混凝土搅拌车搅拌总成建模与仿真

混凝土搅拌车搅拌总成建模与仿真

中国混凝土网 [2007-3-15] 网络硬盘我要建站博客常用搜索

摘要: 搅拌总成作为混凝土搅拌运输车的核心部分, 直接决定了整车性能。通过对815L P 型搅拌车搅拌总成的研究, 指出了搅拌叶片在前锥、中圆和后锥部分分别采用的螺旋线形式, 并对搅拌罐总成进行了建模和仿真,为指导生产实践奠定了理论基础。

关键词: 搅拌总成; 螺旋叶片; 建模; 仿真

中图分类号: TU 642+ 12文献标识码: A

0 引言

搅拌叶片是混凝土搅拌车的关键部件, 它的好坏直接影响着搅拌罐的寿命、出料残余率、搅拌效果、出料速度等。在搅拌罐装料、运料和卸料三个过程的运动中, 要达到新拌混凝土均质性好、进出料效率高、出料残余率低且性能可靠的技术要求, 需找出最佳的罐体和叶片配置尺寸。目前国内搅拌叶片的制造靠测绘仿制[1] , 鉴于此, 有待研究开发出指导叶片和罐体及相关件的关键技术。

1 搅拌筒和叶片参数设计

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, 搅拌罐与地面的夹角为14o , A角为叶片曲线围绕搅拌筒轴心的螺旋升角, 它与旋角B之间的关系为: A+ B= 90o [ 2 ]。螺旋升角A越大, 搅拌性能越好, 但出料性能越差。随着A角的增大, 混凝土沿叶片滑移的摩擦力也相应加大, 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, 搅拌效率降低, 尤其在卸料工况时, 由于淤积而造成的堵塞会使卸料发生困难。当A趋于90o 时, 叶片与搅拌曲线近似平行, 这时叶片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, 因而丧失卸料功能。为了避免前锥积料, 改善出料性能, 应减小小端处的螺旋升角, 但A角不能太小, 当A角很小时, 叶片几乎与搅拌轴线垂直, 混凝土在转动的搅拌筒中轴向运动非常微小, 近似于只作沿筒叶的切向滑跌。在这种情况下, 不但搅拌作用很弱, 而且也不具备实际的卸料能力。因此, 要综合考虑以下几点:

(1) 后锥螺旋叶片主要是为了实现搅拌功能, 在满足物料下滑(一般下滑角C> 30o [ 3 ]) 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, 应减小小端处的螺旋升角。

(2) 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筒轴线有一定夹角, 这个夹角等于后锥的半锥角的余角, 以实现以上这两种功能。

(3) 前锥螺旋叶片实现快速卸料, 并起一定拌和作用, 避免出料时出现离析。越靠近出口的位置越要选用大的螺旋角, 即小的螺旋升角, 可提高搅拌罐的出料性能。

从以上分析可见, 叶片曲线的螺旋升角, 决定混凝土在搅拌筒沿轴向或切向运动的强度, 影响着搅拌和卸料功能。当A较大或很小时, 叶片的工作性能差,甚至没有搅拌或卸料能力。为保证搅拌质量或卸料速度, 应选择适当的螺旋升角, 以上的分析只是定性分析。螺旋升角的确定, 还要受混凝土性质和搅拌筒斜

置角度等因素的制约, 从理论上确定还有一定困难。实验结果表明当搅拌罐的斜置角度在14o～ 20o 左右时,对于搅拌工况和卸料工况一般都使A≤30o [ 4 ]。基于此,下文给出后锥段、中圆段和前锥段的螺旋角关系式。

2 对数螺旋线

图1 为815L P 型搅拌车。已知其搅拌罐的外形尺寸, 搅拌叶片设计参数见表1。表1 中, B为螺旋角,H为半锥角, U为螺旋转角, L为叶片与筒壁的夹角, B为叶片母线。

选择搅拌罐前锥与圆柱段叶片为平直截面, 前锥叶片与罐壁垂直焊接, 叶片母线B 1= 80mm; 圆柱段叶片母线B 2= 380mm , 与罐壁呈74111o 焊接; 后锥段叶片与罐壁呈74111o , 并且后锥段叶片母线沿出料方向逐渐减小。

螺旋叶片的前、后锥采用非等角对数螺旋线, 如图2 所示, 中圆采用等角对数螺旋线, 如图3 所示。图2 的对数螺旋线方程为:

利用参数t, 其默认变化范围0～ 1, 将公式(1) 中的变量写成t 的函数, 根据螺旋线方程可以给出前锥对数螺旋线的方程:

基于以上表达式, 用U G 给出了图4 所示的螺旋线。

3 搅拌叶片建模

按照上面所确定的螺旋角和叶片与筒壁所成的夹角做叶片的截面线, 其中截面线宽度取5mm , 前锥和中圆用1∶1 比例, 后锥用5∶3 比例, 利用U G 建立了叶片三维模型, 见图5。

4 叶片与罐总成的运动仿真

叶片与罐总成的三维实体模型见图6, 罐厚取5mm , 各部件之间的装配关系见图7。基于在U G 下建立的如图6、图7 所示的叶片与罐总成装配模型, 通过U G 的仿真功能, 实现了叶片与罐的运动仿真, 并了解了两者的运动关系和干涉情况。

5 结束语

本文给出了叶片螺旋升角与混凝土在搅拌罐内运动关系; 叶片曲线参数和工作性能间的关系。基于这些关系, 在U G 环境下, 对叶片和搅拌罐各自与相关件以及两者装配总成建模, 并完成了叶片与搅拌罐总成的运动仿真。以上结果对研发自主叶片、搅拌罐等关键技术具有一定的指导意义。

参考文献:

[1] 程书良. 混凝土搅拌车搅拌叶片的设计[J ]. 建筑机械化,2002 (2) : 18223.

[2] 陈宜通. 混凝土机械[M ]. 北京: 中国建材工业出版社,2002.

[3] 杨纪明. 混凝土搅拌输送车搅拌螺旋叶片的设计[J ]. 建筑机械, 1984 (3) : 41258.

[4] Gidaspow D. M ult iphase flow and fluidizat ion2cont inumand k inet ic theo ry descrip t ions[M ]. N ew Yo rk:A cadem icP ress, 1994.

Model ing and Simulation of ConcreteM ixer Truck’sM ix ing Assembly

YU Shi-xu1,Y IChui- j ie1, GUO J ian-x iang1, XING Pu2

(1. Q ingdao R&D Center of Energy and Environmental Equipment,Q ingdao Techno logicalU niversity,Q ingdao 266033, Ch ina; 2. Co llege of Engineer2ing, Ch ina A gricultural U niversity,Beijing 100083, Ch ina)Abstract: The m ixing assembly is the cent ral part of the concrete m ixer t ruck,w h ich direct ly determ ines the ent ire car’s perfo r2mance. Th rough the research of 815L P m ixer t ruck m ixing assembly, the paper po inted out the sp iral lines w h ich adop ted by thefront cone, the m iddle circle and the back cone of m ixing blade. F inally a modeling and simulat ion of the m ixing assembly w as bemade,w h ich p rovides a theo ry foundat ion fo r the engineering p ract ice.