混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法

1、.混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法混凝土搅拌筒主要结构尺寸的确定根据中华人民共和国建筑工业行业标准 JG/T5094-1997 混凝土搅拌运输车，搅拌筒的斜置角的取值可参照下表 1.1:公称搅拌容量（ m3 ）搅拌倾斜角（ o ）拌筒最大转速（r/min ）1.0，（1.5 ），2.0，（2.5）18203.0，（4.0 ），4.5，（5.0），6.016181418（ 7.0 ）， 8.0 ，（ 9.0 ），10.0 ，12.01015由于运输车必须保证在坡度为 14%的路面上行驶且出料口面对下坡方向时不产生外溢，故在计算搅拌罐的额定装载容量时取混凝土与搅拌轴线的夹角0arctan(0.14)

2、8o021图 1.1 搅拌罐体图搅拌筒目前一般采用梨形， 底部（称为后锥）是较短的锥形， 中部是圆柱形，上部（前锥）是较长的锥形，研究发现：搅拌筒中下部的外形接近球体形状为最佳，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负荷，提高搅拌输送车的装载能力是有利的。因此，设计时，后锥加上球冠的长度基本等于中圆的半径。具体参见图1.1 所示：设前锥长为 L1 ，中圆柱长为 L2 ，后锥长为 L3 ，中圆半径 r ，则根据交通法规的要求搅拌筒的最大半径，r 1.25mL1c1r1-1L3c2r1-2c1取值范围 1.4 1.8c2取值范围 0.8 0.97r

3、2 为进料口半径，取值范围250-310mm中圆的长度要结合搅拌筒的额定容积确定。前锥角1取值范围 14.2o 16.1o后锥角2取值范围 15o 20oh搅拌筒几何容积与装载容积的计算2.1 积分计算方法2.1.1 圆柱截段计算公式如图 2.1 所示：2.1 计算示意图Vah R3 ( b1)arccos(1b )3R 22Rb b22Rb b2 2-1bRR3若为已知， h 可用代替 cotb2.1.2 圆锥截段计算公式V1 HS1 hS2-2b3132hasin()cos其中，圆锥截段弓形的面积S1R2 arccos Rh12Rh12(R h1)2-3R其计算分三种情况Rb.a. 当，

4、c1( cos )2 1，为正值cosS2 (lb1) b1lc1l2b122c1l b12 c1b1l c1l 22-432ln(b1)2c14c1式中， lb.Hacos83S2a tan sin l 22-53c.b12b122c1l2-6S2(l2c1) bl1cl14( c1 )3 2 arccos(1b1)2.1.3圆柱段搅拌筒计算RDEb1b2Ch2BAh1图 2.2圆柱截台计算示意图V1是一圆柱截台，是两个圆柱截段之差V1Va1Va 2Va1h1 3R3 ( b11)arccos(1 b1 ) (3R22Rb1b12 )2Rb1b12 3b1RRVa 2h23R3 (b21)a

5、rccos(1 b2 ) (3R22Rb2b22 )2Rb2b22 3b2RR.V1h03 R3( b11)arccos(1b1 ) (b21)arccos(1b2 )2-73(b1 b2 )RRRR(3 R22Rb1b12 ) 2Rb1b12 (3R22Rb2b22) 2Rb2 b22 2.1.4 前锥圆锥段搅拌筒计算V2是一个圆锥台截段，圆台截段就是两个圆锥截段之差，如图2.3 所示：HSHSCHCBARS图2.3小圆锥截台计算示意图V21(HS1hS2 )1(HS1hS2 )33V21H (S1S1 ) h(S2 S2)2-832.1.5 后锥圆锥段截台计算公式V3是从一个圆台体减去一个

6、圆台截体，如图2.4 ，计算公式如下V31H0(R2R12R R1)V13V31H0(R2R12R R1)1 H (S1 S1) h(S2 S2 )2-933SSHCB ARS图 2.4 圆锥截台计算示意图.2.2. 经验公式搅拌筒设计的最大装载容积V与搅拌筒的几何容积 Vj 存在以下经验公式：V0.5 0.65Vj2.3. 重心位置的计算X(V1X1V2X2V3X3 )/(V1V2V3 )Y(VYV YVY )/(VV2-10V )112233123体积的计算如前其中 Xi ,Yi (i1,2,3) 是各段重心的坐标驱动功率的计算3.1 搅拌力矩曲线混凝土搅拌的过程力矩曲线变化规律如图3.1

7、 所示：3Nm12456min图 3.1 搅拌力矩曲线01：加工工序，搅拌筒以 14-18rmp 正转，在大约 10min 的加料的时间里，搅拌筒的驱动力矩随着混凝土不断被加入而逐渐增大， 在即将加满时， 力矩反而略有下降；12：运料工序，在卸料地点，搅拌输送车停驶，搅拌筒从运拌状态制动，转入 14-18rPm 的反转卸料工况，搅拌筒的驱动力矩在反转开始的极短时间内陡然上升，然后迅速跌落下来；45：卸料工序， 搅拌筒继续以 14-18rPm 的速度反转， 驱动力矩随混凝土的卸出.而逐渐下降；56：空筒返回，搅拌筒内加入适量清水， 返程行驶中搅拌筒作3rPm的返向转动，对其进行清洗，到达混凝土工

8、厂，排出污水，准备下一个循环。3.2驱动阻力矩计算搅拌筒驱动阻力矩由拌筒与支承系统的摩擦阻力矩与拌筒搅拌阻力矩共同组成，其以拌筒搅拌阻力矩最难计算。M 驱M 搅M 支3-1M 搅M 筒摩M 叶摩M 流阻M 偏3-23.2.1 积分公式计算方法a.拌合料与筒壁间的摩擦力矩M 筒摩如图 3.1，拌合料与筒壁或与搅拌叶片间的单位摩擦力f图 3.1 装满拌合料的搅拌筒剖面图fk1k2Vk1(30.1s)9.8 10k2(40.1s)9.8 103-3222式中， k1粘着系数， kN/m ；2k2速度系数， kN/m ；拌合料速度；.s混合料的坍落度。33M 筒摩fSi di( k1k2Vi ) Si

9、 di3-4i 12i 12式中：Vi搅拌螺旋叶片外圆线速度Si锥筒各段内表面与混凝土实际摩擦面面积搅拌螺旋叶片外圆线速度。S1(0.6 0.8)d2d1( h1d1 ）3-522(0.5 0.7)d2h33-6SS3(0.3 0.5)d2 d3h23-72d1d1d22d2d2d3d32d3b.拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩M 叶摩drKR2rR 1FaFFr图 3.2 螺旋叶片断面投影图 3.2 为拌筒内螺旋叶片的端面投影。任取一半径 r ，该半径对应的叶片螺旋开角为 k( 近似认为对应于各 r 处的螺旋开角，均等于中径上的螺旋开角 ) 。.dM 叶摩 =rfdA cos=(K1K 2V2

10、 ) 2 r 2 drV 拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度2n 2rnrV230cos则60cosdM 叶摩K1K 2nr2 r 2dr30cosM 叶摩R2(K1 K2nr) 2 r 2drR130cos3-822 K 2n3344)3K1( R2R1 )60cos( R2R1式中： R1搅拌螺旋叶片断面投影最小半径R2搅拌螺旋叶片断面投影最大半径流动阻力矩由于拌合料眼螺旋升角方向运动，所以取微元面积dA(2rdr ) / cos设混凝土的单位平均流动阻力系数为p，则取微元面积上的法向阻力dF p dA2p rdrcos周向流阻 dFrdFsin2p tanrdr周向阻力对搅拌筒轴线的阻

11、力矩dM 流阻rdFr2p tanr 2 drM 流阻R22p tan( R23R23)3-9dM 流阻R13其中 p 值的确定较复杂， 除与搅拌筒和叶片的结构参数有关外，还与混凝上的水灰比、配合比、坍落度、外加剂和易性等有关，一般取p20 30kN / m2由筒体的转动引起的偏载，对搅拌筒的阻力矩见图 3.3 。拌合料在随拌筒搅拌的同时，由于拌合料受到与筒壁和搅拌叶片间的摩擦阻力矩的作用， 使拌合料向转动方向提升， 其重心偏向转动一侧。 出现偏心距 e，对拌筒运动产生阻力矩。 e值的精确确定目前还有困难， 除与拌筒结构有关外，还与拌合料的性质有关。 只能采取先近似计算， 再用实验验证的方法确

12、定。对拌合料来说，共受到三个力矩的作用：即偏心力矩、与简体的摩擦力矩、与叶片的摩擦力矩。由力矩平衡条件得：.M0GeM 筒摩M 叶摩0GeM 筒摩M 叶摩rF图 3.3 脚板筒偏载示意图对简体来说，又受到由于拌合料的偏心距，产生的阻力矩M 偏 作用，在数值上等于 Ge。M 偏M筒摩 M叶摩M 搅2 (M筒摩 M叶摩 )M 流阻3-102.2.2Lieberherr 的经验公式M 偏M 筒摩M 叶摩FrM 搅2 Fr M 流阻实验测得：M 流阻0.5F rM 搅2.5F r3-11式中： r 偏心距，一般取 0.1m；F混凝土重量.3.3 搅拌筒驱动功率的计算按求得的拌筒搅拌阻力矩，再根据传动系

13、统的总效率，拌筒与支撑系统的摩擦阻力矩 M 支 及拌筒转速 n，即可求出搅拌筒的驱动功率N(kw)NC (M 支M 搅 )n / 716.2CM 驱n / 716.23-12式中： M 支 搅拌筒支撑机构所克服的摩擦阻力矩；M 搅 搅拌筒脚板阻力矩；机械效率，一般 0.8-0.9C考虑峰值的影响系数，1.2-1.4 ；n转速， rpm4、搅拌出料机理4.1 物料下滑角4.1.1 物料的下滑角物料下滑角是确定叶片螺旋角的主要依据之一。当混凝土性质( 坍落度)不同时，其下滑角的大小也不同。 图 4.1 是混凝土下滑角与坍落度 s 关系曲线图，该图由试验所得。图 4.1 s 关系曲线图由曲线图可知，

14、混凝土的坍落度越小（s5 cm的混凝土为干硬性混凝土），.下滑角就越大。斜面上物料的下滑方向是沿斜面的最大倾斜线 S 的方向。如图 4.2 所示，即斜面上对水平面 H 的最大倾斜线 AC。图 4.2斜面及最大倾斜面s 方向由图 4.2 可得：sinsin/ cossinn / cos n4-1又因为n所以cosncos()cos cossin sin代入上式得： tan(sinn / si ncos ) / sin4-2同理： tann(sin/ si nn cos ) / sin4-34.1.2 混凝土有效下滑出料的条件如图 4.3 所示图 4.3 平置圆柱正螺旋面叶片.、 n 表示。.设在

15、平置圆柱形简体内壁的正螺旋叶片上， 面积元 A 的对地最大倾斜线用 S 表示；螺旋线的切线用 表示；螺旋面的母线用 n 表示。 S、 、n 线的对地倾角分别用、a. 当拌筒转角=0 时，面积元 A 处于拌筒最低位置1。=0，n =90 ，S 线与 n线重合，=90 ，S 线垂直指向筒壁。物料积在筒壁处。b. 当拌筒转到 0 ，物料也将顺着筒壁沿线方向下滑出料。但当时，物料不能下滑而被叶片带着继续上升。(为叶片螺旋角 )d. 当拌筒转到 90 时，物料沿 S 线下滑。此时， S 线指向离开筒壁，达不到出料目的。根据以上分析，物料有效下滑出料的条件是时，面积元 A 的 S 线下滑指向不离开筒。5、

16、搅拌叶片设计5.1 搅拌叶片设计原则设计搅拌罐的搅拌叶片时， 一般在前锥和后锥段采用对数圆锥螺旋线， 中圆段采用圆柱螺旋线。 搅拌罐的搅拌和出料性能与螺旋线的螺旋升角和螺旋角有着密切的关系，螺旋升角螺旋角之间存在着90o 的关系。总的来说，螺旋升角 越大搅拌性能越好，但出料性能越差，因此，在设计时，要综合考虑以下几点：后锥螺旋叶片主要是为了实现搅拌功能，因此设计时在满足物料下滑 （一般下滑角30 ）的前提下尽量加大螺旋升角；但为了避免前锥积料、改善出料性能，应减少小端处的螺旋升角。中圆段是搅拌与出料的过渡段， 为提高搅拌性能应适当提高螺旋叶片顶端.螺旋升角；为改善出料性能应使螺旋叶片直纹与搅拌

17、简轴线有一定夹角； 实践中，我们一般让这一夹角等于后锥的半锥角的余角。 从而较好地实现这两种功能， 也更便于与后锥螺旋线的拟合。 前锥螺旋叶片主要是实现快速卸料，并起一定拌和作用，而且避免出料时出现离析。 实际设计时， 越靠近出口的位置越要选用大的螺旋角， 即小的螺旋升角，这样可以提高搅拌罐的出料性能。5.2 非等边角对数螺旋线设计搅拌叶片理论搅拌叶片在前锥和后锥部分采用的是对数螺旋线，其母线的方程为：xcossin0siny0 exp( sin/ tan ) sincos00(5-1)z001cos其中为螺旋角，0 为初始极径；为半锥角；为螺旋转角。当是一定值时，螺旋线为等角对数（圆锥）螺旋

18、线；当是一个变量时，该螺旋线即为非等角对数螺旋线，则可以表示为：0c (t)(5-2)其中 t 可以是：(t)=1 ，(t)=t ， (0t 1) 或 (t)=1-cos(t) ， (0 t/2) 等表 5-1 搅拌叶片设计参数B(mm)前锥81.36o5.78o(t )15.89o1090o3809中圆67.7o0o1974.11o38018后锥83.349 o4.579o(t)19.76o774.11o380 3042其中 (t )=1-cos(t) ， (0t/ 2)非等角队输螺旋线叶片设计和拟合方法首先根据螺旋线的上升趋势，修改螺旋角，改变螺旋线的走势（变化趋势），为更好地进行曲线拟合

19、提供条件。在两条相接的螺旋曲线的端点附近取若干点，采用最小二乘法进行曲线拟和。图 5.1、5.2、5.3，是分别采用等角对数螺旋线、等变角对数螺旋线和非等变角螺旋线设计而成的搅拌叶片的螺旋母线。其螺旋角的变化函数取值如下：.5.1 等角对数螺旋线正视图和右视图图 5.2 等变角对数螺旋线正视图和右视图图 5.3 非等变角对数螺旋线正视图和右视图从中可以看出等变角对数螺旋线与圆柱螺旋线拟合的效果比等角对数螺旋线光顺，而非等变角对数螺旋线的拟合效果最为光顺， 而且螺旋角是变化的， 很好的满足了搅拌和进出料的设计要求。6 关于 8.5LP 搅拌罐的有关探讨及重新设计6.1 8.5LP 搅拌罐规律研究

20、经过对 8.5LP 搅拌罐搅拌叶片焊接位置的分析，发现叶片的前锥和后锥曲线规律基本符合等变角对数螺旋线，中圆符合圆柱螺旋线规律。.表 6.1 后锥叶片螺旋线参数计算点极径极径增量螺旋转角螺旋角13291.31023371.31801/680.4933468.31971/379.6543571.311031/279.2553691.311202/378.6963871.311805/677.2474071.3120076.11表 6.2中圆叶片螺旋线参数计算点升程增量螺旋转角螺旋角10022302301/669.134952651/367.747352401/267.959852502/367.

21、8612352505/667.771461226-1/6067.7从表中的数据我们可以看出： 虽然螺旋角和极径的增量不是很规律 （规则），但总的说来， 螺旋线的螺旋角变化是规律的， 我们可以认为是等变角。 考虑到误差和设计因素， 我们可以认为， 对于后锥最底部的一段是为了出料彻底， 而对其螺旋角进行的加大调整，与中圆结合部分为便于拟合而对螺旋角进行了适当调整。对于前锥，考虑到进口叶片第一段是为了出料要求进行调整，最后一段是为了和中圆叶片进行拟合的需要而进行调整， 我们主要以中间的点进行研究。 于是可以发现，螺旋角是微量递增的， 考虑误差因素，可以看成是等变角对数螺旋线，也可以看成是等角对数螺旋

22、线， 但根据影响搅拌和出料的因素， 我们认为采用等变角甚至是非等变角对数螺旋线更为合适。.表 6.3前锥叶片螺旋线参数计算点极径极径增量螺旋转角螺旋角11653（ 1626）0216618(35)1/6(83.14)31697361/383.1241758611/281.6451814562/381.2261873595/680.92719325980.7881978467/681.0292037594/380.95102097603/280.93112169725/380.751222326311/680.7613230775280.651423867913/680.55152457717/

23、380.54162536795/280.50172634988/380.341827249017/380.27192859135379.9620305019119/679.4121320515510/379.176.2、8.5LP 搅拌罐的实验设计参见图 6.1，圆锥螺旋线的极径的计算公式0 esin / tan6-1根据这一公式， 我们写出等变角或非等变角的变化关系式，带入不同的螺旋转角和对应的螺旋角（角度离散化） ，就可以借以确定各关键点的坐标和尺寸。对于中圆，其曲线方程为XR cosY R sin6-2ZR/ tan这里我们研究的主要参数是 Z，在圆柱体上我们可以把它叫做升程， 螺旋角变

24、化规律不同，那么对应的升程规律就不同。.zM0oyx图6.1 计算锥6.2.1方案一后锥曲线螺旋角规律采用余弦函数，中圆圆柱螺旋线螺旋角采用等变角递减规律，前锥曲线螺旋角采用余弦对数螺旋线规律对于后锥来说，我们取螺旋角规律为：3291.13esin15.89 o / tan6-383.3494.579 p其中t),(0 t1)p 1 cos(2我们分别取 t3,3,9, 3, 3, 9 以及对应的,2, 2, 5 , ，将螺旋转20 10 2054 106336角离散化，得到不同的值，从而得到对应的不同的极径，按照这样的极径在搅拌罐上描点， 得出螺旋叶片在搅拌罐上的近似焊接线。具体取值以及计算

25、修正搅拌叶片的轨迹数据见表 6.4同样道理，对于中圆，导程公式为： Z 1151.5/ tan.其螺旋角变化规律为：691.3t6-4计算数据如表 6.5表6.4后锥螺旋叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角计算极径1081.36329121/680.85336831/380.18345941/279.37356852/378.43370165/677.413863776.324058810/975.584208表6.5中圆螺旋叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角计算升程1069021/1868.937731/6+1/1868.7331341/3+1/1868.5255451/2+1/1868.3279

26、962/3+1/1868.11105075/6+1/1867.9113058+1/1867.71566o对于前锥来说，1626esin19.76 /tan83.3494.579 p其中p(1cos(t ) / 2t / 2,(0t1)2其参数计算祥见表 6.6.6.6前锥螺旋线叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角t 值极径（圆整后）1083.3501653（1626）21/683.331/21166031/383.282/21169541/283.231/7173252/383.154/21177065/683.035/211812782.902/7185687/682.741/3190494/3

27、82.558/211957103/282.353/72014115/382.1310/2120771211/681.8811/21214613281.624/722231413/681.3513/212308157/381.062/32401165/280.765/72505178/380.4416/2126201817/680.1217/21274619379.796/728872019/679.4519/2130422110/379.1120/213213227/278.77134046.2.2方案二后锥曲线螺旋角规律采用等变角递减规律，中圆圆柱螺旋线螺旋角采用等变角递增规律，前锥曲线螺旋

28、角采用等变角递减规律对于后锥来说，我们取螺旋角规律为：o3291.13esin15.89 / tan其中83.3494.579t.具体计算数据见表 6.7对于中圆，导程公式为：Z1151.5/ tan其螺旋角变化规律为：661.7t具体计算数值见表 6.8对于前锥来说，1626esin19.76o /tan其中：83.3494.579t计算参数见表 6.9表6.7方案二后锥螺旋叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角计算极径1081.36329121/680.49337131/379.63346841/278.76358552/377.89372265/677.033882776.164065810/

29、975.584208表6.8方案二中圆螺旋叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角计算升程106621/1866.098931/6+1/1866.3635241/3+1/1866.6360851/2+1/1866.8985862/3+1/1867.16110075/6+1/1867.4313378+1/1867.71566.表6.9方案二前锥螺旋叶片计算参数计算点螺旋转角螺旋角t 值极径（圆整后）1083.350162621/683.131/21166131/382.912/21169941/282.691/7174152/382.484/21178565/682.265/211834782.042/7188687/681.821/3194394/381.608/212004103/281.393/72070115/381.1710/2121411211/680.9511/21221713280.734/723001413/680.5113/212388157/380.302/32484165/280.085/72587178/379.8616/2126981817/679.6417/21281819379.426/729482019/679.2119/2