混凝土搅拌车设计

1.前言

1.1 混凝土搅拌车的介绍

商品混凝土的发展从根本上改变了传统上工地自制混凝土，用翻斗车或自卸卡车进行输送，就近使用的落后生产方式，建立起一种新的生产方式，即许多施工工地所需要的混凝土，都由专业化的混凝土工厂或大型混凝土搅拌站集中生产供应，形成以混凝土制备地点为中心的供应网。由于混凝十工厂便于应用现代电子技术，使用计算机控制生产，可以得到精确配比和均质拌合的混凝土，使混凝土质量大大提高，所以对于整个施丁工程起到良好的促进作用。但是混凝土的商品化生产，势必把混凝土从厂站输送到各个需求工地之间的距离相应加长，有些供应点甚至很远。当混凝土的输舒巨离(或输送时间)超过某一限度时，叮燃使用一般的运输机械进行输送，混凝土就可能在运输途中发生分层离析，甚至初撇见象，严重影响混凝土质量，这是施工所不允许的。因此为了适应商品混凝土的输送，发展了一种运送混凝土的专用机械—混凝土搅拌运输车(以下简称搅拌运输车)。图1.1所示就是这种搅拌运输车的外形和基本结构。搅拌运输车多作为混凝十工厂或搅拌站的配套运输机械，通过搅拌运输车将混凝土工厂、搅拌站与许多施工工地联系起来，如与混凝土输送泵配合使用，在施工现场进行“接力”输送，则可以完全不再需要人力的中间周转而将混凝土连续不断的送到施工浇注点，实现混凝土输送的高效能和全部机械化。

搅拌运输车实际上就是在载重汽车或专用运载底盘上安装一种独特的混凝土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可以在运送混凝土的同时对其进行搅动或搅拌。因此能保证输送混凝土的质量，允许适当延长运距(或运送时间)。基于搅拌运输车的上述工作特点，通常可以根据对混凝土运距长短、现场施工条件以及对混凝土的配比和质量的要求等不同情况，采取下列不同的工作方式:

(1)预拌混凝土的搅动运输

这种运输方式是搅拌运输车从混凝土工厂装进已经搅拌好的混凝土，在运往工地的路途中，使搅拌筒作大约1-3r/min的f氏速转动，对运输运的混凝土不停地进行搅动，以防止出现离析等现象，从而使运到工地的混凝土质量得到控制，并相应增长运距。但这种运输方式其运距(或运送时间)不宜过长，应控制在预拌混凝土开始初凝以前，具体的运距或时间视混凝土配比和道路、气候等条件而定。

(2)混凝土拌合料的搅拌运输

这种运输方式又有湿料和干料搅拌运输两种情况。湿料搅拌运输是指搅拌运输车在配料站按混凝土配比同时装入水泥，砂石骨料和水等拌合料，然后在运送途中使搅拌筒以8-12r / min的“搅拌速度”转动，对混凝土拌合料完成搅拌作业。干料注水搅拌运输是指在配料站按混凝土配比分别向搅拌筒内加入水泥、砂石等干料，再向车内水箱加入搅拌用水。在搅拌运输车驶向工地途中的适当时候向搅拌筒内喷水进行搅拌。也可根据工地的浇灌要求运干料到现场后再注水搅拌。

混凝土拌合料的搅拌运输，比预拌混凝土的搅动运输能进一步延长对混凝土的输送距离(或时间)，尤其是混凝土干料的注水搅拌运输可以将混凝土送到很远的地方。另外，这种运输方式又用搅拌运输车代替了混凝土工厂的搅拌工作，因而可以节约设备投资，相对提高生产率。但是，搅拌运输车的搅拌却难以获得象混凝土工厂生产的那样和易性好均匀一致的混凝土，所以，在对混凝土的质量要求愈来愈严格的现代建筑施工中，对预拌混凝土的搅动运输是搅拌运输车的主要工作方式。

1.2 课题研究背景

随着我国国民经济的迅速发展，高速公路建设、城市基础建设、房地产开发也急剧发展。在以国家“十一五”规划、中西部大开发战略的大背景下，以及北京申办2008年29届夏季奥运会成功的带动下，加大城市建设成为不变的潮流。

建设容量的加大，就意味着混凝土的消费量加大。混凝土已经成为现代社会文明的基石，越来越发挥着不可替代的作用。伴随着我国政府颁布的终结现场搅拌混凝土条文的实施，从2006年起，我国240多个城市要全面使用商品混凝土，作为城市中唯一合理的运输预拌混凝土工具，混凝土搅拌运输车的作用就显得尤为重要。

虽然混凝土搅拌车的市场前景异常乐观，但是我国混凝土搅拌车生产的一些薄弱环节尤其是基础理论方面研究的薄弱却不容忽视。本课题针对中国重汽集团专用汽车公司生产的混凝土搅拌车（如图1.2）目前还存在着搅拌叶片使用寿命短、搅拌振动噪声大、搅拌效果和出料速度不理想、出料残余率高等问题和隐患而立题并开展研究的。

图1.2 8.5LP混凝土搅拌运输车

图1.2

1.3 混凝土搅拌车搅拌系统国内外研究现状

1、国内方面：

1965年上海华东建筑机械厂引进了我国第一台混凝土搅拌车。我国混凝土搅拌车的开发生产始于二十世纪八十年代初期，开始基本上是引进散件组装，或者通过技贸方式引进技术生产与部分零部件引进相结合的生产制造模式。从1982年开始，一些企业相继引进国外的先进生产技术，经过20年的发展，产

品国产化率不断提高，产量也有了很大的提高。在产品系列上，形成了3 m3、4 m3、5 m3、6 m3、8 m3、10 m3、12 m3等品种，8 m3以下正在逐渐淘汰，向着10 m3、12 m3甚至更大容积发展，但整机性能与国外相比还有一定差距。如今，国内生产企业对混凝土搅拌车的搅拌系统研究主要是引进消化国外的技术或者仿制国外产品为主，自主开发很少，在理论方面的研究比较匮乏，国内企业的生产多靠测绘和技术引进，甚至在搅拌叶片的生产安装过程中，局部敲打、硬性整合现象屡见不鲜。虽然国内一些高校也在这一领域进行研究，如武汉理工大学、西安建筑科技大学等。但他们主要是对搅拌筒进行设计绘制，对于搅拌叶片设计，数值模拟研究很少。

2、国外方面：

19世纪40年代出现以蒸汽为动力源的木制多面体拌筒的自落式搅拌机，19世纪80年代用钢铁件代替木板。20世纪初开始改良为圆柱形搅拌筒。1926年美国生产出搅拌容积为3m3的第一台混凝土搅拌车。早期的搅拌叶片一般都是采用阿基米德螺旋线，1965年以后日本开始采用对数螺旋线设计制造搅拌叶片，后来又在此基础上对局部叶片的螺旋角进行了修正，逐渐形成了现在这种梨形拌筒（前后部分为圆锥形，中间部分为圆柱形）-混合螺旋线搅拌叶片的混凝土搅拌车。2000年，美国的CHRISTENSON RONALD E在原来搅拌筒的基础上，在底锥添加辅助搅拌叶片改进了传统的搅拌叶片；2005年澳大利亚的KHOURI ANTHONY JAMES采用两条螺旋钢板焊接作为内筒壁，合成树脂作为外筒壁，改进了传统的三段式搅拌筒，不过这种搅拌筒制造起来比较困难。近年来，澳大利亚VULCAN、美国的马克西姆等公司推出了超长搅拌筒的前卸式搅拌车，拌筒前锥加长，架在驾驶室上方，于驾驶室前方出料。成为搅拌车市场快速增长的产品，但搅拌叶片设计仍然沿承了对数螺旋线叶片设计方法。

目前，国外的搅拌设备研究逐渐向着多功能、自动监控、多样化、成套化发展，如单、双卧轴式搅拌机、振动式搅拌机、强制式搅拌机，多种混凝土搅拌楼等。搅拌车研究更倾向于上装技术、耐磨材料的研究。针对国内外现状，本文改变传统的搅拌叶片母线所采用的螺旋线方程，使搅拌叶片和搅拌筒之间的连接方式和安装参数得到了改善，提出了用有限元软件对搅拌叶片进行数值模拟和参数优化。试验验证了理论方法的可行性。

1.4本文研究内容及方法

1、研究目的

通过对搅拌叶片的设计分析，找出搅拌叶片的薄弱环节，对搅拌叶片进行改进，延长搅拌叶片的使用寿命、提高出料速度、降低出料残余率、降低生产成本，达到更好的搅拌出料效果。

2、研究意义

一辆混凝土搅拌车的售价在40～80万之间，其中一个混凝土搅拌系统造价大约10万元。平均使用3年左右即告报废。而混凝土搅拌输送车的搅拌和卸料作用是由搅拌装置—搅拌筒完成的，搅拌叶片更是关键中的关键，搅拌叶片的性能好坏直接决定搅拌运输车的性能，进而影响着基础建设的质量。因此研究搅拌出料过程叶片的磨损、提高搅拌叶片使用寿命、提高叶片的搅拌质量具有重要的的经济效益和社会效益。

充分的文件检索和实际调研表明，了解螺旋叶片出料机理分析是设计搅拌装置的基础。也是生产具有更好搅拌性能但又不降低混凝土质量的基础。冲击小、响应决而且效率高的液压系统是搅拌运输车传动系统设计的关键。

搅拌运输车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料的功能，主要是因为拌筒内部特有的两条连续螺旋叶片在工作时形成螺旋运动，从而推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。因此两条叶片的螺旋曲线的形式及结构直接影响搅拌筒的工作性能。本论文应用静力学、运动学的原理阐述螺旋叶片的工作原理并对主要技术参数进行理论分析。为螺旋叶片的结构设计提供理论依据。

搅拌筒既是搅拌运输车运输混凝上的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。几何设计是搅拌筒结构设计的基础，它包括几何容积计算、外形尺寸的确定、搅拌筒有效容积及满载时重心位置计算。本论文对搅拌筒进行几何设计。

螺旋叶片的几何参数直接影响搅拌筒的搅拌和卸料性能。目前，应用于搅拌运输车的拌筒叶片螺旋面的形式有:正螺旋面、圆锥对数螺旋面两种。本论文对搅拌筒内螺旋叶片曲线参数的选择及展开进行计算，并加以搅拌系统的仿真设计与运动模拟。

2.搅拌车仿真的结构设计

搅拌运输车搅拌筒绝大部分都采用梨型结构，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。图2.1为其外部结构图。整个搅拌筒的壳体是一个变截面而不对称的双锥体，外形似梨型，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一条环行滚道，它焊接在垂直于搅拌筒轴线的平面圆周上，整个搅拌筒通过连接法兰和环形滚道顷斜卧置在固定与机架上的减速器壳体和一对支承滚轮所组成的三点支承结构上，由减速器带动平稳的绕其轴线转动。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。机架由水平框架、前台、后台和门形支架组成，搅拌装置的各部分都组装在它上面，形成一个整体。最后通过水平框架与载运底盘大梁用螺栓连接在一起。

1 装料斗2环形滚道3滚筒壳体4连接法兰5减速器6机架

7支承滚轮8调节机构9活动卸料溜槽10固定卸料溜槽

图2.1

2.1搅拌车仿真实验台的工作原理

搅拌筒的工作原理用图2.1.1 来说明。图为通过搅拌筒轴线的垂直剖面示意图。其中(a),(b)为剖开搅拌筒的两部分，斜线代表螺旋叶片，λ为其螺旋升角，γ为搅拌筒轴线与底盘平面的夹角。我们设定图a所示方向为“正向”，图b

所示方向为“反向”。工作时，搅拌筒绕其自身轴线转动，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。

当搅拌筒做图a 所示方向的“正向”转动时，混凝土将被叶片连续不断的推送到搅拌筒的底部，同时到达筒底的混凝土势必又被搅拌筒的端壁顶推翻转回来，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转运动，达到了搅拌筒对混凝土进行充分搅拌的目的。

当搅拌筒做图b 所示方向的 “反向”转动时，叶片的螺旋运动方向也相反，这时混凝土被叶片引导向搅拌筒口方向移动直至筒口卸出，从而达到卸料目的。

G a)b)

λλ

G γ

γ图2.1.1搅拌工作原理

2.2实验台搅拌筒的整体构成

混凝土搅拌车由汽车底盘和混凝土搅拌运输专用装置组成。我国生产的混凝土搅拌运输车的底盘多采用整车生产厂家提供的二类通用底盘。其专用机构主要包括取力器、搅拌筒前后支架、减速机、液压系统、搅拌筒、操纵机构、清洗系统等。

工作原理是，通过取力装置将汽车底盘的动力取出，并驱动液压系统的变量泵，把机械能转化为液压能传给定量马达，马达再驱动减速机，由减速机驱动搅拌装置，对混凝土进行搅拌。

取力装置

国产混凝土搅拌运输车采用主车发动机取力方式。取力装置的作用是通过操纵取力开关将发动机动力取出，经液压系统驱动搅拌筒，搅拌筒在进料和运输过程中正向旋转，以利于进料和对混凝土进行搅拌，在出料时反向旋转，在工作终结后切断与发动机的动力联接。

液压系统

将经取力器取出的发动机动力，转化为液压能（排量和压力），再经马达输出为机械能（转速和扭矩），为搅拌筒转动提供动力。

减速机

将液压系统中马达输出的转速减速后，传给搅拌筒。

操纵机构

（1）控制搅拌筒旋转方向，使之在进料和运输过程中正向旋转，出料时反向旋转。

（2）控制搅拌筒的转速。

搅拌装置

搅拌装置主要由搅拌筒及其辅助支撑部件组成。搅拌筒是混凝土的装载容器，转动时混凝土沿叶片的螺旋方向运动，在不断的提升和翻动过程中受到混合和搅拌。在进料及运输过程中，搅拌筒正转，混凝土沿叶片向里运动，出料时，搅拌筒反转，混凝土沿着叶片向外卸出。叶片是搅拌装置中的主要部件，损坏或严重磨损会导致混凝土搅拌不均匀。另外，叶片的角度如果设计不合理，还会使混凝土出现离析。

清洗系统

清洗系统的主要作用是清洗搅拌筒，有时也用于运输途中进行干料拌筒。清洗系统还对液压系统起冷却作用。

2.3实验台拌筒主要结构尺寸参数的确定

搅拌筒既是搅拌运输车的运输混凝土的装载容器，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:有足够的有效的装载容量:满足规定的搅拌和装卸料性能；在结构上适应运载底盘和运输中搅拌工作特点；具有适当的使用寿命(耐磨性能)。搅拌筒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，本节主要介绍拌筒的几何设计。

图2.3搅拌筒截面图

由于搅拌筒是斜置安装在运载底盘上，因此其结构尺寸受到运载混凝土的容积、所选底盘结构尺寸及保证运送混凝土的质量等因素的的影响，如搅拌筒的斜置角α，混凝土表面与搅拌筒轴线的夹角α0，前后锥的锥角α1、α2。同时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，取0arctan(0.14)8

ααα=+≈+ 根据中华人民共和国建筑工业行业标准，搅拌筒的斜置角α的取值可参照下表2.3

表2.3

公称搅拌容量(m 3)

拌筒倾斜角（°） 拌筒最大转速（r ∕min ） 1.0，（1.5），2.0，（2.5） 18~20

14~18 3.0，（4.0），4.5，（5.0），6.0 16~18 （7.0），8.0,（9.0），10.0,12.0 10~15

α201αα

根据文献，将各形状参数化为主参数r(搅拌筒最大半径，根据交通法规的要求Y2小于等于1.25m)可得:

11L c r =? 32L c r =?

12~~c c 取值范围1.4 1.8

取值范围0.80.97

2r 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。

前半锥角114.2~16.1θ取值范围

后半锥角215~20θ取值范围

2.4切割法求装载容积

图2.4是混凝土搅拌输送车搅拌筒的侧面图，它是由圆柱、圆台和球缺结合成的筒体。在搅动过程中，进料口和出料口之间由于高度为A 一B 的叶片将混凝土拌合料挡住，不会从A 一B 处流出。若混凝土拌合料是理想的流体，它应从B 点形成一水平面。因搅拌筒中心线与水平面之间成一倾角a ，这样，混凝土拌合料在搅拌筒内构成一种特殊形状的体积。

图2.4

目前，据有关资料介绍，该容积计算均采用切割法。切割法就是根据图纸给定的尺寸按比例作图，在垂直搅拌筒轴线，将混凝土拌合料实体切成若干厚度为B 的薄片，其断面积Ai 成弓形(如图2.4.1)，把所有的簿片体积BAi 、加起来，即为它的容积。切片越多、容积计算越精确，然而切得再多也仅是近似值。