混凝土搅拌运输车搅拌筒的设计及动力匹配.pdf

1 前言 随着我国城市建设 的发展及环境保护规 范的 日益 完 善 ，混凝土搅拌运输车的市场前景将更广阔。本文通过对 梨形卧式搅拌简体及螺旋叶片部分进行设计分析计算，结 合生产实际给 出模型 ，对混凝土搅拌运输 车进行了动力匹 配和整车稳定性校核 ，建立了梨形卧式搅拌筒的设计和整 车动力匹配模型。 2 搅拌筒螺旋叶片的设计 2 1 搅拌筒螺旋叶片的理论设计 螺 旋 曲 线 的 主 要 参 数 是 螺 旋升角 ，为了兼顾搅拌筒搅拌 和 卸 料 两 个 相互 矛盾 又相 互 统 一 的 功 能 ，可 以把 一 个 搅 拌 简 划分成搅拌和卸料两个功能 区 段 ，在不同的功能 区段选择不 同的 螺 旋 升 角 ，绘 制 不 同又 相 互兼顾的对数螺旋曲线。 这 种 目前 常 用 的 变 参 数 的 对数螺旋叶片其螺旋面为斜圆 锥对数 螺旋 面。其 中，底部截 锥段采用不等升 角斜 圆锥对数 回 重 型 汽 车 H E A V Y T R U C K 2 0 1 0 5 图 1 螺旋面叶片，叶片截面采用等宽度直纹螺旋面；圆扫 用等升角正螺旋面，叶片截面亦采用等宽度直纹螺崩 上部截锥段采用不等升角斜圆锥对数螺旋面叶片， 1 面采用不等宽度非直纹螺旋面。选取合适的螺旋升胄 其在保证搅拌质量的同时满足卸料速度要求。按图 1 眄 斜圆锥对数 螺旋面方程为 s i n =P o e x p( ) c 。 s 一dc 。 s s i n e X p ( s i n = p o e x p( ) s i n c -ds i n C O S ) s i n口一 s i nw s L n 式 中 口 圆锥 顶 角的一半 ； 圆锥对数螺旋线的切线与圆锥母线的 即螺旋角 ； 圆锥顶 到圆 台小 头的 母线长 度 ； 圆锥对数螺旋线上任一点并经此点的睡 线在坐标yo z 的投影与y 轴的夹角； 图 中空 间曲线端 点M 与x轴的 夹 角。 2 2 实际生产制造中的搅拌筒螺旋叶片设计 在生产中对整个搅拌筒叶片进行设计时，需分男 叶片各段在搅拌筒内壁的焊缝展开图，给出焊接位置尺寸 表，以便于焊接工作的顺利进行。整个搅拌筒的叶片焊缝 展开示 意 图见 图2 和 图3，图 中曲线 代 表 了叶片 各段 在搅 拌 筒内壁的焊缝 。 图 2 搅拌筒叶片焊接总成示意图 一 图 3 螺旋面母线转面投影图 在底部截锥和圆柱段焊有搅拌板 ，搅拌板 中心线与搅 拌简体壁母线垂直。搅拌筒内还焊有辅助叶片 ，搅拌筒口 处焊有贴角线板，以进一步改善搅拌简的工作性能。 3 搅拌筒的设计 3 1 搅拌筒的几何形状和整体设计 搅拌筒 的几何 容积与设计的最大 装载 容积存在如下 关 系 0 50 6 5 ， 式中 公称搅动容量( 最大装载容量) ； 搅拌筒的几何容积。 设计搅拌筒的几何容积还应考虑当车辆装载最大装载 容量的混凝土爬坡时不产生外溢。 在确定搅拌筒的几何形状时，先选择搅拌筒的斜置角 度、搅拌筒 中部 的最大直径 、搅拌筒沿轴线方 向的长度和 搅拌简的简 口直径等主要参数 ，再计算搅拌筒 的几何容积 和满载时的重心位置，最后在做整车稳定性校核时对前面 参数 进 行 修 正 。 以6 m 的搅拌筒为例，搅拌筒斜置角度一般为l 6 。 ，搅 拌筒底部截锥半锥顶角控制在2 02 5 。 ， 上部截锥半锥顶角 控制在 l 4 1 6 。 之 间 ，搅 拌筒 中部最 大直径 一般在 2 m左右 ， Q i e A e s h e i i 编 辱 ： _1卜 一 网 圈 见 图2 。 梨形搅拌 筒 的壳体 各部分 尺寸 比例和 形状 以中部具 有较大直径 、底部截锥较短 、使搅拌筒中下部的外形接近 球体 为 最佳 。搅 拌 筒沿 轴 线方 向 的长 度根 据搅 拌筒 的 几何 容积和底盘有效利用长度进行选择 ，搅拌简的筒口直径受 混凝 土 坍 落 度 的影 响 。 在生产 中绘制搅拌筒体各段下料展开图时一般标记出 简内叶片的焊接位置曲线，以底部截锥的展开图进行简单 介绍 ，见图4。 图4 底部截锥展开图 图4中两条 曲线代表两条叶片在底部截锥 筒壁上的焊 缝 ，数字表示锥体展开后沿圆周的等分段数 ，参数FP( n) 代表叶片在底部截锥简壁上的焊接位置尺寸。按以上标记 将叶片焊接在搅拌筒壁上 ，焊缝采用交错断续焊 。 整个搅拌筒焊接完成后必须进行溢水和渗漏检验。将 搅拌桶轴线倾斜l 5 。 ，向简内注入搅拌筒有效容积8 5 的水 量，以每分钟35 转转动，5 分钟后锥口不溢水，各焊缝不 渗漏为合格 。 3 2 搅拌筒的有效容积和满载时重心位置计算 将 搅拌 简 的轴 向截 面简 化成ABCDEFGH所 围戍 的形 状，见图5 和图6。搅拌筒的有效容积为 = L 。 I+ L = + L 3 ， ( x ) d x 其 中 习 ( f O 厶 = ( L 厶+ 厶 = ( I + L 2 厶+ L 2 + L 3 满载时重心位置公式计算，参见图6。 f r( + + ) ( + + ) ( + + ) ( + + ) 式中 厶圆台AB GH的高度 ； 厶圆台CDE F的高度； 底部截 锥段 有效容 积 ； 圆柱段有效容积； 上部截锥段有效容积。 2 0 1 0 5 H E A V Y T R U C K 重型汽车 I Q i c e s矗e i i 图 5 搅拌简的轴向截面简化图 4 动力匹配和整车稳定 性校核 4 1 动力匹配 f x 】 我们常用的混凝土搅拌 车的搅拌装置驱动力来 自共 用的底盘发动机 ，这样既令 整车结构紧凑 ，稳 定性好 ， 图6 图5中x -x向截面图 取力简洁方便 ，又安装维护简单，降低造价。 整车动力匹配时的一个重要参数是搅拌简的驱动功 率，见图7。不同的搅拌筒容量对应不同的搅拌筒驱动扭 矩 ，按下式可计算出不同搅拌简容量的搅拌简所需的驱动 功 率 。 = 6 0 l 0 0 0 式 中 N -搅拌筒 驱动功 率 ，k W 搅拌筒驱动扭矩 ，Nm H搅拌筒最大转速，r rai n 窆 啦II 婶 握 称 耀 回 ， 一 ， ， ， l O Oo o 2 0 0 00 3 0 0 0 0 4 0 00 0 5 0 00 0 6 O 0 0 O 搅拌筒驱动扭矩( N m) 图 7 搅拌简装载容量与驱动扭矩曲线 重型汽车H E A V Y T R U C K 2 0 1 0 5 在满足搅拌筒的驱动功率前提下 ，还必须考虑底盘自身 的承载能力和行驶稳定性。以重汽6 x4 Z Z1 2 5 1 M3 2 4 1 Cl 混 凝土搅拌运输车为例，发动机额定功率2 1 3 k W ，额定转速 1 9 0 0 r p m，配置9 J S 1 1 9 变速器 ，l 1 0 0 - 2 0 -1 8 P R轮胎 。 根 据动 力 供给能 力 ，搅 拌筒 所需 驱动 功率 与所选 底盘 发动机功率之间满足下式 ( o 1 5 0 2 ) 式中 搅拌筒驱动功率； 底盘发动机 功率 由以上 内容，在满足底盘自身的承载能力和行驶稳定 性的前提下，搅拌简最大转速按l 2 r mi n 计算 ，可得 出此 6 x4 Z Z1 2 5 1 M3 2 4 1 W混凝土搅拌运输车可匹配5 5 m 的搅 拌 简 。 4 2整车稳定性校核 在底盘上布置搅拌简时 ，最理想的状态是满载时整个 上装的重心位置与整车设计载重重心位置重合。混凝土搅 拌 运输 车对 行驶稳 定性 有 更高 的要 求。这 是 因为在运 料 的 过程 中，搅拌筒始终 以较低的转速做正向转动( 面向车尾 看，搅拌筒顺时针旋转 ，即正转时进料 、搅动；逆时针旋 转时出料) 。尤其在车辆重载转弯时 ，引起左右轮胎及悬架 较大的负载变化 ，当车速超过侧翻临界车速时，将发生侧 翻。当然引起侧翻的原因还包括路拱坡度、悬架变形、路 面摩擦系数等因素 。下面以车辆左右转弯时的状态校核整 车稳定性 ，见图8 和图9。 n 速 度a 、 n H J e RL 式 为 图8 左转弯 图9 右转弯 整车在装载状态下 ，发生侧翻的侧翻临界车速理论公 式 中 侧 翻l临界车速 ； 质心G的转弯半径； ( 下转第2 1 页) 置和牵引销板 与纵梁的连接位置 ，这些部位都是应力薄弱 点 ，需从 结 构 方面 进 行加 强 。 图6 扭转工况 1 槽钢应力云图 计算结果表明，图纸所设计的全铝半挂车车架 ，除底 板外 ，在纵梁 与牵引销平面所接触部位和与悬架连接的表 面是应力薄弱点 ，容易在 各种 工况情况下 出现变形 和裂 纹 ，而在其它部位的应力远远未达到材料屈服强度要求。 此半挂车结构有较大的改进余地。 4 半挂车车架改进 除扭转工况 ，最靠近车头的悬架与主纵梁的两个接触 面处都有一定的应力集中，因此 ，在所在位置横梁的车头 方向再加两个槽钢0 l 4，在牵引销板与纵梁连接的不满足应 力 要求 的位置 ，纵 梁腹 板 间焊 接一 5 mm厚 的加 强板 ，以解 表 3 结构改进 底板 0 2 6 牵引板0 0 3 加强槽钢0 1 4 槽钢 0 0 9 ( mm) ( mm) ( fi l m) 与 悬 架 座 连 接 ( m m 1 其 它 ( m m ) 原 来 3 l 0 5 5 5 修 改 后 8 1 3 8 l 6 8 Q i c e g o n g y i 决应力集中问题 ，而且底板的结构强度明显不够 ，由此 ， 做 出表3 的 加强 。 计算了改进后不同运行工况车架的变形位移和应力情 况 ，如 表4 。各个情 况下 车架 的最大 应 力和最 大变形 情况可 汇 总 如下 。“ 一 ” 表 示 此工 况下 改进 后 该件 应 力未 超过 许 用 屈 服 极 限 ，该 处 应 力 集 中 已解 决 ，应 力 中 主纵 梁 有 两 个 值 ，前者是主纵梁与悬架接触面最大应力，后者是牵引板 与主纵梁连接处最大应力。 表 4 改进后各工况应力变形位移变化值 变形位移 ( mm) 应力( Mp a ) 工 况 底 板 纵 梁 边 梁 尾 梁 底 板 主纵梁 牵引板 槽 钢0 0 9 l H0 14 弯 曲 l 2 2 8 2 2 0 2 4 0 2 4 0 缺 陷 l 1 8 7 7 2 5 0 2 2 8 2 5 7 缺 陷 2 1 2 3 4 2 4 2 2 l 3 2 1 2 缺陷 3 1 2 。 2 8 2 l l 2 2 4 2 7 0 缺 陷 4 2 4 8 2 3 4 8 2 2 4 2 1 1 扭 转 1 3 8 5 l 2 0 7 2 3 4 2 l 2 2 8 4 扭 转 2 3 8 7 5 1 9 l 2 2 5 2 1 2 2 9 3 扭 转 3 3 9 5 3 l 9 4 2 2 3 2 l 2 2 8 7 扭转 4 3 9 8 8 2 3 0 2 2 9 2 l 0 2 9 3 刹 车 1 1 7 7 2 0 4 2 5 0 2 1 9 转 弯 1 2 2 8 1 8 2 2 l 2 2 2 l 通过计算可以看 出，车架变形位移已控制在4 0 mm以 内，相较于先前最大变形位移 1 2 l i n l 1 改善了许多，已在允 许变形范围内。应力也基本满足条件要求。因此 ，通过有 限元分析技术可以找到车架的缺点和不足 ，为后续改进设 计提供依据。 ( 参考文献略) _一_一一_一一一一_一I一一_一-一一一I一一一一一一一_一I一_一一l ( 上接 第l 2 页) 整车稳定副，即整车质心在地面上的投 整车不发生侧翻的前提条件是车速小于、等于侧翻临 影点到一侧轮胎的侧翻线的距离 ； 界车速 。 日 整车质心离地高度。 车辆左转弯时的侧翻临界车速为 车辆右转弯时的 式中 质心G的左转弯半径； 一 质心G的右转弯半径； e质心的总偏移值 ； G。 混凝 土质 心 有效 稳定 副 ， =B-e 。 5 结束语 混凝土搅拌车的搅拌筒的设计是一项较繁琐的工作 ， 尤其是叶片的设计和制作。 目前在 同一条叶片上，既做到 在结构参数上的区别对待 ，又做 到在工作性 能上的统一 尚 需进一步的研究。 随着混凝土搅拌运输车的“ 城市化进程” 的发展 ，混凝 土搅拌运输车面临着专业化、集团化大生产的迫切要求。 目前我国的混凝土搅拌运输车产品尚需进一步提高制造技 术、产品开发和计算机辅助设计水平 ，希望我的这篇浅显 的学习心得可以引起大家的兴趣 ，共同来致力于混凝土搅 拌运输车的研 究。 参 考 文 献 略 。 2 0 1 0 5 H E A V Y T R U C K 重 型 汽 车 回 缓再