混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法

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图 3.1 搅拌力矩曲线 0~1：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； 1~2：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； 4~5：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
式中，k1——粘着系数，kN/m2； k2——速度系数，kN/m2； V——拌合料速度；
s——混合料的坍落度。
M筒摩
3 i1
f
Si'
di' 2
3 i1
(k1
k2
Vi
)
Si'
di' 2
3-4
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。 di' 锥筒各段试验计算直径
α0
1α
α2
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：
nr 30cos
则
dM 叶摩
K1
K2
nr 30cos
2
r2
dr
M叶摩
R2 R1
(K1
K2
nr 30 cos
)
2
r
2dr
3-8
2 3
K1 ( R23
R13 )
2K2n 60cos
( R24
R14 )
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
c.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 (2 rdr) / 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
dA
2 p cos
rdr
周向流阻dFr dF sin 2 p tan rdr
周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩
dM流阻 r dFr 2 p tan r2dr
S1'
(0.6
~
0.8)
2
d
2
d1(
h1
d1 2
）
3-5
S２' (0.5 ~ 0.7) d2 h3
3-6
S3'
(0.3
~
0.5)
d2
2
d3
h2
3-7
d1'
d1
d2 2
d
' 2
d2
d3 2
d3' d3
b..拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩 M叶摩
R2 R1
dr r
K
Fa F
Fr
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=r f dA cos =( K1 K2V2 ) 2 r2 dr
V2——拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度
V2
n 2 r 60cos
3-12
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0.8-0.9
C——考虑峰值的影响系数，1.2-1.4； n——转速，rpm
4、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
M 0
Ge M筒摩 M叶摩 0 Ge M筒摩 M叶摩
r
F
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
2.2.2Lieberherr 的经验公式 M 偏 M筒摩 M叶摩 F r M 搅 2 F r M流阻
V2 X 2 V3 X 3) /(V1 V2Y2 V3Y3) /(V1
V2 V2
V3 V3 )
)
2-10
体积的计算如前 其中 Xi ,Yi (i 1, 2,3) 是各段重心的坐标
3.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 所示：
3 Nm
1
2
H R
S' S'
S
图2.3 小圆锥截台计算示意图
V2
1 3
(HS1
hS2 )
1 3
(HS1'
hS2' )
V2
1 [H
3
(S1
S1' )
h(S2
S2' )]
2-8
2.1.5后锥圆锥段截台计算公式
V3是从一个圆台体减去一个圆台截体，如图2.4，计算公式如下
V3
1 3
H0(R2
R12
R
R1)
V1'
V3
1 3
sin(
)
其中，圆锥截段弓形的面积
S1
R2
arccos
R
R
h1
2Rh12 (R h1)
其计算分三种情况
2.1计算示意图 2-1
2-2
2-3
Leabharlann Baidu
a.当
， c1
(
cos cos
)2
1 ，为正值
S2
(l
b1 2c1
)
b1l
c1l 2
b12 4c13
2
ln( 2c1l
b1
2
c1 b1
b1l c1l 2 )
图 4.2 斜面及最大倾斜面 s 方向
由图 4.2 可得：
sin sin / cos sinn / cos n
4-1
又因为 n
所以 cos n cos( ) cos cos sin sin
代入上式得： tan (sinn / sin cos ) / sin
4-2
同理： tan n (sin / sinn cos ) / sin
Va1
h1 3b1
[3R3 ( b1 R
1)
arccos(1
b1 R
)
(3R2
2Rb1
b12 )
2Rb1 b12 ]
Va 2
h2 3b2
[3R3 ( b2 R
1) arccos(1
b2 R
)
(3R2
2Rb2
b22 )
2Rb2 b22 ]
V1
h0 3(b1
{3R3[( b1
b2 )
R
1) arccos(1
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 1.25m
L1 c1 r
1-1
L3 c2 r
1-2
c1取值范围1. 4 ~ 1. 8 c2取值范围0. 8 ~ 0. 97
r2 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14.2 ~ 16.1 后锥角2取值范围15 ~ 20
b1 ) R
( b2 R
1) arccos(1
b2 R
)]
2-7
(3R2 2Rb1 b12 ) 2Rb1 b12 ] (3R2 2Rb2 b22 ) 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：
H H
β
α C C BA
而逐渐下降； 5~6：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
3-1
R b h
2.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：
Va
h [R3( b
b R
1) arccos(1
b) R
3R2
2Rb 3
b2
2Rb b2 ]
若 为已知， h 可用代替 cot b
2.1.2圆锥截段计算公式
Vb
1 3
HS1
1 3 hS2
h
a cos
3.0，（4.0），4.5，（5.0），6.0
16～18
14～18
（7.0），8.0，（9.0），10.0，12.0
10～15
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 0 arctan(0.14) 8
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，混凝土的坍落度越小（s<5 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。
H0(R2
R12
R
R1)
1 [H
3
(S1
S1' )
h(S2
S2' )]
2-9
β
α C BA
H R
S' S'
S
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： V 0.5 ~ 0.65 Vj 2.3.重心位置的计算
X (V1X1 Y (V1Y1
混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法
1.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α的取值可参照下表 1.1:
公称搅拌容量（m 3 ）
搅拌倾斜角（ ）
拌筒最大转速 （r/min）
1.0，（1.5），2.0，（2.5）
18～20
M 搅 M筒摩 M叶摩 M 流阻 M 偏
3-2
3.2.1 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
f k1 k2 V
3-3
k1 (3 0.1 s) 9.8102 k2 (4 0.1 s) 9.8102
4-3
4.1.2 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
设在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 、 、 n 表示。 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 < <90 时，面积元 A 处于位置 2。n 线倾角 n =90 - ，S 线斜 向指向筒壁。若 角足够大，使 线倾角 大于物料下滑角 ，物料就沿 S 线方 向滑至筒壁后沿 线方向下滑出料。 c.当拌筒转到 =90 时，面积元 A 处于位置 3。S 线与 线重合，以达到最大值， 此时 = = ，若 > ，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 < <180 时，面积元 A 到达位置 4。当 S 线的倾角 > 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。
3-10
实验测得： M流阻 0.5 F r
M 搅 2.5 F r 式中：r——偏心距，一般取0.1m；
F——混凝土重量
3-11
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)
N C(M支 M 搅 )n / 716.2 CM驱n / 716.2
M流阻
R2 R1
dM 流阻
2 3
p tan (R23
R23 )
3-9
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 p 20 ~ 30kN / m2
d.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 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：
式中， l
H a cos
b.
S2
8 3
3
a tan sin l 2
c.
S2
(l
b1 2c1
)
b1l
c1l 2
b12 4(c1)3
2
arccos(1
2c1l b1
)
2.1.3圆柱段搅拌筒计算
2-4
2-5 2-6
E
b2
C
h2
B
h1
R D
b1
A
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 V1 Va1 Va2