（载运工具运用工程专业论文）混凝土搅拌运输车侧翻动力学建模研究.pdf

摘要 混凝土搅拌运输车的运输安全是一个需要解决的难题，它的侧翻事故严重威 胁着驾驶者的生命安全和工程建设的生产安全。混凝土搅拌运输车质量较大，质 心位置较高且随着搅拌筒的搅拌旋转而变化，加上轮胎和路面间复杂的交互作用 等因素，使驾驶员深感混凝土搅拌运输车的速度稍高时，操纵稳定性就变差，稍 不注意就引发侧翻事故。因此研究分析混凝土搅拌运输车的侧翻机理，确定其侧 翻临界状态的条件和规律，为侧翻预警系统的研究提供依据，是本论文研究工作 的根本目标。 论文在分析搅拌运输车结构、运行特点、搅拌筒内混凝土的流体性质后，对 混凝土在搅拌筒内的受力和运动情况进行了分析，建立流体运动方程。根据实际 情况经过适当简化，得出搅拌筒内部流体速度表达式。在此基础上，建立了流体 动力学方程，据此确定了混凝土流体在转弯离心惯性力和搅拌筒旋转惯性力共同 作用下所引起整体质心位置发生动态变化的偏移规律。基于混凝土搅拌运输车质 心动态变化的规律，本文作者就搅拌运输车在平地圆周运动、弯道内倾、弯道外 倾三种工况下，对混凝土搅拌运输车进行受力分析，并分别建立了侧翻动力学模 型。求解出了各工况下的临界侧翻速度表达式。确定了临界侧翻状态下，车速与 前轮转角之间的关系。为了验证模型的正确性，文章选用某型号混凝土搅拌运输 车进行侧翻稳定性的计算机数字仿真。 通过研究发现质心的横向偏移大小主要跟转弯车速、弯道与水平面的夹角有 关。纵向偏移量的大小跟车辆搅拌运动和弯道与水平面的夹角有关。论文通过实 车参数分析了各种工况下的侧翻规律性，计算了质心横向偏移量和纵向偏移量对 临界侧翻速度的影响，弄清楚各工况下车辆侧翻机理。 关键词：混凝土搅拌运输车；动力学模型；搅拌筒；侧翻；动态质心 a b s t r a c t t r a n s p o r t a t i o ns a f e t yo fc o n c r e t em i x e rt r u c ki st h ep r o b l e mt ob er e s o l v e df o ra l o gt i m e t u m b l i n ga c c i d e n ti sad r a m a t i c a lt h r e a tt ob u i l d i n gp e o p l e sl i f ea n dp r o j e c t s a f e t y t h ev e h i c l ei sh e a v y , a n dc e n t r o i di sh i g ha n da l s oc h a n g e sw i mt h er o t a t i o no f m i x i n gp r o c e s s ，i na d d i t i o nt h a ti n t e r a c t i o n si n f l u e n c eb e t w e e nt i r ea n dr o a ds u r f a c e ， w h i c he n t a i lt h ed r i v e rt ok n o wt h a tt h eh a n d l i n gs t a b i l i t yi sd e c r e a s e dw h e nt h es p e e di s s l i g h t l yh i g h e r , a n dal i t t l ec a r e l e s s n e s sw i l lr e s u l ti nt u m b l i n ga c c i d e n t s t h e r e f o r e ，t h e b a s i cg o a lo ft h ep a p e ri st oa n a l y s i sr o l l o v e ro ft h ec o n c r e t em i x e rt r u c k , j u d g et h e c r i t i c a lc o n d i t i o na n d p r o v i d ee v i d e n c ef o re a r l yw a r n i n gs y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef o r c ed i s t r i b u t i o na n dm o v i n gs i t u a t i o na f t e rs t u d y i n gt h e v e h i c l es t r u c t u r e ，r u n n i n gf e a t u r e sa n df l u i dn a t u r ei nt h ec o n c r e t em i x i n gb a r r e l ，a n d t h e nc a l c u l a t e dt h ef l u i dm o v i n ge q u a t i o na c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n dp r o p e r l y s i m p l i f i e d ，t h e nt h ep a p e re s t a b l i s h e dt h ev e l o c i t ye x p r e s s i o ne q u a t i o no ff l u i di nt h e m i x i n gb a r r e l b a s e do nt h et h e o r y , t h ep a p e re s t a b l i s h e dh y d r o d y 7 n a m i ce q u a t i o n s ， d e t e r m i n e do f f s e tf o r m u l ao fd y n a m i cc e n t r o i do nt h e i n t e r a c t i o no fc h a n g i n g c e n t r i f u g a lf o r c ea n dm i x i n gd r u mr o t a t i n gf o r c e b a s e do nt h ef o r m u l a , t h ep a p e r s t u d i e dt h ef o r c ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h et h r e ec o n d i t i o n s ：c i r c u l a rm o t i o n ，b e n d i n gr o a d i n t r o v e r s i o na n de x t r a v e r s i o n , a n ds e tu pt u m b l i n gd y n a m i cm o d e l ss e p a r a t e l y , a n d w o r k e do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n df r o n tw h e e lc o n v e r s i o na n g l ei nt h es t a t e o fc r i t i c a lr o l l o v e r t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l ，c e r t a i nt y p ec o n c r e t e m i x i n g v e h i c l ew a ss e l e c t e dt os i m u l a t er o l l o v e rs t a b i l i t y i ti sf o u n dt h a tt h es i z eo fl a t e r a ld e v i a t i o ni sm a i n l yr e l a t e dt ot u r n i n gs p e e da n d u n s t a b l ea n g l e ，t h es i z eo fl o n g i t u d i n a ld e v i a t i o ni sr e l a t e dt ov e h i c l es t i r r i n gm o v e m e n t a n du n s t a b l e a n g l e t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h er o l l o v e rr e g u l a r i t yu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，s i m u l a t e dt h ei n f l u e n c eo fl a t e r a la n dl o n g i t u d i n a ld e v i a t i o ns i z et oc r i t i c a l r o l l o v e rv e l o c i t y , a n dc l a r i f i e dt h er o l l o v e rm e c h a n i s mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sb y a n a l y z i n gv e h i c l ep a r a m e t r i c k e y w o r d s ：c o n c r e t em i x e rt r u c k ；d y n a m i cm o d e l ；t u m b l i n g ；r o l l o v e r ；d y n a m i cc e n t r o i d 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 肆禅k 日期：沙c o 年名月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：互￥粥亏僻 日期：砂矿年年月日 指导教师签名： 啦轴了 日期出f 睥月叫日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：j 碎觯够 日期：阴，年年月1 日 指导教师签名： 日期：幽膦甲月2 f 日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 混凝土是土木建筑施工中主要使用的建筑材料，它由水泥、沙石和水按照一 定比例混合而形成混凝土拌合料，经过一段时间后由水泥和水起水花反应凝结而 成。随着我国现代化建设进程的不断加快，基础设施建设项目数量、规模和扩张 速度明显加快。图1 1 是2 0 0 3 到2 0 0 9 年国内混凝土的需求量，预测2 0 1 0 年对混凝 土的需求量还将进一步增加，超过1 0 亿m 3 。 r 2 0 0 5 2 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 0 7 2 0 0 1 1 2 0 0 9年 图1 12 0 0 3 年到2 0 0 9 年全国预拌混凝土总量的需求量 f i g u r ei 1t h en a t i o n a ld e m a n do fr e a d y - m i x e dc o n c r e t ef r o m2 0 0 3t o2 0 0 9 过去，绝大多数项目都是在施工现场搅拌混凝土。为确保混凝土质量和提高 工效，混凝土搅拌和供应的专业化、商品化问题被提了出来。1 9 8 8 年1 0 月在陕西 咸阳召开的全国混凝土机械行业大会上提出了混凝土搅拌站( 楼) 、混凝土搅拌运 输车、混凝土泵车( 包括混凝土泵) 、散装水泥运输车的“一站三车 的战略口号。 2 0 0 5 年底，国家“禁止现场搅拌混凝土”的规定在全国大中小城市全面实施。 该规定要求工程中必须使用商品混凝土，设立商品混凝土搅拌站，推广使用混凝 土搅拌运输车。 近年，混凝土搅拌运输车在混凝土运输中起到了很重要的作用。但混凝土搅 拌运输车的安全运输一直是一个需要解决的难题，它的侧翻事故严重威胁着工程 建设的生产安全。据统计，2 0 0 7 年成都城区共发生涉及混凝土搅拌运输车的交通 事故2 5 件，造成1 0 人死亡，2 5 人受伤。据重庆交通部门统计，2 0 0 8 年1 月至6 月，重 庆市区道路发生的混凝土搅拌运输车倾翻事故有1 5 起，死亡6 人，2 0 人受伤。混凝 。 乏 o 2第一章绪论 土搅拌运输车侧翻事故往往是导致生命财产损失的重大交通安全事故。 调研中了解到：混凝土搅拌运输车质量较大，质心位置较高且随着搅拌筒的 搅拌旋转而变化，加上轮胎和路面间复杂的交互作用等因素，使驾驶员深感混凝 土搅拌运输车的速度稍高时，操纵稳定性就变差，稍不注意就引发侧翻事故。驾 驶员很难感觉到搅拌运输车是否处于临界侧翻状态，从而造成不能及时采取适当 措施，阻止搅拌运输车侧翻的发生。另一方面搅拌运输车操纵难度和技术要求又 增加驾驶员心理负担，使其精神紧张，更易产生误操作，导致侧翻事故。 因此，混凝土搅拌运输车的防侧翻预警技术和防侧翻控制技术日益受到人们 的关注和研究。 1 2 国内外研究现状 在机动车辆可能经历的所有动态失稳中，侧翻( r o l l o v e r ) 是对车辆乘员最严 重、最危险的一种。侧翻可能是由一种或多种因素共同导致的。当侧向加速度的 大小超过轮胎法向反力转移所能补偿的极限时，即便是在平坦和水平的路面上也 可能发生侧翻事故。而路面的横向斜坡( 或越野) 以及来自路缘的冲击、软地或 其他可能“绊倒 ( t r i p ) 车辆的障碍物也会导致影响侧向力的产生。除了操纵与道 路的影响外，侧翻过程还涉及作用于车上与车内的各种复杂的相互作用瞄。 国际上对于轿车、运动型汽车、货车等的侧翻动力学，无论从静态、准静态 和动态的计算机模拟，还是到大型汽车侧翻试验台的实验验证，都有非常深入的 研究。下面围绕混凝土搅拌运输车侧翻研究的命题，就汽车静态侧翻、动态侧翻、 混凝土搅拌运输车行驶稳定性这三方面分述国内外对车辆侧翻研究的现状。 1 2 1 静态侧翻 静态侧翻是指车辆在没有行驶速度情况下由侧倾所引发的侧翻。 目前多采用两种方法测定汽车静态侧翻稳定性能口1 ： ( 1 ) s s f ( s t a t i cs t a b i l i t yf a c t o r ) 法一静态稳定因子法 该法把车辆看作一个刚体，当车辆重力作用线正好移到车辆低侧端车轮与地 面接触点时，车辆平均半轮距与质心高度的比值。如图1 2 即t a n p = b 2 h ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：坝0 倾稳定角( 。) ； b 车辆轮距( 咖) ： ，车辆质心高度( 咖) 。 第一章绪论 3 围12 静态稳定因子法示意图 f i g u r e l 2 s c h e m a t i c d i 姆m r a o f s t a t i cs t a b i l i t y r f a c t o r m e t h o d 其原理是车辆质心高度确定后，当重力作用线越过车辆低侧端轮胎与地面接 触点( 线) 时，车辆会侧翻。式( 11 ) 计算的是侧倾角的临界值。 ( 2 ) t f r ( t i l t t a b l e r a t i o ) 法侧倾比例系数法 车辆髓侧倾试验台一起侧翻，直至车辆高侧端轮胎脱离台面为止，如图1 3 ： 此时， t r = t a n 卢( 1 _ 2 ) 围13t t r 法侧翻示意图 f i g o r e l3 t d t t a b l e r a t i or o i i o v e rs c h e m a t i c d i 罐r a n l 订r 法与车辆的实际情况最接近。 s s f 法考虑车辆为一刚体，计算简单，但需要预先测出车辆的质心。而m 法 它考虑到车辆的柔性，许可车辆设计者在车辆设计方面的某种自由度。其中1 t r 法的测量准确度和操作简易性能最佳。 国内外还有很多学者对静态侧翻理论作了很多研究，具有代表性的有：美国 密执安大学运输研究院( u m t r i ) 开发的静态懊0 倾模型( s r m ) ，何锋等利用静态 侧倾模型对汽车侧倾过程进行计算机模拟分析，分析影响汽车侧倾的敏感参数。 辅一 一，戮 4第一章绪论 模拟汽车侧倾的数学模型分二大类，一类为具有精确结果的复杂数学模型，如“汽 车横摆一侧倾模型 ；另一类为精度略差但较为简便的数学模型，如“静态侧倾模 型 。后者计算简便，且要求输入的参数较少，而得到广泛应用。静态侧倾模型 ( s i 蝴) 的数学表达式中，通过重复求解l o 个平衡方程，得到最大侧向加速度即 是汽车侧翻阀值。对汽车侧倾影响最大的参数为：侧倾中心高度、簧载质量、质 心高度、车轮距和车轮垂直刚度h 。肖杰综合考虑悬架组合刚度和轮胎垂直刚度并 建立了汽车静态侧翻模型瞄1 。 1 2 2 动态侧翻 动态侧翻是指车辆有行驶速度情况下的侧翻。 近年来美国、加拿大、英国和日本等诸多学者为车辆动态侧翻理论和实践做 出了重要贡献，一些有代表性的研究成果如下： s t a k a n o 等建立了一种三自由度车辆动力学模型对车辆进行各种工况下的仿 真分析，对其侧翻稳定性进行了研究憎1 。e ig i n d y 针对操作型侧翻将横向载荷位移 率( l t r ) 和后部放大比率( r a r r e w a r da m p l i f i c a t i o nr a t i o ) 作为动态侧翻稳定性 危险程度的2 个指标。a j n o v a k 等建立了半挂车的动力学模型并设置了各种性能 参数来研究其在各种工况下的作业稳定性咧。n a r a h a r iv i t t a lr a o 运用动力学仿真软 件，通过对悬架相对位置和侧向加速度传感器的分析，建立基于l a b v i e w 基础的车 辆侧翻辨识系统，判断车辆侧翻情况w 。f l o r i a nf l e i s s n e r 等提出了一种新方法研究 油罐车的行驶稳定性，即用光滑粒子模拟平滑的液体，用多体动力学软件 s i m u l a t i o n s 研究粒子货物在行驶过程中的晃动规律u 。 随着中国汽车工业的发展，国内也有很多学者对汽车侧翻问题进行了研究， 如：金智林考虑轮胎非线性因素的影响，建立了四自由度非线性汽车侧翻模型。 王坤在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建了半挂汽车二十一自由度非线性车辆动力学仿 真模型和控制器模型，分别在阶跃转向工况、鱼钩转向工况和双移线工况下进行 了防侧翻控制算法的开环和闭环仿真验证u 副。黄杰燕建立了重型车实时简化动力 学模型，选用三自由度和五自由度模型预测重型车侧翻的危险程度u 副。杨利勇利 用可变悬架和轮胎的汽车侧翻模型u ”，分析了悬架及轮胎等因素对汽车侧翻的影 响。舒进等人用m s c a d a m s 软件建立具有柔性扭力梁的混合整车多体模型，进行 后悬架静态特性分析和整车稳定性仿真分析，通过仿真数据与试验结果对比，说 明采用柔性扭力梁模型能较大影响悬架特性，分析结果比较接近实际情况u 副。刘 合法通过对独立悬架和非独立悬架侧倾运动特性的分析，结合采用已有的轮胎力 学模型，建立反映独立悬架和非独立悬架侧倾运动特性的双轴汽车在稳态转向时 第一章绪论 5 的侧倾运动的数学模型n 町。贾会星建立了铰接车辆在转向时临界侧翻的数学模型， 利用m a t l a b 软件对所建立的模型进行仿真，并验证其正确性m 。 纵观国内外针对汽车侧翻的研究，我们发现其都是假设车辆质心不变下进行 的侧翻动力学建模。由于混凝土搅拌运输车行驶过程中搅拌筒质心不断的变化， 研究质心改变下的动力学模型才能较为精确地研究混凝土搅拌运输车侧翻机理。 1 2 3 混凝土搅拌运输车行驶稳定性 混凝土搅拌运输车的自身结构因素决定了其整车的质心高度较一般载货车要 高，而且其在行驶过程中搅拌筒的不断搅拌且在侧向惯性力的作用下使得质心位 置也在不断变化，其失稳的危险性也较一般载货车要高。混凝土搅拌运输车高速 行驶过程中发生侧翻是最危险的。 在西方发达国家，随着几十年甚至上百年的发展，基础工业已经发展完善， 工程机械产品的可靠性能较高。国外很多学者做了很多针对混凝土搅拌运输车和 搅拌筒的研究，具有代表性的有：b o g d a nc a z a c l i u 通过实验描述了混凝土搅拌运输 车搅拌筒的搅拌过程u 卅。g d s t e f a n o ua n dc h l a r s i n o s 分析了水的含量对搅拌筒内 混凝土凝结时间的影响u 引。但这些研究工作的目的都是为了提高运输过程中混凝 土的混合均匀度。 近些年，国内混凝土搅拌运输车已经形成一定的生产规模，研制水平有了很 大进展，为了更好的适应市场竞争的需要，各搅拌运输车厂家产品开发速度加快， 自主开发能力日益提高，新产品源源推出，新结构不断涌现。研究成果也层出不 穷，如：封立英利用c f d 软件对混凝土搅拌运输车搅拌筒内的自由液面及出料情 况进行模拟分析瞄w 。韩万喜针对1 2 立方米混凝土搅拌运输车，研究和分析了搅拌 筒转速和混凝土匀质性的关系怛。张旭东对混凝土搅拌运输车搅拌筒搅拌过程进 行了动力学分析，并建立了搅拌筒动力学模型嘤。王海英用水模拟混凝土在搅拌 筒内的流动，实验中利用粒子成像测速系统对搅拌筒内部流体流动状态进行了研 究，最终得到了水在搅拌筒内部的流动状态以及搅拌时的流体流线，使得流体在 搅拌筒内部的流动更加直观化睇“。另外国内的李谷楠建立了可以模拟危险品运输 罐车( 油罐车) 行驶过程中罐内液体晃动对整车侧倾稳定性影响的动力学方程， 在a d a m s 虚拟环境中，根据实车参数建立了罐式半挂汽车列车动力学仿真模型， 并对侧翻危险状态进行了仿真分析州。 试验方面，目前只有w a a 3 c o ( 威伯科) 花费3 2 0 万欧元针对混凝土搅拌运输车及 油罐车的动态特性与稳定性进行道路试验。如图1 4 6第一章绪论 围14 油罐车及混凝土搅拌运输车动态侧翻试验 f i g u r e l4 咖i cr o l l o v e r t o f t a n k tt | u c k a n dc o n c i 口i b m i x i n g n c k 国内外的研究工作的重点大多数是放在对混凝土在搅拌筒内部的运动分析， 而针对搅拌运输车在行驶过程中搅拌简旋转而导致筒内混凝土质心的动态变化却 尚无人研究，由于搅拌筒质量大，质心偏移产生的力矩对车辆运行状态影响很大。 所以有必要对质心偏移位置和对质心变化规律进行研究并进行。 13 课题研究的目的和意义 本课题的目的是研究混凝土搅拌运输车搅拌筒内混凝土质心变化规律，对混凝 土搅拌运输车进行侧翻机理分析并建立侧翻动力学模型，然后利用实车参数进行 侧翻分析。数据结果对于进一步开发防侧翻控制系统并应用到混凝土搅拌运输车 上，具有很重要的理论意义和实用价值。 当前为了减小国际金融危机对我国经济的影响，国家出台扩大内需的十大措 施，其中把加快保障性安居工程建设和加快铁路、公路和机场等重大基础设施建 设这两个措旌分别列于首位和第三位，这使得混凝土搅拌运输车的需求量还将直 线上升，减少侧翻事故，保障安全运输是头等大事。因此，社会需求是本课题研 究的动力，满足社会的需求则是本课题研究的目的。 混凝土是一种流体，与其他流体状态物品运输车辆，如油罐车、液态化学品车 等，有一些共同特点，所以研究搅拌运输车侧翻问题可归结到罐式流体运输汽车 侧翻的应用基础理论研究。因而，本课题研究的理论价值和应用前景都是十分明 显的。 第一章绪论7 1 4 本文研究的主要内容 本论文主要包括以下内容： 第一章首先简述了本文的选题背景。介绍了车辆侧翻的概念，并依次介绍了国 内外在静态侧翻、动态侧翻、混凝土搅拌运输车稳定性方面的研究现状。介绍了 本论文课题研究的意义。 第二章重点研究搅拌筒的旋转运动规律和混凝土搅拌运动分析将涉及到的基 础知识。在该章中，首先介绍了混凝土的基本知识，流体与流动的基本特性，然 后介绍了搅拌运输车的车型及分类，搅拌筒的内部结构及工作原理，搅拌运输车 运行特点等，为接下来的动力学分析做准备。 第三章主要研究搅拌筒内的流体混凝土的运动。建立混凝土流动的流体运 动方程并对其进行求解。通过计算求出搅拌筒旋转时的质心变化规律： 第四章对混凝土搅拌运输车侧翻原因进行分析讨论。并在此基础上建立基于载 荷式的混凝土搅拌运输车侧翻动力学模型。利用该模型建立模型分别对静态、动 态下侧翻进行研究，在动态侧翻下又分匀速圆周运动、弯道内倾、弯道外倾等情 况进行研究。 第五章选用某型号车型为研究对象，将实车参数带入车辆侧翻模型中，分别讨 论各工况方向盘转角与临界侧翻速度的关系，并探讨了质心偏移对各工况下的临 界侧翻速度的影响大小。 第六章全文总结及展望。 8 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 2 1 混凝土基本知识 混凝土搅拌运输车的工作对象是混凝土，所以在研究混凝土搅拌运输车结构和 运行特点时，必须对混凝土的组成、性质及性能指标有所了解。混凝土也称硷， 它是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养 护而成的人造石材瞄副。 混凝土的种类很多。按胶凝材料的不同，分为水泥混凝土、沥青混凝土、石膏 混凝土及聚合物混凝土等；按使用功能不同，分结构用混凝土、道路混凝土、水 工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等；按照表面观密度，混凝 土可分为重混凝土( 表现密度大于2 0 0 6k g m 3 ) 、普通混凝土( 表现密度为1 9 5 0 - 2 5 0 0k g m 3 ) 和轻混凝土( 表现密度小于1 9 5 0k g m 3 ) 。目前，混泥土搅拌运输车 中通常装载的是普通混凝土。 2 1 1 普通混凝土的基本结构成分 普通混凝土的基本构成成分如下2 引： ( 1 ) 常用水泥 常用的水泥种类有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( 简称普通水泥) 、矿渣硅酸 盐水泥( 简称矿渣水泥) 、火山灰质硅酸盐水泥( 简称火山灰水泥) 、粉煤灰硅酸 盐水泥( 简称粉煤灰水泥) 。 ( 2 ) 特种水泥 除常用水泥外，基于紧急检修、冬期施工、要求早期强度、耐热、水利建筑、 加固修补、耐摩擦性及耐候性等工程的需要，开发了快硬硅酸盐水泥、快凝快硬 硅酸盐水泥、高铝水泥、大坝水泥、自应力水泥、膨胀水泥、道路水泥等特种水 泥。 ( 3 ) 混凝土外加剂 常见的外加剂有：减水剂、早强剂、引气剂、缓凝剂、防冻剂。 ( 4 ) 粉煤灰 粉煤灰又称煤灰，是煤燃烧后排放的工业废渣。 ( 5 ) 细集料 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点9 为达到节约水泥和提高强度，实现良好的级配，应有较多的粗颗粒，同时配有 适当的中颗粒及少量的细颗粒填充其空隙。细集料就是这样的颗粒，最常用的细 集料是砂。 ( 6 ) 粗集料 石子为最典型的粗集料。石子分为卵石和碎石。 ( 7 ) 拌合用水 配制混凝土的水一般用干净的自来水或淡河水。 砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；包裹在粗细骨料表面并填 充骨料的空隙。水泥浆在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好的工作性 能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。 普通混凝土具有很多优点，刚拌成的混凝土拌合料在一定时间内呈流塑状态， 因此，可浇注呈任意形状及尺寸的构件，适应性强，可根据要求配置不同性质的 混凝土，相对于钢材与木材而言，具有较高的耐久性；其组成材料中砂、石、水 均可就地取材，价廉，生产能耗低。其缺点是：自身质量大，抗拉强度大大小于 抗压强度，变形能力相当小，性脆易裂，预缩合导热系数较大，施工质量有波动。 从上面的介绍中，我们可以看出工程中搅拌好的混凝土实际上是多相的，从理 论分析的角度如果考虑多相，解决起来有一定的麻烦，但混凝土中主要成分的水 泥、砂、石密度较为接近，可视为同一相，所以，水视为另一相，为了能更准确 的描述混凝土的性质，我们把搅拌站预拌好的混凝土看成水泥浆和水两相进行研 究。 2 1 2 混凝土拌制 ( 1 ) 动态控制配合“2 7 1 由于建筑工程情况十分复杂，因此商品混凝土的配合比必须按照有关技术规程 进行理论设计计算，并结合工程设计要求、施工工艺、原材料性能状况、本企业 的工艺设备及生产技术管理水平在生产中进行动态控制。 ( 2 ) 投料容量的计算 根据施工配合比和搅拌机的出料容量，计算确定每拌盘所需各种原材料的数 量。并做到准确无误的投料。 ( 3 ) 计量要求 严格按照所需原材料进行配比。各原材料的重量偏差控制在2 以内。 ( 4 ) 投料顺序 常用二次投料法进行投料，它又分为预拌水泥砂浆法和预拌水泥净浆法。预拌 1 0第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 水泥砂浆法即先将水泥、砂和水加入搅拌筒进行充分搅拌，成为均匀的水泥砂浆， 再投入石子搅拌成均匀的混凝土。预拌水泥净浆法先将水泥和水搅拌成均匀的水 泥浆后，再加入砂和石子搅拌成混凝土。 ( 5 ) 搅拌要求与搅拌时间 为了使混凝土混合料达到塑化、强化的目的，要求搅拌必须均匀。 搅拌时间往往要根据搅拌机的类型、实际搅拌效果、混凝土运输时间、塌落度 大小等情况而设定。 实际中如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆放在显微镜下，还会发现 水泥颗粒并没有均匀地分散在水中，有1 0 - - 3 0 的水泥颗粒三三两两地聚在一 起，形成微小的水泥团，如图2 1 a 所示，由于水泥的水化作用只在水泥颗粒的表 面进行，如果水泥颗粒聚团，则水化作用的面积减小，使混凝土具有强度的水化 生成物减少。因此，水泥的这种团聚现象影响了混凝土强度的提高。只有当水泥 颗粒的分布如图2 1 b 情形时，才是真正的均匀混凝土，也称混凝土达到了微观匀 质性要求1 2 4 1 。这种非均匀分布也影响混凝土整体质心的偏差。 a 图2 1 水泥颗粒分布情况冽 f i g u r e2 1d i s t r i b u t i o no fc e m e n tp a r t i c l e 2 2 流体与流动的基本特性 预拌好的混凝土是一种粘稠流体，流体的性质及流动状态决定着流体的计算模 型及计算方法的选择，决定着流场各物理量的最终分布结果渊。 2 2 1 理想流体与粘性流体 粘性( v i s e o e i t y ) 是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点1 l 流体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻两层流体间的相对运 动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。流体所具有的这 种抵抗两层流体间相对滑动速度，或普遍说来抵抗的性质，称为粘性。 粘性大小依赖于流体的性质，并显著的随温度而变化，实验表明，粘性应力 的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小( 如空气和水的粘性都很小) ， 运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力( 如惯性力) 可 忽略不计。此时，我们可以近似地把这类流体看成是无粘性的，称为无粘流体， 也叫做理想流体。而对于有粘性的流体，则称为粘性流体。十分明显，理想流体 对于切向变形没有任何抗拒能力。 真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某种条件下的 一种近似模型。水泥混凝土是一种典型的粘性流体。 2 2 2 牛顿流体与非牛顿流体 依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，粘性流体又分为牛顿流体 ( n e w t o n i a nf l u i d ) 与非牛顿流体( n o n - n e w t o n i a nf l u i d ) 。 流体的内摩擦剪切力f ：由牛顿内摩擦定律决定： 弘舢m 坐：坐( 2 1 ) a n - - 0a n 。o n 。 其中，a n 为沿法线方向的距离增量；“为对应于a n 的流体速度的增量。 衫血为法向距离上的速度变化率。比例系数称为流体的动力粘度，常称为粘 度。它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。的单位是n s m 2 。 若为常数，则称该类流体为牛顿流体；否则称为非牛顿流体。 实际中，以一定转速旋转的混凝土搅拌运输车内的混凝土粘度系数l 变化很 小，所以本文的研究对象混凝土可以近似看作牛顿流体。 水灰比是影响粘度的重要因素，表2 1 是不同水灰比下复合硅酸盐水泥的粘度 系数 3 0 l 。 表2 1 不同水灰比下复合硅酸盐水泥的粘度系数 t a b l e2 1v i s c o s i t yc o e f f i c i e n to fc o m p o s i t ep o r t l a n dc e m e n to nd i f f e r e n tw a t e rc e m e n tr a t i o 水灰比 0 3 50 3 80 4 0 o 4 4o 5 0o 5 5 复合硅酸盐水泥0 0 0 9 20 0 0 5 20 0 0 2 80 0 0 2 2o 0 0 1 5 0 0 0 1 2 1 2 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 2 2 3 可压流体与不可压流体 根据密度p 是否为常数，流体可分为可压( c o m p r e s s i b l e ) 和不可压 ( i n c o m p r e s s i b l e ) 两大类。当密度p 为常数时，流体为不可压流体，否则为可压 流体。由于没有直接求解压力的方程，不可压流体的流动方程的求解有其特殊的 困难。实验证明，混凝土搅拌站搅拌好的混凝土( 即新拌混凝土) ，一般都可达到宏 观上的均匀：即混凝土中砂浆密度的相对误差不大于0 8 ，单位体积混凝土拌和 物中粗骨料质量的相对误差不大于5 ，转速是影响混凝土匀质性的一个重要因素 i 2 4 1 。由此可知固定转速下，预拌好的混凝土的密度变化很细微，所以本文的研究 对象混凝土可近似看作不可压流体。 2 2 4 定常与非定常流动 根据流体流动的物理量( 如速度、压力、温度等) 是否随时间变化，将流动 分为定常( s t e a d y ) 与非定常( u n s t e a d y ) 两大类。当流动的物理量不随时间变化， 即芝型= 0 时，为定常流动；式中s 为速度、压力、温度等物理量。当流动的物理 优 j ，c t 、 量随时间变化，即兰半0 ，则为非定常流动。定常流动也称为恒定流动或稳态流 o t 动；非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动或瞬态流动。由于混凝土搅拌运 输车行驶过程中转速一定，运输时间往往很短，可近似认为流动的速度，温度， 压力改变很小，所以本文研究的混凝土在行驶过程中的搅拌运动可看作是定常流 动。 2 3 混凝土搅拌运输车的组成及分类 混凝土搅拌运输车是一种长距离运送混凝土的专用车辆。在汽车底盘上安置 一个可以自行转动的搅拌筒，搅拌运输车在行驶过程中仍能对混凝土进行搅拌， 因此它是具有运输与搅拌双重功能的专用车辆。外形如图2 2 所示。 $ _ - g t 混凝土搅拌运输车结构与运行特点 1 3 图22 某型号混凝土搅拌运输车外形圈 f i g u r e 2 2 c e r t a i n 帷c o n c k - , k m i x i n g t r u c k o u t l i n e d r a w i n g 混凝土搅拌运输车主要包括搅拌装置、动力和传动装置、底盘行走装置。 搅拌装置包括搅拌筒、搅拌筒支撑装置、上料与出料装置及检修平台等；动 力装置和传动装置包括搅拌筒驱动装置、传动装置、清洗装置、压缩气体装置和 操纵装置等。底盘行走装置包括汽车二类底盘、车架与支撑平台等。 混凝土搅拌运输车按搅拌装置传动形式的不同可分为机械传动的搅拌运输 车、液压传动的搅拌运输车、液压一机械传动的搅拌运输车：按动力配置不同， 可分为：共用动力的搅拌运输车、独立驱动的搅拌运输车；按汽车底盘结构形式 的不同，可分为普通载重汽车底盘搅拌运输车和专用半挂式底盘搅拌运输车。 如果从搅拌容量上可分为中小容量搅拌运输车( 9m 3 以下) 和大容量搅拌运 输车( 9 m | 以上) a 中小容量搅拌运输车一般采用普通载重汽车底盘、液压机械 传动、共用动力形式，而大容量的搅拌运输车一般采用半挂式底盘。图23 是我国 产以载重汽车为底盘井采用独立驱动的6 m 3 液压机械传动的搅拌运输车。 - 泵莲接组件；2 - 减速器总成；3 - 蘸压系统；机架：涨水系统；浦拌筒7 景作系统蚰出料装置 圈23 独立驱动搅拌筒的搅拌运输车 f 咖r e 23i n d e p e n d e n t d r i v e m i x i n gc a l t i c r v e h i c l e 1 4第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 2 4 搅拌筒及其工作过程 2 4 1 搅拌筒内部结构嘲 搅拌筒是混凝土搅拌运输车的最重要的部件。从图2 2 可以看出，整个搅拌筒 的壳体是一个变截面而不对称的双锥体，外形似梨状，通过支承装置斜卧在机架 上，可以绕其轴线转动，搅拌筒的后上方只有一个筒口分别通过进出料装置进行 装料或卸料。搅拌筒底段锥体较短，端面封闭并焊接着法兰，通过连接法兰用螺 栓与减速器联结。上段锥体的过渡部分有条环行滚道，它焊接在垂直于搅拌筒 轴线的平面圆周上，由减速器带动平稳地绕其轴线转动。在搅拌筒滚道圆周上部， 通常设有钢带护绕，以限制搅拌筒在汽车颠簸行驶时向上跳动。 搅拌运输车的搅拌筒之所以有搅拌和卸料等工作性能，主要是因其内部特有 的两条螺旋叶片推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。在其几何 设计中，鉴于我国车辆在道路右侧行驶的规定，国内大多数运输车在搅动行驶作 业时，搅拌筒旋转方向为右旋( 面向车尾朝前看，顺时针旋转) ，相应搅拌筒螺旋 叶片旋向为左旋。即顺时针旋转时为进料、搅拌或搅动，逆时针旋转时为出料， 所以搅拌筒的两条螺旋叶片应为互错1 8 0 。的左旋螺旋叶片。如图2 4 所示。 r 1 减速机安装法兰2 封头3 前锥4 叶片5 圆柱段6 后锥7 支撑环8 进料斗 图2 4 混凝土搅拌运输车搅拌筒的结构 f i g u r e 2 4c o n c r e t et r a n s i tm i x i n gd r u ms t r u c t u r e 2 4 2 螺旋叶片 搅拌筒是混凝土搅拌运输车的主要部件，其中搅拌曲线的结构形状是影响搅 拌筒的运输和搅拌质量及进出料性能的最主要因素。目前的搅拌筒曲线常采用变 第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点15 螺距的对数螺旋线，我们分三段建立搅拌筒螺旋叶片方程。分别是前锥段，圆柱 段，后锥段。现代设计往往采用c a t i a 、u g 等三维软件设计螺旋叶片以取代繁杂 的人工计算。下面介绍的是基于c a t i a 设计的螺旋叶片的方法。 图2 5 搅拌筒结构参数图 f i g u r e 2 5m i ) d n gd r u ms t r u c t u r ep a r a m e t e r s 混凝土搅拌输送车拌筒的结构如图2 5 所示，以后锥小半径底面圆心o 为坐标 原点，以拌筒的中轴线为z 轴，以后锥底面为x o y 面建立柱坐标系，螺旋线上任意 点的坐标用( x ，y ，z ) 表示。 图中参数说明： 其中吒，为前、后截锥半锥角；吃为搅拌筒中部最大半径；厶，厶，厶分别为 搅拌筒前锥段、中间圆柱段、后锥段沿轴线方向的长度： 尼、尾、孱分别为搅拌 筒前锥、中节、后锥的螺旋角；w 为叶片截面宽度。 其理论计算方程如下： l 、后锥对数螺旋线方程 其中o 铱岛m 曩x ； x b = r b e 玑8 bc o sao b y 6 = r b e m 如s i na o b ( 2 2 ) 乙= 一笙坚巡( e 岛坝一1 ) p b 16第二章混凝土搅拌运输车结构与运行特点 皖一乩丽筹赢“) 岛； 耽= 垒毛竖f ，& 为后锥段曲线等分数值； 0 6 p b = 华c o s c o t 孱。 如 上式中岛为待求常数，皖表示后锥螺旋线转角增量，幺一表示后锥螺旋线 转角增量最大值，它们均与搅拌筒外形尺寸的设计参数和螺旋角有关，由于转角初 值为零，所以它们又分别等于后锥螺旋线转角和后锥螺旋线最大转角。 2 、中节螺旋线方程 i = r mc o s ( a 既+ 皖m 舣) = r ms i n ( a 0 + 吃m 舣) ( 2 3 ) 【- z 小= 一r a 吃c o t 尾一厶 其中o 皖吃n 盥； 既一= 半； 既= 垒冬唑，为中间圆柱段曲线等分数值； ) 历 上式中a 0 表示中节螺旋线转角增量，a 0 m 。麟表示中节螺旋线转角增量最大 值。 3 、前锥螺旋线参数方程 屹= r m e 儿吃c o s ( a o o + 巳m 觚+ 岛皿瓤) y m = 乇g 岛吃s i n ( a s 口+ 巳m 瓢+ 见。嗽) 乙= 一生竺塑丛竺丝p 耻兄一1 ) 一厶一厶 2 4 p ， 其中o a 0 a 吃一 包一= l n ( 百+ 1 ) 见 第二章混凝士搅拌运输车结构与运行特点1 7 成：掣c o s 口c o t , 8 b “ 见=