混凝土攪拌車攪拌筒設(shè)計基本方法

1、混凝土攪拌車攪拌筒設(shè)計基本方法1.混凝土攪拌筒主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定根據(jù)中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T5094-1997混凝土攪拌運輸車，攪拌筒的斜置角的取值可參照下表1.1:公稱攪拌容量（m）攪拌傾斜角（）拌筒最大轉(zhuǎn)速（r/min）1.0，（1.5），2.0，（2.5）1820 14183.0，（4.0），4.5，（5.0），6.01618 （7.0），8.0，（9.0），10.0，12.01015由于運輸車必須保證在坡度為14%的路面上行駛且出料口面對下坡方向時不產(chǎn)生外溢，故在計算攪拌罐的額定裝載容量時取混凝土與攪拌軸線的夾角 圖1.1攪拌罐體圖攪拌筒目前一般采用梨形，底部（稱為后錐）

2、是較短的錐形，中部是圓柱形，上部（前錐）是較長的錐形，研究發(fā)現(xiàn)：攪拌筒中下部的外形接近球體形狀為最佳，這時，不僅攪拌效果好，攪拌效率高，而且也因攪拌筒重心適當(dāng)前移，對合理分配運載底盤前后橋負荷，提高攪拌輸送車的裝載能力是有利的。因此，設(shè)計時，后錐加上球冠的長度基本等于中圓的半徑。具體參見圖1.1所示：設(shè)前錐長為，中圓柱長為，后錐長為，中圓半徑r，則根據(jù)交通法規(guī)的要求攪拌筒的最大半徑， 1-1 1-2為進料口半徑，取值范圍250-310mm中圓的長度要結(jié)合攪拌筒的額定容積確定。前錐角后錐角2.攪拌筒幾何容積與裝載容積的計算2.1積分計算方法2.1.1圓柱截段計算公式如圖2.1所示： 2.1計算示

3、意圖 2-1若 為已知，可用代替2.1.2圓錐截段計算公式 2-2其中，圓錐截段弓形的面積 2-3其計算分三種情況a.當(dāng)，為正值 2-4式中，b. 2-5c. 2-62.1.3圓柱段攪拌筒計算圖2.2圓柱截臺計算示意圖V1是一圓柱截臺，是兩個圓柱截段之差 2-72.1.4前錐圓錐段攪拌筒計算V2是一個圓錐臺截段，圓臺截段就是兩個圓錐截段之差，如圖2.3所示：圖2.3 小圓錐截臺計算示意圖 2-82.1.5后錐圓錐段截臺計算公式V3是從一個圓臺體減去一個圓臺截體，如圖2.4，計算公式如下 2-9圖2.4 圓錐截臺計算示意圖2.2.經(jīng)驗公式攪拌筒設(shè)計的最大裝載容積V與攪拌筒的幾何容積Vj存在以下經(jīng)

4、驗公式：2.3.重心位置的計算 2-10體積的計算如前其中是各段重心的坐標3.驅(qū)動功率的計算3.1攪拌力矩曲線混凝土攪拌的過程力矩曲線變化規(guī)律如圖3.1所示：圖3.1攪拌力矩曲線01：加工工序，攪拌筒以14-18rmp正轉(zhuǎn)，在大約10min的加料的時間里，攪拌筒的驅(qū)動力矩隨著混凝土不斷被加入而逐漸增大，在即將加滿時，力矩反而略有下降；12：運料工序，在卸料地點，攪拌輸送車停駛，攪拌筒從運拌狀態(tài)制動，轉(zhuǎn)入14-18rPm的反轉(zhuǎn)卸料工況，攪拌筒的驅(qū)動力矩在反轉(zhuǎn)開始的極短時間內(nèi)陡然上升，然后迅速跌落下來； 45：卸料工序，攪拌筒繼續(xù)以14-18rPm的速度反轉(zhuǎn)，驅(qū)動力矩隨混凝土的卸出而逐漸下降； 5

5、6：空筒返回，攪拌筒內(nèi)加入適量清水，返程行駛中攪拌筒作3rPm的返向轉(zhuǎn)動，對其進行清洗，到達混凝土工廠，排出污水，準備下一個循環(huán)。3.2 驅(qū)動阻力矩計算 攪拌筒驅(qū)動阻力矩由拌筒與支承系統(tǒng)的摩擦阻力矩與拌筒攪拌阻力矩共同組成，其以拌筒攪拌阻力矩最難計算。 3-1 3-23.2.1積分公式計算方法a.拌合料與筒壁間的摩擦力矩如圖3.1，拌合料與筒壁或與攪拌葉片間的單位摩擦力f 圖3.1裝滿拌合料的攪拌筒剖面圖 3-3式中，k1粘著系數(shù)，kN/m2；k2速度系數(shù)，kN/m2；V拌合料速度；s混合料的坍落度。 3-4式中：攪拌螺旋葉片外圓線速度。 3-5 3-6 3-7b.拌合料與攪拌葉片間的摩擦阻力

6、矩 圖3.2 螺旋葉片斷面投影圖3.2 為拌筒內(nèi)螺旋葉片的端面投影。任取一半徑r，該半徑對應(yīng)的葉片螺旋開角為k(近似認為對應(yīng)于各r處的螺旋開角，均等于中徑上的螺旋開角)。V2拌合料與攪拌螺旋葉片間的相對滑移速度 3-8式中：R1攪拌螺旋葉片斷面投影最小半徑R2攪拌螺旋葉片斷面投影最大半徑c.流動阻力矩由于拌合料眼螺旋升角方向運動，所以取微元面積設(shè)混凝土的單位平均流動阻力系數(shù)為p，則取微元面積上的法向阻力周向阻力對攪拌筒軸線的阻力矩 3-9其中p值的確定較復(fù)雜，除與攪拌筒和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)外，還與混凝上的水灰比、配合比、坍落度、外加劑和易性等有關(guān)，一般取d.由筒體的轉(zhuǎn)動引起的偏載，對攪拌筒的阻

7、力矩見圖3.3。拌合料在隨拌筒攪拌的同時，由于拌合料受到與筒壁和攪拌葉片間的摩擦阻力矩的作用，使拌合料向轉(zhuǎn)動方向提升，其重心偏向轉(zhuǎn)動一側(cè)。出現(xiàn)偏心距e，對拌筒運動產(chǎn)生阻力矩。e值的精確確定目前還有困難， 除與拌筒結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與拌合料的性質(zhì)有關(guān)。只能采取先近似計算，再用實驗驗證的方法確定。 對拌合料來說，共受到三個力矩的作用：即偏心力矩、與簡體的摩擦力矩、與葉片的摩擦力矩。由力矩平衡條件得：圖3.3腳板筒偏載示意圖對簡體來說，又受到由于拌合料的偏心距，產(chǎn)生的阻力矩作用，在數(shù)值上等于。 3-102.2.2Lieberherr的經(jīng)驗公式實驗測得： 3-11式中：r偏心距，一般取0.1m；F混凝土重

8、量3.3攪拌筒驅(qū)動功率的計算 按求得的拌筒攪拌阻力矩，再根據(jù)傳動系統(tǒng)的總效率，拌筒與支撐系統(tǒng)的摩擦阻力矩及拌筒轉(zhuǎn)速n，即可求出攪拌筒的驅(qū)動功率N(kw) 3-12式中：攪拌筒支撐機構(gòu)所克服的摩擦阻力矩； 攪拌筒腳板阻力矩；機械效率，一般0.8-0.9C考慮峰值的影響系數(shù)，1.2-1.4；n轉(zhuǎn)速，rpm4、攪拌出料機理4.1物料下滑角4.1.1物料的下滑角物料下滑角是確定葉片螺旋角的主要依據(jù)之一。當(dāng)混凝土性質(zhì)(坍落度)不同時，其下滑角的大小也不同。圖4.1是混凝土下滑角與坍落度s關(guān)系曲線圖，該圖由試驗所得。圖4.1s關(guān)系曲線圖由曲線圖可知，混凝土的坍落度越?。╯5 cm的混凝土為干硬性混凝土），

9、下滑角就越大。斜面上物料的下滑方向是沿斜面的最大傾斜線S的方向。如圖4.2所示，即斜面上對水平面H的最大傾斜線AC。圖4.2 斜面及最大傾斜面s方向 由圖4.2可得： 4-1又因為所以 代入上式得： 4-2同理： 4-34.1.2混凝土有效下滑出料的條件如圖4.3所示圖4.3平置圓柱正螺旋面葉片設(shè)在平置圓柱形簡體內(nèi)壁的正螺旋葉片上，面積元A的對地最大傾斜線用S表示；螺旋線的切線用表示；螺旋面的母線用n表示。S、n線的對地傾角分別用、表示。a.當(dāng)拌筒轉(zhuǎn)角=0時，面積元A處于拌筒最低位置1。=0，=90，S線與n線重合，=90，S線垂直指向筒壁。物料積在筒壁處。b.當(dāng)拌筒轉(zhuǎn)到0，物料也將順著筒壁沿

10、線方向下滑出料。但當(dāng)時，物料不能下滑而被葉片帶著繼續(xù)上升。(為葉片螺旋角) d.當(dāng)拌筒轉(zhuǎn)到90時，物料沿S線下滑。此時，S線指向離開筒壁，達不到出料目的。 根據(jù)以上分析，物料有效下滑出料的條件是時，面積元A的S線下滑指向不離開筒。5、攪拌葉片設(shè)計5.1攪拌葉片設(shè)計原則設(shè)計攪拌罐的攪拌葉片時，一般在前錐和后錐段采用對數(shù)圓錐螺旋線，中圓段采用圓柱螺旋線。攪拌罐的攪拌和出料性能與螺旋線的螺旋升角和螺旋角有著密切的關(guān)系，螺旋升角 螺旋角之間存在著的關(guān)系。總的來說，螺旋升角越大攪拌性能越好，但出料性能越差，因此，在設(shè)計時，要綜合考慮以下幾點：后錐螺旋葉片主要是為了實現(xiàn)攪拌功能，因此設(shè)計時在滿足物料下滑（

11、一般下滑角）的前提下盡量加大螺旋升角；但為了避免前錐積料、改善出料性能，應(yīng)減少小端處的螺旋升角。中圓段是攪拌與出料的過渡段，為提高攪拌性能應(yīng)適當(dāng)提高螺旋葉片頂端螺旋升角；為改善出料性能應(yīng)使螺旋葉片直紋與攪拌簡軸線有一定夾角；實踐中，我們一般讓這一夾角等于后錐的半錐角的余角。從而較好地實現(xiàn)這兩種功能，也更便于與后錐螺旋線的擬合。 前錐螺旋葉片主要是實現(xiàn)快速卸料，并起一定拌和作用，而且避免出料時出現(xiàn)離析。實際設(shè)計時，越靠近出口的位置越要選用大的螺旋角，即小的螺旋升角，這樣可以提高攪拌罐的出料性能。5.2非等邊角對數(shù)螺旋線設(shè)計攪拌葉片理論攪拌葉片在前錐和后錐部分采用的是對數(shù)螺旋線，其母線的方程為：

12、(5-1)其中為螺旋角，為初始極徑；為半錐角；為螺旋轉(zhuǎn)角。當(dāng)是一定值時，螺旋線為等角對數(shù)（圓錐）螺旋線；當(dāng)是一個變量時，該螺旋線即為非等角對數(shù)螺旋線，則可以表示為： (5-2)其中可以是：， ， 或， 等 表5-1攪拌葉片設(shè)計參數(shù) B(mm)前錐 380中圓 380后錐 其中， 非等角隊輸螺旋線葉片設(shè)計和擬合方法首先根據(jù)螺旋線的上升趨勢，修改螺旋角，改變螺旋線的走勢（變化趨勢），為更好地進行曲線擬合提供條件。在兩條相接的螺旋曲線的端點附近取若干點，采用最小二乘法進行曲線擬和。圖5.1、5.2、5.3，是分別采用等角對數(shù)螺旋線、等變角對數(shù)螺旋線和非等變角螺旋線設(shè)計而成的攪拌葉片的螺旋母線。其螺旋

13、角的變化函數(shù)取值如下：5.1等角對數(shù)螺旋線正視圖和右視圖圖5.2等變角對數(shù)螺旋線正視圖和右視圖圖5.3非等變角對數(shù)螺旋線正視圖和右視圖從中可以看出等變角對數(shù)螺旋線與圓柱螺旋線擬合的效果比等角對數(shù)螺旋線光順，而非等變角對數(shù)螺旋線的擬合效果最為光順，而且螺旋角是變化的，很好的滿足了攪拌和進出料的設(shè)計要求。6關(guān)于8.5LP攪拌罐的有關(guān)探討及重新設(shè)計6.1 8.5LP攪拌罐規(guī)律研究經(jīng)過對8.5LP攪拌罐攪拌葉片焊接位置的分析，發(fā)現(xiàn)葉片的前錐和后錐曲線規(guī)律基本符合等變角對數(shù)螺旋線，中圓符合圓柱螺旋線規(guī)律。表6.1后錐葉片螺旋線參數(shù)計算點極徑極徑增量螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角13291.31023371.31801/

14、680.4933468.31971/379.6543571.311031/279.2553691.311202/378.6963871.311805/677.2474071.3120076.11表6.2中圓葉片螺旋線參數(shù)計算點升程增量螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角10022302301/669.134952651/367.747352401/267.959852502/367.8612352505/667.771461226-1/6067.7從表中的數(shù)據(jù)我們可以看出：雖然螺旋角和極徑的增量不是很規(guī)律（規(guī)則），但總的說來，螺旋線的螺旋角變化是規(guī)律的，我們可以認為是等變角。考慮到誤差和設(shè)計因素，我們可以認為，對于

15、后錐最底部的一段是為了出料徹底，而對其螺旋角進行的加大調(diào)整，與中圓結(jié)合部分為便于擬合而對螺旋角進行了適當(dāng)調(diào)整。對于前錐，考慮到進口葉片第一段是為了出料要求進行調(diào)整，最后一段是為了和中圓葉片進行擬合的需要而進行調(diào)整，我們主要以中間的點進行研究。于是可以發(fā)現(xiàn)，螺旋角是微量遞增的，考慮誤差因素，可以看成是等變角對數(shù)螺旋線，也可以看成是等角對數(shù)螺旋線，但根據(jù)影響攪拌和出料的因素，我們認為采用等變角甚至是非等變角對數(shù)螺旋線更為合適。表6.3前錐葉片螺旋線參數(shù)計算點極徑極徑增量螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角11653（1626）0216618(35)1/6(83.14)31697361/383.1241758611/28

16、1.6451814562/381.2261873595/680.92719325980.7881978467/681.0292037594/380.95102097603/280.93112169725/380.751222326311/680.7613230775280.651423867913/680.55152457717/380.54162536795/280.50172634988/380.341827249017/380.27192859135379.9620305019119/679.4121320515510/379.176.2、8.5LP攪拌罐的實驗設(shè)計參見圖6.1，圓錐螺旋

17、線的極徑的計算公式 6-1根據(jù)這一公式，我們寫出等變角或非等變角的變化關(guān)系式，帶入不同的螺旋轉(zhuǎn)角和對應(yīng)的螺旋角（角度離散化），就可以借以確定各關(guān)鍵點的坐標和尺寸。 對于中圓，其曲線方程為 6-2這里我們研究的主要參數(shù)是Z，在圓柱體上我們可以把它叫做升程，螺旋角變化規(guī)律不同，那么對應(yīng)的升程規(guī)律就不同。圖6.1 計算錐6.2.1方案一后錐曲線螺旋角規(guī)律采用余弦函數(shù)，中圓圓柱螺旋線螺旋角采用等變角遞減規(guī)律，前錐曲線螺旋角采用余弦對數(shù)螺旋線規(guī)律對于后錐來說，我們?nèi)÷菪且?guī)律為： 6-3其中我們分別取以及對應(yīng)的，將螺旋轉(zhuǎn)角離散化，得到不同的值，從而得到對應(yīng)的不同的極徑，按照這樣的極徑在攪拌罐上描點，得出

18、螺旋葉片在攪拌罐上的近似焊接線。具體取值以及計算修正攪拌葉片的軌跡數(shù)據(jù)見表6.4同樣道理，對于中圓，導(dǎo)程公式為：其螺旋角變化規(guī)律為： 6-4計算數(shù)據(jù)如表6.5表6.4后錐螺旋葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角計算極徑1081.363291 21/680.85336831/380.183459 41/279.373568 52/378.433701 65/677.413863 776.324058 810/975.584208表6.5中圓螺旋葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角計算升程1069021/1868.937731/6+1/1868.7331341/3+1/1868.5255451/2+1/1

19、868.3279962/3+1/1868.11105075/6+1/1867.9113058+1/1867.71566對于前錐來說，其中其參數(shù)計算祥見表6.66.6前錐螺旋線葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角t值極徑（圓整后）1083.3501653（1626）21/683.331/21166031/383.282/21169541/283.231/7173252/383.154/21177065/683.035/211812782.902/7185687/682.741/3190494/382.558/211957103/282.353/72014115/382.1310/2120771211

20、/681.8811/21214613281.624/722231413/681.3513/212308157/381.062/32401165/280.765/72505178/380.4416/2126201817/680.1217/21274619379.796/728872019/679.4519/2130422110/379.1120/213213227/278.77134046.2.2方案二后錐曲線螺旋角規(guī)律采用等變角遞減規(guī)律，中圓圓柱螺旋線螺旋角采用等變角遞增規(guī)律，前錐曲線螺旋角采用等變角遞減規(guī)律對于后錐來說，我們?nèi)÷菪且?guī)律為： 其中具體計算數(shù)據(jù)見表6.7對于中圓，導(dǎo)程公式為：其

21、螺旋角變化規(guī)律為： 具體計算數(shù)值見表6.8對于前錐來說， 其中：計算參數(shù)見表6.9表6.7方案二后錐螺旋葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角計算極徑1081.363291 21/680.49337131/379.63346841/278.76358552/377.89372265/677.033882776.164065810/975.584208表6.8方案二中圓螺旋葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角計算升程106621/1866.098931/6+1/1866.3635241/3+1/1866.6360851/2+1/1866.8985862/3+1/1867.16110075/6+1/1867

22、.4313378+1/1867.71566表6.9方案二前錐螺旋葉片計算參數(shù)計算點螺旋轉(zhuǎn)角螺旋角t值極徑（圓整后）1083.350162621/683.131/21166131/382.912/21169941/282.691/7174152/382.484/21178565/682.265/211834782.042/7188687/681.821/3194394/381.608/212004103/281.393/72070115/381.1710/2121411211/680.9511/21221713280.734/723001413/680.5113/212388157/380.302/32484165/280.085/72587178/379.8616/2126981817/679.6417/21281819379.426/729482019/679.2119/2130872110/378.9920/213238227/278.77134046.2.3方案三后錐曲線螺旋角規(guī)律采用等變角遞減規(guī)律，中圓圓柱螺旋線螺旋角采用等角規(guī)律，前錐曲線螺旋角采用等變角遞減規(guī)律對于后錐來說，我們?nèi)÷菪且?guī)律為： 其中具體計算數(shù)據(jù)見表6.10對于中圓，導(dǎo)程公式為：其螺旋角為：具體計算數(shù)值見