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1、5.4立方米水泥搅拌筒的设计,学院：机电工程学院姓名：黄伟林学号：021237045指导老师：陈铭年 雷治国,设计5.4立方米目的,目前在市场生产的水泥搅拌车有3、6、7、8、9、10、立方米等容量的水泥搅拌车。为了进一步细分市场，应生产厂家的要求我们决定设计5.4立方米的水泥搅拌车。由于5.4立方米搅拌车相对于6立方米来说对于汽车底盘和发动机功率的要求相对降低，因此可以降低成本和燃油消耗。而相对于3立方米的水泥搅拌车又有容量的优势。因此可以说5.4立方米水泥搅拌车具有突出的性价比。,立方米搅拌筒的设计内容和要求,1、搅拌筒及其附属结构的设计（包括搅拌筒筒体、搅拌筒的支承结构、加料和卸料装置等
2、）其中主要是筒体和螺旋叶片的设计。2、搅拌筒驱动动力和调速性能参数的确定；,1.3.1拟定整机结构方案的依据,（a）搅拌运输车的装载容量（立方米）装载容量是搅拌运输车最主要的性能参数，是控制搅拌筒的几何尺寸，选用运载底盘形式和吨位，确定搅拌筒驱动力参数和动力设备以及传动系统的最关键的原始数据。选用多大容量的搅拌车为最经济，要根据各方面的情况进行对比分析，但多数以标准容量。,（b）被运送的混凝土性质,混凝土的工艺性很强，不同坍落度的混凝土（如塑性混凝土或干硬性混凝土）往往对搅拌装置的结构提出不同听要求。另外在功率消耗和驱动调速上也不同需要，因而也影响动力设备和转动系统参数的选择，在设计时必须考虑
3、，一般要求搅拌运输车应能输送坍落度为421cm的预拌混凝土，粗骨料最大粒径：碎石为40mm；卵石为60mm。,（c）搅拌运输车的工作制度,如前述，搅拌运输车的工作制度基本可以归纳为两类，其区别既在于搅拌运输车在运输中对预拌混凝土的“搅动”还是对混凝土拌合料的“搅拌。”这种区别涉及搅拌筒的结构和几何容积，动力供给和驱动调速，以及供水系统的结构和容量参数的设计，应该事先考虑。我国目前设计制造的搅拌运输车，一般作为运输预拌混凝土用。,混凝土搅拌筒驱动装置总成,图1.2搅拌筒卸料机构,图2.2搅拌筒构造图,图2.3机架,搅拌筒的内部结构,图2.5搅拌筒的装料和卸料机构,图3.1搅拌运输车液压传动系统,
4、图3.2搅拌筒恒速自动控制液压图,搅拌筒工作原理,搅拌筒的工作原理和工作过程。从搅拌筒的内部结构已知，搅拌运输的搅拌筒是依靠回转的筒体带动其中的两条螺旋叶片，对混凝土进行搅拌或卸料作业的，其搅拌和卸料性能又与搅拌筒的构造，尤其是两条独特的螺旋叶片有什么关系，值得探讨。参看图2.6，这是通过搅拌筒轴线的垂直剖面示意图。图a,b分别为被剖搅拌筒的两部分，图中斜线表示剖视部分的螺旋转动，混凝土因与筒壁和叶片的摩擦力和内在的粘着力而被转动的筒壁沿圆周带起来，但在达到一定高度后，必在其自重G作用下，克服上述摩擦力和内聚力而向下翻跌和滑移。由于搅拌筒在连续的转动,所以混凝土即在不断的被提升而又向下滑跌的运
5、动中，同时受筒壁和叶片所确定的螺旋形轨道的引导，产生沿搅拌筒切向和轴向的复合运动，使混凝土一直被推移到螺旋叶片的终端。（如果搅拌筒是以图a）所示方向的“正向”转动，混凝土将被子叶片连续不断的推送到搅拌筒的底部，显然，到达筒底的混凝土势必又被搅拌筒的端壁顶推翻转过来，这样在上述运动的基础上又增加了混凝土上下层的轴向翻滚运动，混凝土就是在这样复杂的运动状态下得到搅拌，因混凝土部分受到螺旋运动叶片的强制推移翻滚，故属于半强制式搅拌。（如果混凝土按图b）所示作“反向”转动，叶片的螺旋运动也相反，这是混凝土即被叶片引导向搅拌筒口方向移动，直到筒口卸出。,搅拌筒和螺旋叶片的设计计算,搅拌筒既是搅拌运输车运
6、送混凝土的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。所以对它的设计有以下基本要求：a.有足够的有效装载容积；b.满足规定的搅拌和装、卸料性能；c.在结构上适应运载底盘和运输中进行搅拌工作的特点；d.要有适应的使用寿命（耐磨损性能）；搅拌筒的设计分几何设计和金属结构设计两部分，几何设计是金属结构设计的基础采用梨型卧置搅拌筒设计。,搅拌筒的几何容积 搅拌运输车的梨形搅拌筒几何容积，通常与其设计的最大装载容积存在如下关系：V/Vj0.5-0.6式中：V对预拌混凝土运输方式，此值为公称搅动容量，即运输车能运输的预拌混凝土经捣实后的最大体积；对混凝土拌合料搅拌运输，此值为公称搅拌容量，即运输车置于水平位置，搅
7、拌筒能容纳全部未经搅拌的配料（包括水）要在充分搅拌时不产生外溢，并能生产匀质混凝土经捣实后的最大体积。Vj搅拌筒的几何容积。装载容量是搅拌运输车最主要的性能需求参数，是控制搅拌筒的几何尺寸，选用底盘吨位，确定搅拌筒的驱动动力及传动系统的原始数据。,搅拌筒的斜置角度,搅拌筒的斜置角度虽然不是搅拌筒壳体本身的几何参数，但它影响着搅拌筒的有效装载量、工作性能（搅拌、卸料）、支承性能（对底盘的栽花分布）、搅拌运输车的进、出料高度（筒口高度）等，因而也对搅拌筒的几何参数起制约作用，在设计时必须将搅拌筒的几何参数与斜置角度联系起来考虑，选择适度。一般在搅拌筒斜置角度较小时，搅拌筒有效装载容量既会下降，搅拌
8、性能变差，但有利于卸料，搅拌筒支承点的载荷比较均匀，进、出料高度低，这时为满足设计要求的装载容量，往往需要增加搅拌筒的长度或直径。当搅拌筒的斜置角度较大时，上述情况相反。搅拌筒的斜置角度作为搅拌运输车的基本参数，目前国产3立方米搅拌运输车拌斜置角度一般为18度，6立方米为16度，8立方米为14度。为了保证搅拌筒在斜置时上部有平直的高度和一定的卸料能力，搅拌筒底部截锥半锥顶角度控制在20度25度之间，上部截锥半锥顶角常控制在14度16度之间，在设计搅拌筒的主要控制尺寸时可供参考。例如，对装载容量小的搅拌筒，为适应小吨位底盘的有限长度，搅拌筒的斜置角度都选的比较大，因而配合选择较大的锥顶角，这样可
9、使搅拌筒的长度减少。,搅拌筒中部的最大直径,搅拌运输车梨开搅拌筒的壳体各部分的尺寸比例和形状怎样最好，据有关试验资料认为，梨形搅拌筒壳体以中部具有较大直径，而底部截锥较短，使搅拌筒中下部的外形接近球体为最佳，这时，不仅搅拌效果好，搅拌效率高，而且也因搅拌筒重心适当前移，对合理分配运载底盘前后桥的负荷，提高搅拌运输车的装载能力是有利的。但是，搅拌筒中部最大直径首先受运载底盘宽度的限制，也受搅拌筒重心高度对整车稳定性影响的限制，当然还要考虑到国家交通和运输法规对车辆通过性的有关规定。另外，这一尺寸还与搅拌筒两端锥体的锥顶角有关，直接涉及搅拌筒的工作性能和装载量，因此在确定这一最大直径时，必须综合考
10、虑上述因素。据统计，使用普通载重汽车底盘的搅拌运输车其梨形搅拌筒的中部最大直径一般都在2m左右，小容量的搅拌筒可略小。,搅拌筒的筒口直径,搅拌筒的筒口直径关系着对混凝土的吞吐速度，应根据搅拌筒的装载量和要求的卸料速度而定。搅拌筒要求的卸料速度是考虑配套使用的混凝土泵等一些现场输送浇灌机械功的生产率或自身的生产等因素而制订的。而搅拌筒的实际卸料速度又取决于拌筒的反转速度和混的坍落度，在正常的条件下，搅拌筒的反转速度愈高，混凝土的坍度愈大，则卸出速度愈快，目前搅拌运输车的卸料速度可参考以下数据。在额定卸料转速下，当混凝土的坍落度为5cm时卸料速度可控制在90180秒/立方米这之间；当混凝土的坍落度
11、为20cm时，卸料速度可以达到4060秒/立方米。以上数据中，装载容量较大的搅拌筒，卸料速度要快一些，选高值，反之则选低值。,搅拌筒有效容积和满载重心的计算,各种规格的搅拌筒的轴向截面都可以转化为ABCDEFGH所围成的形状,如图4.1所示；为了便于进行循环计算,将各形状参数化为y2的(搅拌筒最大半径)的函数:L1=c1y2L3=c2y2y1=(1-c1tga1)y2y3=(1-c2tga2)y2y0=常数式中:L1-圆台ABGH的高度;L3-圆台CDEF的高度;y1-圆台ABGH的小头半径;y2-搅拌筒的最大半径;y3-圆台CDEF的小头半径;c1-常数,取值范围1.5-1.8;c2-常数,
12、取值范围0.8-0.97;a1-圆台ABGH的半锥角,取值范围14.2-16.1度;a2-圆台CDEF的半锥角,取值范围20-25度;yo-进料口半径,取值范围250310mm;圆台ABGH的母线方程:y1(X)=f1(y1,y2,L1)圆柱BCFG的母线BC方程:y2(x)=f2(y2)圆台CDEF的母线CD的方程:y3(x)=f3(y2,y3,L1+L2+L3)混凝土上表面在平面上的投影方程:,y4(x)=f4(y0,a0)式中 a0-混凝土表面与搅拌筒轴线的夹角;图4.2为图4.1任意处II截面图.阴影部分为混凝土的横截面,可以看出混凝土的横截面处为一规则的几何图形-弓形。弓行的面积F(
13、X)是y4(x)和圆半径的函数，为:F(x)=f R(x),y4(x),所以搅拌筒有效容积为:当V(y2)V0成立时,就可以求出所需的搅拌筒尺寸。为设定的误差值，取=0.1也就是当V(y2)V00.1成立时就可以求出所需搅拌筒的各部分的尺寸。现在取 y2=1.1m；C1=1.7;C2=0.8;a1=15.5；a2=22；L2=0.5m;搅拌筒倾斜角取15；y0=0.28m；则：L1=c1 y2=1.9m;L3=C2*y2=0.9m;y1=(1-c1tga1)y2=0.5814m;y3=(1-c2tga2)y2=0.744 m；y4(x)=0.28-0.404x 当x=1.045时y4=0求出：
14、,螺旋升角的选择,当a角很小时，叶片几乎与搅拌筒轴线垂直，混凝土在转动的搅拌筒中轴线运动非常微小，近似于只作沿筒壁的切向滑跌，在这种情况下，不但搅拌作用非常微弱，而且也不具备实际的卸料能力。随着 a 角的变大，混凝土沿搅拌筒轴线方向的运动分量逐渐提高，因而叶片的搅拌作用和卸料能力都得到加强，当具有一定强度的轴向和切向的复合运动时，即可实现预期的工作性能。但从螺旋原理推知，随着a角的增大，混凝土沿叶片滑移的摩擦阻力也相应加大，达到一定程度，就易造成混凝土在叶片上的淤积，使其运动受阻，这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。当a 角趋于90度时，叶片与搅拌
15、筒轴线近似平行，这时对混凝土类似于自落式搅拌机而几乎没有轴向的推移作用，因而丧失卸料能力。,螺旋曲线的对比与选择,阿基米德螺旋曲线，即等螺距螺旋曲线。这种曲线叶片的特点是：螺旋环绕筒壁的叶片在搅拌筒轴线方向上的间距保持不变，但叶片的螺旋升角却随着搅拌筒横断面的直径成反比的变化。图4.4a就是按这种曲线形式设置在梨形搅拌筒内的螺旋叶片。从图中可以看到，如果叶片曲线的升角按搅拌区段工作要求选定，则叶片进入卸料区段其螺旋升角将随搅拌筒断面的收缩而愈睐愈大，这是与前面分析的结果背道而驰的。因而可能使卸料性能变坏；如果按卸料区段的工作要求选择叶片的螺旋升角，则搅拌区段叶片螺旋升角将失之过小，可能无法保证
16、搅拌质量。因而在采用阿基米德螺旋曲线为叶片曲线时易出现顾此失彼难以兼顾搅拌、卸料性能的局面。早期生产的搅拌运输车曾采用这种曲线形式的叶片。,对数螺旋曲线，即等升角的螺旋曲线，见图4.4b这种叶片的螺旋升角始终不变，螺距却随搅拌筒直径正比变化，虽然卸料区段的叶片间距较搅拌区段为小，但设计恰当并不影响卸料性能。采用这种螺旋曲线的叶片，选用合适的螺旋升角，比较容易兼顾搅拌和卸料的性能要求。,搅拌叶片螺旋面的对比选择与计算,目前，应用于搅拌运输车的搅拌叶片螺旋面的形式有：正螺旋面和斜螺旋面两种。正螺旋面就是母线垂直于轴线的螺旋面，当螺旋升角选定之后，在搅拌筒正、反转两种工况下，正螺旋面叶片很难兼顾搅拌
17、和卸料两种工作性能。斜螺旋面就是母线与轴线不垂直的螺旋面。假设螺旋母线斜向出料方向一适当角度，这样当搅拌筒正转时，由于螺旋面斜置，当某一部分叶片由轴线下向运动时，就能多带一些混凝土，当搅拌筒转到一定角度时，则由于垂重力的作用和斜螺旋面的性质，将有一部分混凝土沿筒壁滑跌，增加了横向搅拌效果，提高了搅拌效率。当搅拌筒反转时，由于斜面与筒壁间组成了大“V”型这样能够促进卸料。当斜面斜向进料方向时，搅拌和卸料性能都将变差，其工作性能连正螺旋面都不如。,圆锥对数螺旋线的方程为：,空间曲线方程,斜圆锥对数螺旋面方程 当空间曲线r端点M(x,y,z)沿圆锥对数螺旋线运动，又与x轴夹角w保持恒值，就形成了斜圆
18、锥的对数螺旋面。将方程带入方程得：,方程组即为斜圆锥对数螺旋面方程，在以上公式中：-圆锥顶角一半；-圆锥对数螺旋线的切线与圆锥母线的夹角；-圆锥顶到圆台小头的母线长度。,水泥搅拌筒的校核计算,水泥搅拌筒可以简化为一个空心薄壁圆筒其受力分析如图4.7（a）由以上重心计算可以知道L1=1.654m;水泥的重力G=pvg=5.42.49.8=130(kN)搅拌筒所受的最大弯矩 Me=GL1cosa=1301.654cos15=207693Nm图4.7（b）为搅拌筒所受的弯矩图。搅拌筒所受的最大扭矩 Te=9549P/n=954953.616=31990Nm图4.7（c）为搅拌筒所受的扭矩图。弯扭合成计算 图4.7（d）为搅拌筒所受的弯扭合成图。,由第三强度理论:,.16Mn的强度极限;d.搅拌筒最大内径;D.搅拌筒的外径;,搅拌筒的驱动力计算,N=2nM/601000=21432000/601000=46.9(KW)式中 N-搅拌筒驱动功率 M-搅拌筒驱动扭矩 n-搅拌筒最大转速，取n=14r/min,
