工程机械10-稳定土拌和机总体设计

1、第10章稳定土拌和机第一节 分类与工作原理第二节 总体设计及主要参数的确定第三节性能分析与使用技术第一节分类与工作原理一、分类、特点及适用范围稳定土拌和机的结构形式有多种多样。按行走方式可分为履带式和轮式。按转子旋向可分为正转与反转，按工作装置安装方式可分为后置式（后悬 挂）、中置式（中悬挂）和拖式以及半悬挂式等等。二、主要结构及工作原理1总体结构及特点2车架后置机型车架为水平整体式刚性结构，与后桥间为刚性联接，与前桥通过前 后向水平销铰联接。车架纵向大梁用钢板压制或用槽钢制作，根据强度和刚度需 要可考虑为箱形结构。最前方横梁装置配重箱，配重箱内多用铸铁块或水泥块填充，其形状和体积由整体造型和

2、配重量决定。后部横梁为后置式工作装置的悬挂 处，一般多作成三角形断面，因而又称为三角梁。为保证车架有良好的刚度和足 够的强度，其主要部分均取材16Mn。3.中置机型转向桥中置机型的后桥为摆动转向桥，桥体即为一副车架，可绕车架前后方向的水平销铰左右上下摆动，以调整机器作业面。后轮位于垂直转向立销内侧，通过横拉杆带动立销实行后轮转向。vv4. 轮胎形式后驱动轮以超低压超宽基林业用牵引胎为宜，前转向轮以中低压纵槽纹导向胎为宜。选用上述轮胎可以大大提高机器在松软地段或沙漠地段拌和作业的牵引通过能力。5. 制动系统稳定土拌和机行走系统为闭式液压驱动，加之行驶速度较低，利用液压系统本身即可完成制动。6行走

3、系统稳定土拌和机因其特殊的性能要求，其行走系统除早期采用机械传动方式外，现代机型上几乎都采用液压传动方式。下图：1集成变量泵，2集成定量马达，3变速箱，4中传动 ，5驱动轮，6轮边减速器。7. 液压动力传动方式发动机与诸液压泵的传动有3种形式：（1） 行走泵由发动机前端通过万向节传动轴驱动；（2） 转子泵由飞轮直接输出驱动；（3） 辅助泵由发动机齿轮室直接驱动，用于转向、举升、尾门开闭、液体料洒布等，有单泵分流工作和多泵独立工作两种方式。这种传动方式最为简单合理，国外机型采用较多，只是发动机前端有输出时风扇位置及发动机前端配置的水及液压油散热器均需上移。（2）转子液压传动方式下图：1集成液压泵

4、，2补油阀组，3转子，4节流阀，5转子液压马达。v8后置式工作装置结构原理见书中图2-2-6（P163），主要由转子、罩壳和升臂组成。scrscrvv常用转子结构形式：a)刀盘式，b)刀臂式，c)鼓式。1-管轴，2-刀盘，3-刀库，4-刀具，5-刀臂，6-圆鼓。转子具形式：a)刀盘式，b)刀臂式，c)鼓式，d)常刀e)弯刀。9中置式工作装置vvvv11拌深指示装置拌深指示装置有手动操纵和自动控制两种方式。手动操纵由司机目测深度指示刻度，操纵举升油缸控制拌深到需要位置，这一方式结构简单，工作可靠，目前国内外稳定土拌和机上多已采用。12液体料喷洒系统稳定土拌和机在施工中，有时需要加入液体稳定剂如乳

5、化沥青等，有时为防止灰土污染或保证土壤合适的含水量需要喷洒水，为此，现代稳定土拌和机多配带有液体料喷洒装置。多功能拌和/再生技术简介v第二节总体设计及主要参数的确定一、主要设计参数的确定进行稳定土拌和机设计时，要确定的主要参数有：进距、拌和档和运输档行走速度、转子圆周速度、整机重量、前后桥荷分配、拌和宽度、拌和深度、转子半径等。1进距的确定S = uDt = u 2p /(Zw ) = 2pR /(Zl )进距，m；l = u0 / u,u0= wRS进距，m；U进距，m/s； 进距，s-1；U0进距，m/s；R转子半径，m；考虑相邻轨迹不相交的极限情况S = (2R / l)arcsin(1

6、/ l) 2R1- (1/ l2 )-pR / l质量控制线方程圆周速度与进距可选工作范围为一直线。u0= 3.6 + 290(S - 0.015)v2行走速度的确定稳定土拌和机有低速拌和作业和高速运输作业两种工况，因此需有相应的档位与之适应。对低速档位速比要求：对应于0.51.5km/h的拌和速度，变理泵排量为总排量的15%50%；变量泵全排量时低速档速度达3.03.5km/h为宜。速度设置过低虽有利于拌和作业的低速稳定性，而变量泵有可能进入10%排量以下工作，而此时其效率降低，性能恶化。高速档速度以2025km/h为宜，速度过高因颠簸过大而无法行走。3圆周速度的确定圆周速度也是一个对上述各

7、项指标有着重大影响的参数，其选择受到进距S值约束，应以式（2-3）作为选择依据。一般选用较高的圆周速度，这样可以允许以较大的进距工作，保证有较高的生产率，尽管比能耗较大，但可以利用宽度较小的转子来容纳较大的发动机功率，提高机器的功率重量比，增强机动性。现代大功率稳定土拌和机取9m/s，有时达10m/s，S=3040mm 是比较适宜的。4整机质量与桥荷后置式由于后悬较大易使重心后移，需加配重调整。一般应保证前桥静负荷为整机质量的（302）%。中置式同样要求后支承桥荷不小于整机质量的30%。由于中置式机型工作装置位于两桥之间，只要各部件设计合理一般不加配重即可满足这一要求。 关于整机质量，由于稳定

8、土拌和机工作时要克服转子切削力的水平分力和轮胎的滚动阻力，但由于其牵引力与同样功率的牵引型机械相比，仅为其20%左右，因此稳定土拌和机的整机质量仅为一种结构质量，满足整机稳定性要求后应越小越好。5拌和宽度及深度转子的最大拌和深度由施工工艺要求和发动机功率决定。国产中小功率稳定土拌和机一般最大拌深为200300mm，而大功率稳定土拌和机可达400mm。 这一深度主要考虑到现有压实机械对拌和材料的压实能力。一般施工中多使用250300mm的拌深进行多层作业。近年来国外一些大功率稳定土拌和机拌和深度可达600mm，这主要用于土壤改良的特殊作业。拌和宽度也是一个十分重要的参数。确定拌和宽度应从以下因素

9、考虑：（1）要求拌和宽度与路面宽度相适应，即考虑两幅拌宽之间必要的重合（一般为50100mm）后要求以整数幅拌完整个路面。 （2）要求拌宽应超过轮胎压痕外沿宽度，这样可以使机器始终在未拌和的硬土层上行走。但由于轮胎外沿较宽，常用的轮距为20002200mm，轮胎外沿达25002600mm，如使拌宽接近轮胎外沿宽度对后置机型来说，工作装置质量和配重将大大增加，从而影响横向稳定 性。此外，装于转子外部的低速大扭矩马达也将大大超宽，通过性能变坏，行走不便。 （3）希望通过增加拌和宽度增加转子工作容量，依此来提高作业生产率。实际上对一确定的发动机功率，在一定的作业参数条件下仅与唯一的转子容量（拌宽与拌

10、深乘积即拌和横断面积）相适应。增加转子容量必须降低行走速度来减小进距以求动力适应，其结果仍将保持大致不变的作业生产率。6转子半径R的确定试验和分析表明：在拌和深度、进距S和圆周速度不变情况业质量不变），随比值H/R增大，比能耗降低，生产率提高。这主要是由于转子半径减小后切削路程变短且转子上抛土壤能力增加使转子前方堆积物料减少（反转转子）。此外，小半径转子可以降低转子轴扭矩，减小其传动系统负荷，同时减小了结构尺寸，这一切都将有利于降低整机质量和造价，提高机动性。 转子半径的最小值为：当转子在较硬土壤上工作时（此时并不是转子设计中的最大深度），轴端的 大臂或其它传动元件以不碰撞土面为好，而在较松软

11、土壤以额定拌深工作时，可 以考虑在轴端传动元件前加装一开沟器，利用开沟器在松土中开出的沟槽让传动 元件下入沟中，这样将有利于减小转子半径。7拌和机综合性能的评价指标良好的总体设计参数可以保证拌和机工作中有合格的作业质量，有最优的动力性、经济性和生产率。取比能耗作为动力性和经济性的指标，即：Wb= Pn /(BHu)二、拌和机功率的合理匹配与选择1整机功率的合理匹配与计算（1） 操纵系统包括转向、转子举升及尾门开闭。转子举升和尾门开闭仅在转子开始切土和结束切土时进行，拌和作业中不再动作；转向在拌和中也只是偶尔进行。测试表明：这部分功率约为35kW，约为总功率的2%3%，当配带液体料喷洒装置时另计

12、，除去这部分消耗的功率称为净功率。（2） 行走和转子系统由于土壤条件、拌和深度、运动状态经常变化，因此行走系统和转子系统功率比值也在不断变化。现场测试表明：正常运行状态下（U=0.51.5km/h，U0=89m/s），反转时行走功率约为净功率的15%25%，转子功率为75%85%；而正转时行走功率约5%15%，转子功率为 85%95%。比功率 ：Pb= PHhz/(BH )式中：PH发动机额定功率，KW；B转子宽度，m；H拌和深度，m；统计结果表明：现代大功率稳定土拌和机为提高作业生产率和机动性，对拌和转子，Pb为180200kW/m2。在这样的比功率条件下，可以保证机器按U=89m/s，U0

13、=0.51km/h的运动状态在全拌深条件下工作。2拌和作业过程中的功率及载荷自动控制方式所谓载荷调节及控制，就是有效地调整行走速度为需要值，使行走和转子两系统在合理的参数条件下工作，使发动机动力得到充分发挥而又不超载，同时保证了 拌和质量。因此也可称作为功率自动分配。 利用行走速度调节载荷时，转子圆周速度有两种情况：一是圆周速度保持不变，这一方法在硬土条件下利用较高的 圆周速度和小进距有利于提高作业质量。此外这种方法只有单一调节元件、实施 方便、成本低廉。二是在调整行走速度的同时，相应改变圆周速度，以使机器有 较高的功率利用率。（1）电液控制方式过程测控方式这是一种在行走速度调速过程中转子圆周

14、速度亦不断调整的一种全过程控制，适 合于全液压稳定土拌和机采用。首先确定液压系统的匹配参数。取极限工况（u0，行走功率Px0）为转子液压泵和马达的匹配工况，此时发动机为额定工况，称之为转子全功率匹配。不考虑管路压力损失，则有：0.97PH= (P2 - P20 )Q2 /(60hh2 ) = (P2 - P20 )n0q0 /(60hh2hv0 )根据上式即可确定转子泵与马达排量。Px= (P1- P10 )Q1 /(60h1h)行走PX和转子系统PN功率：Pn= ()(h h)P2 -P20Q2 / 602Px + Pn比较是否小于0.97 PH（2）转速控制方式设计（3）转速控制方式设计这

15、种控制方式的基本原理与上述方式基本相同，都是以发动机转速为信号控制行走速度，达到调节载荷之目的。其区别仅在于方式不是将发动机转速变化转换为变量泵伺服控制压力，而是将其转换为成比例的电压或电流，以此来控制电液比例泵的排量。（4）压力补偿控制方式设计三、牵引计算Fk + Fx = Ff 1 + Ff 2近似取工作阻力F = 0.85PH h2G = F + F+ F/(wR)12yF+ F= (F + F ) f f 1f 212临界状态Fx= Ff 1 + Ff 2 -fF 2F= F cosaxFy = F sin aF (L + L ) = F H+ Gay1x1四、工作装置设计1工作装置的

16、作用力计算机械传动= 0.97Mmih1 / R液压传动= (p2m - p20 )q0h0 / 2pRF1mF1m2转子及其刀具参数设计(1) 转子有刀盘式、刀臂式和鼓式几种，其中刀盘式转子制造方便，只要将各个刀盘错开一定角度即形成需要之刀具排列，因而国内外拌和机拌和转子多采用这种方式。（2）刀具的切削角度（切削后角）对破碎粒度和切削阻力都有重要影响。在3045范围内会产生最好的破碎效果，而比能耗却随切削角增加而增大。综合考虑这两种因素以及考虑不应使刀具背部及刀库等在切削中与工作面磨擦，一般取切削角为4045较好。（3）刀具排列方式刀具在转子上的排列会影响到转子扭矩的变化和拌和机作业行走的稳

17、定性，一般应根据下列原则布置：全部刀具按等角距布置，任何瞬时只有一把刀具开始切削，以保证载荷平稳。相邻刀盘上（非刀排）相继切削的两把刀相位间距（称为邻刀间距）应尽可能大（最小应大于12）。以避免夹石夹土。 尽量使刀具左右对称排列，以消除横向扭矩，保持机器前进方向的稳定性及拌深稳定性。近似对称（人字形）的多头螺旋线排列方式可同时满足上述条件。3罩壳形状的设计（1）顶壁高度顶壁高度KD为罩壳关键参数之一，增加顶壁有助于降低堆料高度。顶壁高度的最大值应小于物料自C点开始进行抛射运动所上升的最高距离，以使物料抛射后经与顶壁碰撞达到破碎、混合之目的。在此范围内只要结构及造型许可应尽量加大顶壁高度。顶壁高

18、度的最小值应保证当转子升起、拌和机在运输状态时转子与顶壁及后壁圆弧区的最小距离不小于100mm，顶壁高度及转子直径确定之后，转子前方的物料堆积高度就基本确定且与拌深无关。（2）前壁设计前壁EF后方为物料抛射运动的空间通道，其倾角与CD线倾角一致为好，这样可以保证抛射物料运动不受阻碍。若前壁倾角小于CD 倾角，则易使抛射之物料在未达顶壁时与前壁碰撞落于转子前方。前壁倾角过大则无意义且结构庞大。根据实践经验，前壁与转子间距离以200300mm为宜，过小则产生摩擦阻力，过大则结构庞大。此外，前壁下方F点与C点平齐为宜。（3）料室设计FC下方为物料堆积室，为使转子有最小的功率消耗，该料室形状和体积设计

19、应保证转子在工作中对物料施加作用时物料在料室内能自由运动而不受挤压。为此要求前封板GF与水平面夹角（F点已预先确定）应小于物料的运动安息角，以保证前封板不与物料接触，一般为3040，取1525为为宜。（4）后壁设计后壁只要能够形成必要的储料空间即可，宁大勿小，一般根据造型需要设计。第三节性能分析与使用技术一、影响土壤破碎程度和拌和均匀性的因素当刀具插入土壤母体分离切屑时，刀具的刃面拍击和挤压前方的土壤并弯曲切屑，使切屑剪断、折断和破碎，称之为第一次破碎。第一次破碎随着切屑厚度减小和刃面前方挤压和拍击作用加强而增大，它在土壤的整个破碎过程中占主要地位。 土壤在抛掷过程中互相碰撞、和罩壳碰撞以及碰落后由后继刀具再次破碎称之为 第二次破碎，其作用将随着抛掷速度增大而加强。由于减小进距S将直接减小切屑厚度，增大切削角将加强刃面对前方土壤的挤压和弯曲作用，增大圆周速度将加强刀具分离切屑的拍击作用，同时增大抛掷土块的碰撞能量，因而将成为影响 破碎程度的主要因素。抛掷速度较小则分离作用减弱。因此是影