轨轮式混凝土输送车搅拌筒有限元分析与优化设计.pdf

CONS TR UCT I ON M ACHI NE R Y AND M ANAGEM E NT 文章编号 ： l 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 9 6 0 4 0 轨轮式混凝土输送车搅拌筒有限元 分析与优化设计 郭年琴 ， 林通 ( 江两理上大学 机 电工程学院 ， 江西 赣州 3 4 1 0 0 0 ) 摘要 ： 针 对搅拌 筒在 工作过 程 中存在 前 端板与 前锥段 焊接 部位 焊缝 开裂及 支撑托 轮破 坏等 问题 ， 利 用有限元 分析软 件 ANS YS与 Wo r k b e n c h对搅 拌 车制动 和 卸料 工况进 行 了静 力分 析 ， 得 出 了 2 种工况下搅拌筒的受力和变形规律 ， 找 出了搅拌筒结构的薄弱部位。以搅拌筒质量为 目标 函数对 其 结构 和主要 尺 寸进行优 化 ， 并- -N4 g 4 Jc 结 果选 出 了较 为理 想 的搅 拌 筒 尺 寸。优 化后 的筒 体 总重 量 降低 了 1 4 0 2 ， 强度 和 刚度均 得到 了提 高 ， 解 决 了轨 轮 式混凝 土输 送 车搅 拌 筒焊 缝 开裂 及 支撑 托轮破坏等问题 ， 对产品结构改进设计、 降低制造成本具有一定的参考价值。 关键 词 ： 混凝 土输送 车 ； 搅拌 筒 ； 优化 设计 ； 静 力学分析 中 图分类 号 ： U4 5 7 文献标 志码 ： B Fi n i t e El e me nt An a l y s i s a nd Opt i mi z a t i o n De s i g n o f M i x i n g Dr u m o f Tr a c ke d Co n c r e t e M i x i n g Tr u c k GU0 Nl a n q m ，LI N To ng ( S c h o o l o f Me c h a n ic a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r in g，J i a n g x i Un i v e r s i t y o f S c i e 丁 lc e a n d Te c h n o l o g y ，Ga n z h o u 3 4 1 0 0 0，J i a n g x i ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o f i n d ou t t h e c a us e s of s u ppo r t i ng r o l l e r d a ma g e a nd we l d c r a c ki ng a t t h e pO s l t l ( ) n o f f r o nt pa ne l a nd f r o nt c on e i n mi xi n g dr u m ，s t a t i c a l a na l ys i s o f t h e wor ki ng P r oc e s s o f br a ki ng a n d un l oa di n g wa s c on du c t e d b y u s i ng t he s o f t wa r e o f ANSYS W o r kb e nc h Ac c o r di n g t o t h e s i mul a t i on，t h e r ul e of f o r c e a nd d e f or ma t i on i n d i f f e r e n t c a s e s wa s o bt a i ne d，a n d t he we a ke s t s po t of 1 h e m i x i n g dr u m wa s f o und Ta k i n g t h e b o d y ma s s a s o b j e c t i v e f u n e t i o n，t h e ma i n d me n s on s a nd s t r uc t u r e we r e o pt i m i z e d Co mpa r e d wi t h o r i gi n a l d e s i gn， t he ma s s o f m i x i ng dr u m wa s r e du c e d b y 1 4 0 2 The s i mul a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t he o p t i m i z a t i o n c o ul d i mDr o v e t h e t “ t “ i s t r e ng t h a n d s t i f f n e s s，s o l v e t he p r ob l e ms s u c h a s we l d c r a c ki n g a nd s up p or t i n g r o l l e r d a ma ge Re s e a r c h r e s u l t s pr o v i de r e f e r e n c e f o r s t r u c t u r a l i mp r o v e me n t d e s i gn a n d h e l p t ( ) r e d uc e t he ma nu f a c t u r i ng C O S t Ke y wo r d s ：c o nc r e t e m i xi n g t r uc k；mi x i ng d r um ；o pt i m i z a t i o n de s i g n；s t a t i c a 1 a na l y s i s 引 口 轨轮式混凝土输送车是一种特殊的混凝土运输 车， 其工作原理与普通 的混凝土运输车基本相同， 利 用电机车牵引的轨轮式混凝土运输车有效地解决 了 隧洞井巷内部混凝土运输的问题 。搅拌筒是混凝土 9 6 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 1 6 基金项目： 江西省教育厅科技计划项 目( GJ J 1 2 3 3 4 ) 搅拌 车 的核心部 件 ， 它 既 是 搅拌 车 运 送 混 凝 土 的装 载工具， 也是搅拌混凝土的工作装置 ， 其性能的优劣 直接关 系着 工程质 量 的好坏 引。在 运行 过程 中 ， 搅 拌筒不但要承受来 自混凝土质量造成的弯矩， 而且 还有来 自搅拌筒回转 的转矩和搅拌筒内部 的混凝土 运动时作用在沿搅拌筒轴线和周线方向的作用力 。 C0NS TRUCTI ON M ACHI NERY AND M ANAGEM ENT 计 。现对模型做如 下处理 ： 一是 在前端板与前锥段 内壁连 接处 增加 6条三 角加 强筋 ， 沿 圆周 均匀 焊 接 ， 增大搅拌筒在前锥段与前端板焊接处的强度 ； 二是 将 模 型 中 的 尺 寸格 式 更 改 为 能 被 Wo r k b e n c h软 件 识 别 的“ D S X X” 尺 寸 格 式 。按 照 改 进 后 的搅 拌 筒 结 构重 新建 立模 型 ， 利 用 目标 优 化 工 具 对搅 拌 筒 尺 寸进 行 优化 。 3 2确 定 设计 变量 及优 化 范 围 由于轨 轮式 混凝 土输 送 车是 一种 特殊 的运 输工 具 ， 工 作 环境 受到 运输 轨道 宽度 、 矿 井 隧道 高度 等 限 制， 因此其长度和宽度等几何 参数按照工作要求确 定 ， 不能随意修改 。本文通过优化搅拌简各锥段厚 度及易失效零部 件的尺寸来实现搅 拌筒轻 量化设 计 。优化设计变量初始值及范围如表 2所示 。 3 3约 束条 件 的确定 ( 1 )根据 材 料 的属性 确定 其 最 大应 力 不 大于 材 料的许用应力 ， 即 。 表 2 设计变量初始值及优化范围 前锥段 圆柱段 后锥段 法兰盘 支撑托轮 变量名称 厚度 m m 厚度 m m 厚度 mm 厚度 m m 宽度 m m 原始值 6 6 6 3 O 1 1 0 优化范围 5 ， 7 5 ， 7 5 ， 7 2 5 ， 3 5 1 O 0 1 2 0 ( 2 )搅 拌筒 壁厚 的约 束条 件为 5 mm。 ( 3 )搅 拌 简 壁 在 最 大 工 作 载 荷 下 的变 形 量 ， 约束条件为 6 。 3 4 目标 函数 的确定 搅拌 筒结 构优 化追 求 以最轻 的工 作装 置质 量来 实现结 构 的 良好 工 作 状 态 ， 即轻 量 化 设计 。 目标 函数 F( ) 为 F( )一 mi n E m( ) ( 7 ) 式 中： ( ) 为搅拌筒的质量； 为设计变量 。 3 5 优化 结果 本 文采 取 多 目标 优 化 方法 对 搅 拌 筒 进 行 优 化 ， 载荷和约束情况与制动工况一致l 9 j 。经过计算后选 取 1 5 组 优化 结果 ， 如 表 3所示 。 表 3优 化 结果 序号 前锥段壁厚 ram 圆柱段壁厚 ram 后锥段壁厚 m m 法兰盘厚度 m m 支撑托轮宽度 ra m 最大等效应力 MP a 最大变形量 ra m 质量 k g l 5 5 O 5 5 0 5 0 0 3 0 0 0 l l 0 0 0 l 9 3 0 5 3 6 3 3 5 7 2 5 1 5 2 6 0 0 5 5 O 5 5 0 3 0 0 0 l 1 0 0 0 l 9 4 1 6 3 6 6 5 9 7 5 1 2 9 3 5 5 0 5 0 0 5 O 0 3 0 0 0 l l 0 0 0 l 9 7 1 3 3 6 1 1 0 7 2 3 1 8 4 5 3 5 5 6 4 5 3 5 2 8 5 8 1 O 7 1 7 1 9 9 6 9 3 7 5 l 4 7 3 8 5 2 5 5 3 6 5 3 6 5 3 6 3 1 4 2 1 O 7 6 7 1 9 6 2 6 3 7 1 2 8 7 2 9 6 4 6 5 3 6 5 3 6 j 3 6 2 8 5 8 1 l 2 8 3 l 9 2 6 7 3 6 O 4 5 7 2 9 3 5 7 5 3 6 5 3 6 5 6 4 2 8 5 8 1 0 7 1 6 2 0 7 4 8 3 7 6 7 9 7 3 7 4 2 8 5 5 0 5 5 O 5 5 0 3 5 0 0 1 l 0 0 0 1 8 5 8 6 3 5 2 4 6 7 4 5 7 3 9 5 5 0 5 2 5 5 0 0 2 5 2 8 1 0 1 3 5 2 3 0 8 9 4 2 3 8 6 7 0 8 0 1 1 0 5 6 4 5 3 5 5 3 6 3 1 4 2 l 1 2 8 3 1 9 1 7 l 3 5 7 4 2 7 3 6 3 6 1 l 6 6 8 6 8 2 6 8 2 2 8 5 8 l l 2 8 3 l 9 5 9 7 3 6 l l 2 8 5 9 2 9 l 2 6 7 5 6 5 O 6 7 5 3 5 0 0 1 l 6 2 0 l 9 8 3 8 3 6 3 3 4 8 4 5 9 8 1 3 5 5 8 5 0 6 5 1 2 3 6 3 2 1 1 6 3 5 1 7 0 6 1 3 3 8 4 3 7 2 O 0 7 l 4 5 3 6 5 6 4 5 6 4 3 1 4 2 1 0 7 1 7 2 0 9 3 6 3 7 3 4 l 7 5 0 1 8 l 5 5 7 3 5 2 4 5 0 6 3 1 2 6 1 l 0 0 0 1 9 4 4 4 3 6 5 3 6 7 2 2 2 7 3 6优化 结 果分 析 由表 3 可知 ， 优化结果中质量较小的为第 9 组和 第 1 3组数据 ， 分别 为 7 0 8 0 1 k g和 7 2 0 0 7 k g 。由于 第 9组最 大等 效 应力 为 2 3 0 5 9 MP a ， 超 过 了材 料 的 许用 应力 ， 所 以根据轻量 化 目标 的要求 ， 选取 第 1 3组 为最 佳优化结 果 ， 圆整 后的优化 尺寸如表 4所示 。 表 4 优化结果取值 前锥段 圆柱段 后锥段 法兰盘 支撑托轮 参 数 壁厚 mm 壁厚 ram 壁厚 m m 厚度 ra m 宽度 mm 优化前 6 0 0 6 0 0 6 0 0 3 0 0 0 1 1 0 0 0 优化后 5 5 8 5 O 6 5 1 2 3 6 3 2 1 1 6 3 5 圆整后 5 5 0 5 0 0 5 0 0 3 5 0 0 1 1 5 0 0 按 照 圆整后 的 尺 寸进 行 模 型 再 生 ， 对 再 生 的模 型进行制动工况下的静力学有 限元分析， 分析结果 与原 设计 结果 的对 比如表 5所示 。 表 5优 化 结 果对 照 目标 质量 k g 最大变形量 mm 最大等效应力 值 MPa 优化前 8 2 6 8 8 4 1 2 8 7 2 l 2 9 7 优化后 7 1 0 9 3 3 4 l 3 4 1 6 8 6 8 变化值 一1 1 5 9 5 0 7 1 5 3 4 4 2 9 由 表 5可 以 看 出 ， 优 化 后 的 搅 拌 简 质 量 从 8 2 6 8 8 k g 降为 7 1 0 9 3 k g ， 降幅为 1 4 0 2 ； 最大等效 ( 下转 第 1 0 2页) 99 CONSTRUCTI ON MACHI NERY AND M ANAGEM ENT 等 因素 影 响、 。 ， 负载 越 小 、 带 的初 拉 力 越大 、 主 动轮 转速 越低 ， 带传 动 的弹性 滑动率 就越 小 ， 相应 的减速 比越 大 。此外 ， 皮带 轮加 工精 度对减 速 比也有影 响 ， 加工 精度 越高 ， 两边 减速 比差 异越小 ， 越 有利 于减小 同步器输 入端 转速 差 。 与带传动相比， 链条传动与齿轮传动无弹性滑 动 和整体 打 滑现象 ， 在 输 出较 大扭 矩 的 同时 能 够保 持 精确 的减 速 比。但 这 2种 方式 在 工 作 时 有 噪声 ， 且 不能起 到 过载保 护 作 用 ， 必 须 配 装专 门 的过 载 保 护 装置 ， 防止 出现 超载 或者 卡料 时损坏 设备 。 3 结 语 ( 1 )双 电机 驱动搅 拌器 电机转 差 率受 生 产加 工 及使用 情况 等诸 多 因素 影 响 ， 电机 输 出 转速 难 以绝 对 同 步 ， 易造 成功 率 循 环 ， 这 不 仅 浪 费能 源 ， 而 且 会 使 电机发热 ， 造 成损 伤 。因此 在 满 足 搅 拌器 功 率 的 前 提下 ， 应尽 量采 用 单 电机 驱 动 ； 当 功率 较 大 ， 需 要 采 用双 电机 驱动 时 ， 应 选 择 2台制 造 精度 较 高 的 电 机 ， 且传 动机 构尽 量采 用链 传动 或齿 轮传 动的形 式 。 ( 2 )循 环功 率系数 与 负载有 关 ， 空 载时 ， 搅 拌 同步器 输入 端转速 差最 大 ， 随着 负载 的逐渐增 大 ， 电 机转速 差减 少 ， 循 环功 率降低 ， 电动机 功率利 用牢 提 高 。因此 ， 使 用 时应 尽 量缩 短 设 备 在 空载 状 态 下 的 运行 时间 。 参考 文献 ： r 1 田 奇 混凝土搅拌楼及沥青混 凝土搅拌站 M 北 京 ： 珥 建材工业 出版社 ， 2 0 0 5 4： 5 0 5 1 3 赵利军 双卧轴搅拌 没机参数优化 及其试 验研究 I ) 一 曲 爨： 长安大学 ， 2 0 0 2 ： l 4 2 5 4 赵利军 ， 赵 航 ， 冯忠绪 强制式搅 拌低效 现象的探 讨 J 。 筑路机械与施工机械化 。 2 0 0 4 ， 1 1 ： 1 8 2 0 5 姚怀新 ， 陈波 工程机械底盘及其 液 传动 沦： 程机 械 底盘理 论 M 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 2 6 曾令金 电机学 M 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 7 7 濮 良贵。 纪 名 0 机械 没计L M 第 8版 一 I L 京 ： 高等教 育 版 社 ， 2 0 06 L 8 王旭东， 熊平原 影响摩擦带传动弹性滑动 素的【 I 交试验 J 农业技 术 与装 备， 2 0 l 0 3 ： 4 5 责任编 辑 ： 杜 卫 华 ( 上 接 第 9 9页 ) 应 力从 2 1 2 9 7 MP a 降为 1 6 8 6 8 M at ) a ， 降幅为 2 0 7 9 ； 搅 拌筒 应变 量从 4 1 2 8 7 mm 降为 3 4 1 3 4 t T I 1 T I ， 降 幅为 1 7 3 3 。因此可 以确定 优 化后 的搅 拌筒 不 仅 减 轻 了整体 质量 ， 并且 强度 和刚 度也得 到 了提高 ， 特 别是增加了支撑托轮的使用寿命 ， 这在改进设计后 的实 际使用 过程 中得 到 了验证 。 4 结 语 ( 1 )针 对原 混凝 土搅拌 筒 工作 过 程 中易 出现 的 前 端板 与前 锥段 焊接部 位焊缝 开 裂及支 撑 托轮破 坏 等问题 ， 进行 了有 限元 静 力 分析 。找 出 了 2种 典 型 工 况下 原搅 拌筒 的受 力 和 变 形规 律 ， 分析 试 验 结 果 可 知原搅 拌 筒轴 向刚度 不足 。 ( 2 )以质量 最 小 为 目标 函数 ， 采 用 Wo r k b e n c h 有 限元 软件对 搅 拌 筒进 行 了尺 寸 优 化 。优 化后 ， 搅 拌 筒减重 1 4 0 2 ， 最 大 变 形 量 降低 了 1 7 3 3 ， 最 大等效应力降低了 2 0 7 9 。从轻量化 、 刚度、 强度 等 方 面综 合考 虑 ， 搅 拌简 的 尺寸 优化 取 得 了较 好 的 1 O2 效 果 。 参 考 文献 ： 1 刘 水， 刘 ： 卫 q ， 乔光辉 ， 等 车载复合材料混凝 土搅制 筒 简体 的有限元分析 J 玻璃钢 复合材料 ， 2 ( ) 】 3 ( 3 ) ： 9 2 2 程书 良， 姚莉莉 ， 李全勤 混凝 土搅拌 运输 车搅 拌筒 陂汁概述 J 建筑机械化 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 ) ： 3 8 4 0 3 肖 弦， 唐卫东 搅拌筒破坏原因的有限 分析及结构改进措 施 J 机械研究 与应用 ， 2 0 0 6 ， l 0 ( 5 ) ： 9 6 9 8 L 4 于世旭， 仪垂杰 淳B 健翔 ， 等 混凝土搅拌 车搅拌 总成建模 及仍 真 J 机械工程 与自动化 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 7 9 5 丁成业 ， 罗述详 传动滚筒的有限元分析 及优化r J1 筑路 机械 与施工机械化 ， 2 0 1 1 2 8 ( 1 2 ) ： 9 0 9 3 6 王 艳 ， 徐信 芯， 焦生 杰 旋 挖钻 机 回转 平 台的 仃限 分 J 筑路机械与施 工机械化 ， 2 0 l 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 9 7 l 0 1 7 张围忠， 乇福 良， 周淑文 现代混凝土搅 拌输送 4 及应 川 M 北京 ： 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 6 8 汪海朋 轻量化 没计在混凝土搅拌 运输 车上的应用 1 I J 商、 l l， 汽车， 2 0 l 3 ( 8 ) ： 1 O 0 l 0 5 9 张飞 1 毛 ， 任 洁雨， 张建 等 基于有限元 法的某混凝 搅拌 轻量化设计 J 机械 强度 ， 2 0 1 4 ， 3 6 ( 4 ) ： 5 6 0 5 6 5 责 任编 辑 ： 高甜