484.905305.0219282247.7711067.888111519.503339.6201292300.1441120.262121554.907375.0246302353.7381173.855131591.137411.2539312408.581228.697141628.21448.3274322464.71284.817151666.148486.2647332522.1271342.244161704.969525.0859342580.8931373.991171744.695564.8117352641.0281406.005362702.5641438.765表5-5后锥计算值iZiΔZiZiΔZiZiΔZ0338.11537839.1046500.9896742082.4171501.9451346.52418.40906638859.9735521.8585752134.2081539.2992355.142317.0272739881.3614543.2464762187.2871577.5823363.974825.8598140903.2812565.1662772241.6851616.8174373.02734.9120241925.7462587.6312782297.4371657.0285382.304444.1893742948.7699610.6549792354.5751698.2396391.812453.6974443972.3663634.2513802413.1351740.4757401.55763.4419844996.5494658.4344812473.151783.7618411.543973.42888451021.334683.21982.212547.768841.2349421.779283.66415461046.735708.620110432.26994768734.652811443