双卧轴混凝土搅拌机开门系统研究.pdf

2 0 1 4年 第 7期 ( 总 第 2 9 7期 ) 混 凝 土 Nu mb e r 7 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 7 ) Co n c r e t e 工艺与设备 T E C HNI CS A N D E QU I P ME NT d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 7 0 4 1 双卧轴混凝土搅拌机开门系统研究 李建生。全 阳娟 ( 福建南方路面机械有限公司，福建 泉州 3 6 2 0 2 1 ) 摘要： 根据双卧轴搅拌机开门装置的特点， 分析其液压开门系统的受力情况。 采用功率键合图的建模方法， 建立液压开门系统的 数学模型， 并采用仿真软件进行仿真分析。 结果证明， 开门阶段液压系统压力小于关门阶段液压系统压力； 随着摩擦系数的减小和液 压系统输入流量的增大， 双缸同步调整时间逐渐缩短； 卸料门装置设计符合要求。 关键词： 双卧轴搅拌机；液压系统 ；功率键合图；摩擦系数 ；双缸 同步 中图分类号： T U5 2 8 0 6 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 1 5 6 0 5 Abs t r a c t ： R e s e a r c h o f o p e n i n g s y s t e m f o r mi x i ng me c h a n i s m f o r t wi n - s h a f t mi x e r of c o n c r e t e L I a n s h e n g， QUAN Ya n g i u a n ( F i a nS o u t h H i g h w a y Ma c h i n e r yC o ， L t d ， Q u a l O U 3 6 2 0 2 1 ， C h i n a ) Ac c o r d i n g t o t h e o p e n i n g s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s o R h e t wi n - s h a R mi x e r ， t h e p a p e r a n a l - y z e d t h e f o r c e s i t u a t i o n o f o p e n i n g s t e m Th e s y s t e m mo de l wa s b ui l t by p o we r b o nd g r a p h T he ma t h mo de l o ft he h yd r anl i c s y n c h r o n i z a t i on s t e m wi th op e ni n g s y s t e m wa s b u i l t Th e s o R wa r e wa s u s e d t o s i mu l a t e the s y s t e m T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r e s s u r e o f h y d r a u l i c s y s t e m i n t h e o p e n i n g s t a g e Was h i g h e r W i th t h e f r i c t i o n c o e ffi c i e n t d e c r e a s i n g a n d the i n p u t t i n g fl u x i n c r e asi n g ， the s y n c h r o n i z a t i o n t i me o f t wi n - c y l i n d e r wa s s h o r t Di s c h a r g e g a t e d e - v i c e wa s d e s i g n e d t o me e t t h e r e q ui r e me n t s Ke y w o r d s ： t wi n - s h a f t mi x e r ； h y d r a u l i c s y s t e m ； p o we r b o n d g r a p h ； f r i c t i o n c o e ffi c i e n t ； t wi n - -c y l i n d e r s yn c h r o n i z a t i o n 0 引言 双卧轴混凝土搅拌机是一种强制式搅拌机， 具有搅拌 质量好 、 生产率高 、 适应性强的优点 ， 已成为当前混凝土搅 拌设备 中配套主机的主导机型。 开门系统作为该机型的核 心部分之一， 影响着整机的搅拌搅拌质量和搅拌效率。 目 前该类型机的开门系统技术已经成熟 ， 但是不同产量的搅 拌机所采用的开门系统存在着差异和不足， 在一定程度上 影响着混凝土的搅拌质量 ， 特别是在搅拌机批量生产 的过 程中这种缺陷不断地出现。 本文针对双卧轴混凝土搅拌机 5 0 0 0 型的卸料门双缸同步液压系统进行分析研究 ， 并提 出 改进方案【 。 1 卸料 门开门装置受力分析 双缸同步液压系统分为开环同步控制系统和闭环同 步控制 系统 ， 开环 同步控制系统完全靠液压控制元件( 如 同步阀、 节流阀或调速阀) 自身的精度来控制执行元件的 同步 ， 它不能消除或抑制不利因素的影响 ， 同步精度低 ， 但 是开环控制系统结构简单、 成本低， 所以应用在对同步精 度要求不高的场合。 双卧轴混凝土搅拌机卸料门双缸同步 液压系统通过刚性联接一卸料门获得液压缸的同步回路， 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 l O 4 1 5 6 该回路工作可靠， 结构简单， 但只适用于同步距离近而偏 向载荷较小 的场合 。 双 卧轴 混凝 土搅拌机 5 0 0 0 型 的卸料 门开 门系统如图 1 所示 。 图 1 搅拌机卸料门装置 该液压开 门系统在开 门和关门过程中 ， 通过卸料门传 递扭矩保证液压缸的同步 ， 因此需要卸料 门具有足够 的强度保证卸料 门不发生扭 曲变形 ， 进而保证在较短 的时 间 内平 稳 的关 门 ， 并 且最 终 保证 在 搅 拌过 程 中不 漏浆。 1 1 关门状态下受力分析 卸料门关 门状态下 ， 开门机构简化模型 ( 单边 ) ， 如图 2 所示。 ， _ e Q t ，则 厂 = 簧+ e L = 0 s i n ( r r ) = n s i n 0 6 ( 卢 ) = y - a + c o s - x a 2 + b 2 - j =g c os c。s( T - O+ C O S -1 a 2+ b 2- ) ， | I 、 ， ， | | ( a ) 料 门开门机构简化模型 F2 os a 2+ b 2 O t + e ) 2 1 只 ： 堕 ： S g c 。 s f 一d+c。 掣1 + S ( 2 ) 式 中： C 卸料 门摆臂 的初始位置 ； c 卸料门摆臂的任意位置； D卸料 门初始位置 ； D 卸料门任意位置； e 初始位置液压缸长度 ： 厂 一任意位置液压缸长度 ； o 初始位置卸料门摆臂与 A B的夹角 ； 任意位置卸料门摆臂与 A B的夹角 ； 初始位置卸料门与A B的夹角； 初始位置卸料 门与 A B的夹角 ； 艿 任意位置时， 卸料门摆臂与液压缸活塞杆的夹角； 液压缸直径 ； d 活塞杆直径 ； p 液压缸油液流量 ； 尸 1 液压缸压力 ； 一 外负载 ； f 任意时刻的时间； s 液压缸无杆腔受力面积 ， s = - r r d 。 4 关 门过程 中， 卸料 门 A D与卸料 门摆臂 AC的夹角始 终不变 。 在关门阶段 ， 液压缸无杆腔进油 ， 假设 5 0 0 0 型混凝 土 搅拌机两液压缸为 7 0 x 2 8 0 ， 则关门时间为： L_ ： ： Q ：垫 ： 3 5 95 9 s _j Q Q 2 5 x 1 0 x l 4 4 0 2 2 孚 2 x 6 0 3 14 ( 孚 关 门状态下 ， 双卧轴混凝土搅拌机 5 0 0 0 型液压缸 中 压力 曲线变化 ， 如图 3 所示。 出 1 j s 关 门时间 s 图 3 关门状态下液压缸中压力曲线 1 2 开 门状 态下受力分析 在开 门过程 中， 卸料 门不允许强制关 门， 卸料 门依 靠 门本身的重力 、 搅拌桶体 中部分物料 的重力和液压缸中油 液 的压力实 现卸料 门的打开 ， 液压系统需 提供 的压力较 小 ， 如图 4 ( a ) 所示 。 在卸料过程 中， 当卸料门需要在任意位 置停止时 ， 液压缸 内停止供油 ， 依靠液压缸 内的压力保持 卸料门的受力平衡 ， 卸料 门受力如图 4 ( b ) 所示 。 、 、 、 ( a 1 开 门过程 受力 -一 ( b ) 开门过程中停止卸料时的受力 图 4 卸料门开门机构开门状态受力( 单边 ) 模型 在开 门阶段 ， 液压缸有杆腔进油 ， 开 门时间为 ： 1 5 7 0 I 2 8 2 5 1 0 xl 4 40 2 6 0 4 ( f H莩 1 0 2 6 9 S 由于开关 门时油液的泄漏和压缩 、 卸料 门双缸 同步调 整以及在启动液压系统时液体液压缸具有逐渐增速等原 因， 实际的开关门时间将大于理论计算时间。 1 3 卸料 门液压开门系统工作原理 双卧轴混凝土搅拌主机液压系统原理图如图 4所示 ， 其 中图 4 ( b ) 为去掉手动泵后的简化模型 。 图 4 ( b ) 系统工 作原理为 ： 在关 门阶段 ， 齿轮泵输出液压油经电磁换 向阀 进 入液压缸 1 和液压缸 2的无杆腔 ， 推进两缸前进 。 当外 力 ( 包括摩擦力 ) 发生变化时 ， 导致两缸受力不平衡 ， 产生 位移差。 此时由于两液压缸通过刚性体卸料门连接， 可通 过卸料门传递扭矩 ， 使位移较大的缸活塞所受反 向拉力增 大， 位移较小的的缸活塞所受正向拉力增大， 最终实现两 缸位移 同步。 在 开门阶段是有杆腔进油 ， 液压缸受压 ， 工作 原理同关 门阶段工作原理。 2 液压开门系统数学模型与仿真 2 1 液压开门系统数学模型 根据 图 5 液压系统原理 图进行数学建模 ， 该模型是关 门状态的数学模型。 液压系统建模的方法有多种， 功率键 合图是以图形方式来描述系统中各元件间的相互关 系， 以 能量守恒定律为根据 ， 有规律地推导出相应地数学模型3 1 。 该系统 的功率键合图如图 6 所示 。 根据图 6 所示的键合图模 型， 为每一个功率变量确定 一 个方程。 按照各个源 ， 各个 I 、 R、 C元 ， 各个转 换器 ， 各 个 结点顺序建立 系统方程 ， 所有 的量都是动态的 ， 即在动态 响应中它们将会是变化的。 排油压力通常是不变的( 即是 一 个源 ) ， 而供油压力由外负载所决定 。 【 =j 于惯性效应 、 容性效应对系统动态性能起主导影响 作用 ， 所以在键合 图法中， 一般取惯性元件 I 和容性元件 c 本身的广义变量作为系统 的状态变量 ， 共能量变量为每一 个感性元件上 的流变量和每一容性元件上 的势变量 _4 。 把 各点的系统方程联立得到该 系统总的的状态方程 ： P Q 一 C d iA 1 2 (P p- P ,)一 一 C d2A 2 , 2 ( P p- P b,)一( 3 ) ： C dlA 2 ( P - P a1 )一 一 A ff ,x ( 4 ) 1 1 L P _ C d2A ：、 一 A 私 ( 5 ) L 2 1 V P A 有 一 A ，、 ( 6 ) L 1 2 L V p j fA 有 C d A 、 ( 7 ) V P = P a I A 无一 K n 一 尸 A 有 ( 8 ) 1 58 L J ( a ) 开 门系 统液 压 回 路原 理 图 ( b ) 开门系统液压回路简化原理图 图 5 液压系统原理图 图 6 系统的功率键合图 ： 一 P b A无一 K 一 j A 有 ( 9 ) 式 中： p 液压泵出 口流量 ； 尸 a 、 P a 广液压缸进 口的压力 ； P b 、 P b 2 液压缸出 口的压力 ； 、P C 2 两活塞的位移 ； p 油液密度 ； 一 流量系数 ； K油液体积弹性模量。 2 2 液压开门系统仿真分析 在开 门系统 工作过 程 中， 开门系统 由于摩擦力 、 开 门 机构本身机械机构的影响， 是的两液压缸出现位移不同步 的情况。 假设在 t = O 时刻， 系统的初始值为： 液压缸 I 的位 移 R T I 0 0 9 m和液压缸 I I 的位移 x 2 = 0 1 m。 在实际系统 中， 系统 中的参数是 时间的随机 函数 。通过改变系统参数 ， 利 用 MA T L A B分 析软件 ， 分析系统参数变化对双缸同步性 能 的影响 ， 有利于更好 的分析系统同步性能。 2 2 1 液压系统流量 9 对 同步性能的影响 改变液压 系统的流量 ， 其他参数保持不变 ， 得 出两缸 位移和位移差 的曲线 ， 如 图 7 所示 ： O 3 5 O 3 0 点0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 0 5 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 时间 s 吕 潍 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 02 0 0 2 0 1 8 O 1 4 o 1 0 O 0 6 0O 2 - 0O 2 U =2 5 mL r 图 7 流量对同步性能的影响 从 上图 7可以看 出 ， 随着输人流量 的增大 ， 双缸 同步 调整时间逐渐缩短。 这是 由于在不改变液压缸进出 口节流 阀开 口面积 的情况下 ， 系统 流量增大 ， 液压 缸活塞速度增 大 。 但 同时存在 的问题是 ， 流量增 大则系统的压力损失增 加 ， 因此不能无 限制增大流量。 2 2 2 开 门装置摩擦系数 步性 能的影响 开门系统的摩擦力包括开门机构的机械摩擦和液压 缸和活塞之间的摩擦 ， 在其他参数不变的情况下 ， 改变开门 装置摩擦系数 K f ， 得到两缸位移和位移差的曲线 ， 如图 8 所示 ： 由图 8 可知 ， 随着摩擦 系数的增加 ， 两缸位 移为零 的 时间增加 ， 系统 的同步调整 时间增 加。 这是 因为摩擦系数 增加的情况下 ， 两活 塞杆 的阻力增 加 ， 液压系统的压力损 失和液体的流量损失增加 ， 导致速度减小 。 因此要 减小开 0 6 O 5 O 4 稔0 3 0 2 O 1 0 jj1 】j 1 8 1 4 1 0 0 6 0 2 0 2 U U 5 1 U 1 2 U Z 3 U 3 0 0 5 1 0 1 5 2 U 2 5 3 0 3 5 时 间 s 时间 s KfI ： O 21 0 Kf I=0 31 0 图 8 摩擦系数 步性能的影响 门机构的机械摩擦损失和液压缸与活塞的黏性摩擦损失。 2 3 卸料门受力仿真分析 由图 1 可知 ， 在开门阶段 和关 门阶段 ， 开门结构依靠 两个液压缸提供动力 ， 同时通过卸料门传递扭矩实现卸料 门的开关 门， 并保证卸料 门的密封效果和搅拌质量 。 在开 门阶段由于桶体中的物料的重力及液压缸的推力 ， 在卸料 门上形成扭矩 ； 在关 门阶段 ， 当两个 液压缸所受外力不 同， 以及卸料门两边 附有物料时， 两个液压缸输出推力转化为 卸料 门上的扭矩 ， 导致卸料门产 生扭 曲变形 。 由于两个 液 压缸 的输 出压力 由液压 系统 的溢流 阀调定压力决 定 ， 因 此 ， 本研究以溢流 阀的最大调定压力 ( 假设该 5 0 0 0型双 卧 轴混凝土搅拌主机溢流阀调定压力为 1 1 MP a )为液压 泵 的最大输 出值 ， 使其 转化 为扭矩 施加 在卸 料 门轴 ， 采用 A N S Y S分析软件 ， 分析卸料 门的应力分布和位移变化 。 以 卸料门一端 固定 ， 另一端施加扭矩 ， 如 图 9 所示。 由图 9 ( b ) 可知 ， 卸料 门最大应 力为 1 1 3 x 1 0 P a ， 且最 大应力在卸料 门轴处，由于此卸料门轴的屈服强度为 2 3 5 x 1 0 P a ， 则卸料门轴的安全系数为 2 1 ， 满足强度的设 计要求 。 由图 9 ( c ) 可知 ， 卸料 门的最 大位移 ( 与轴 的扭矩 方向 相 同) 0 0 0 2 1 m， 出现在卸料 门板的端部 。 由于门板半径为 0 3 6 m， 则相对变形量为 7 5 6 x 1 0 ， 其变形可 以忽 略不计 。 因此 ， 该卸料门装置设计符合要求 。 3结论 ( 1 ) 双卧轴混凝土搅拌机开 门系统在开 门阶段 ， 卸料 门主要承受桶体中物料、 本身重力及液压系统压力， 液压 系统压力较小； 在关门阶段卸料门主要承受本身重力和液 压系统压力 ， 液压系统输出压力较大， 并且变化较大 。 ( 2 ) 开门系统随着摩 擦系数的增加 ， 两缸位移为 零的 时间增加 ， 系统的 同步调整时间增加 ， 即随着 开门系统摩 擦系数的减小双缸同步凋整时间缩短； 随着液压系统输入 流量的增大 ， 双缸同步调整时间逐渐缩短。 ( 3 ) 卸料 门在液压 系统最大输 出压力 下 ， 卸料 门轴 的 】 5 9 0 J 2 搁 0 O O 2 0 ： m 3 O 7 3 5 = 2 搁 0 5 O 0 f a ) 卸料门扭矩施加位置 ( b ) 卸料 门应力分布 ( c ) 卸料门位移分布 图 9 卸料门应力分布和位移分布 安全系数为2 1 ， 卸料门相对变形量为7 5 6 x 1 0 - 4 ， 其变形可 以忽略不计， 该卸料门装置设计符合要求。 参考文献 ： f 1 】1赵利军， 冯忠绪 双卧轴搅拌机搅拌装置的改进与试验【 D 】 中国 工程机械学报， 2 0 0 4 【 2 】冯忠绪 ， 姚录廷 搅拌性能评定的指标体 系【 J 】 工程机械 ， 2 0 0 5 ： 70 - 72 3 3 田勇， 李建生， 曹宪周， 等 管道效应对液压同步系统动态特性 的影响研究【 J 1 机床与液压， 2 0 0 9 【 4 】 刘亭利， 胡国清 基于键合图建模法的液压系统动态仿真 J 机 床与液压， 2 0 0 8 ： 1 6 9 1 7 3 作者简介 ： 联系地址 联系电话 李建生( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 工程师， 工学硕士， 主要从事工程 机械设计与研究。 泉州市丰泽区体育街 7 0 0 号( 3 6 2 0 2 1 ) 0 5 9 5 2 8 2 01 2 O 3 豳 藿 至 ： I 疆 重 庆涪陵 全面 推 广干 粉砂浆 7月 1 4日， 记者从重庆市涪陵城乡建委获悉， 目前 ， 新型的绿色节能建材干粉砂浆推广应用工作在涪陵已全面展 开。 该建材的推广应用对施工扬尘的治理 ， 促进节能减排具有重大意义。 但凡去过工地的人， 肯定对这样的场景不陌生 ： 各种砂石、 水泥堆满工地， 工人按比例兑水后进行人工搅拌 ； 搅拌过 程 中， 机器轰 鸣、 粉尘四散 。 对于环境污染 日趋严重的城市来说 ， 已经不能再放任这样的施工扬尘 的产生。 为积极 响应重庆市委市政府节能减排的倡导 ， 涪陵区城乡建委精心指导涪陵大业混凝土公 司引进德 国先进技术发 展绿色建筑材料。 经过几年的科研开发、 试点应用， 目前， 一种新型的绿色节能建材干粉砂浆在涪陵已经全线启动， 推广应用工作在涪陵已全面展开 ， 已完工抹灰面积 3 0万 m 2 ， 正在施工面积 6 0 万 m ， 签合同面积 3 0 0 万 m： ， 市场接受度 高 ， 用户反映较好。 与传统的施工现场搅拌砂浆的配比计量控制的随意性、 砂浆混合的不均匀性 、 低下的生产率和极差环保性相比， 干 混砂浆具有 以下几大特点 ： 一 是 质量稳定 ： 干混砂浆 的生产有科学 的实验室试配 ， 严格的性能检验 ， 精确的计量设备 ， 大规模的 自动化 生产 ， 全 程电脑控制， 搅拌均匀度高， 质量稳定且可靠。 可基本杜绝空鼓、 色差 、 开裂等现象。 二是文明施 工 ： 在施工 中使用于混砂浆施工场地 占用小 ， 噪音小 ， 粉尘排放量小 ， 减少了对周 边环境 的污染 ， 有利于 文明施工 。 三是提高工效： 干混砂浆采用机械化施工， 可以大大缩短工程建设周期， 同时提高工程质量， 且可大量节省后期的维 修费用。 有利于提高工效， 加快施工进度。 四是节能降耗： 使用干混砂浆可以大量降低水泥用量， 加上机械化施工， 不存在水泥、 砂石跑冒滴漏问题 ， 也没有现 场搅拌的损耗， 降低了施工中的落地砂浆量 ， 材料及浪费将大大减少。 五是应用工程建设时， 可降低综合成本： 干混砂浆用量少、 施工效率高、 人工费用低、 用多少拌多少、 极少浪费， 所以 使用干混砂浆的综合成本并不高， 甚至低于传统砂浆。 目前涪陵干粉砂浆的价格已非常具备竞争优势， 其推广价格为惊 人的 1 4元左右 ， 精面处理砂浆在此基础上增加 2 元 ， 这个价格还包括了辅助工作的费用 ， 属于全 国最低价。 下一步， 涪陵区城乡建委进一步加大干粉砂浆的推广应用力度 ， 力争建成干粉砂浆标杆示范基地， 为重庆的节能减 排做出贡献 。 ( 重庆市政府 网) 1 60