1、南昌航空大學學士學位論文1.前言1.1 混凝土攪拌車的介紹商品混凝土的發展從根本上改變了傳統上工地自制混凝土，用翻斗車或自卸卡車進行輸送，就近使用的落后生產方式，建立起一種新的生產方式，即許多施工工地所需要的混凝土，都由專業化的混凝土工廠或大型混凝土攪拌站集中生產供應，形成以混凝土制備地點為中心的供應網。由于混凝十工廠便于應用現代電子技術，使用計算機控制生產，可以得到精確配比和均質拌合的混凝土，使混凝土質量大大提高，所以對于整個施丁工程起到良好的促進作用。但是混凝土的商品化生產，勢必把混凝土從廠站輸送到各個需求工地之間的距離相應加長，有些供應點甚至很遠。當混凝土的輸舒巨離(或輸送時間)超過某一

2、限度時，叮燃使用一般的運輸機械進行輸送，混凝土就可能在運輸途中發生分層離析，甚至初撇見象，嚴重影響混凝土質量，這是施工所不允許的。因此為了適應商品混凝土的輸送，發展了一種運送混凝土的專用機械混凝土攪拌運輸車(以下簡稱攪拌運輸車)。圖1.1所示就是這種攪拌運輸車的外形和基本結構。攪拌運輸車多作為混凝十工廠或攪拌站的配套運輸機械，通過攪拌運輸車將混凝土工廠、攪拌站與許多施工工地聯系起來，如與混凝土輸送泵配合使用，在施工現場進行“接力”輸送，則可以完全不再需要人力的中間周轉而將混凝土連續不斷的送到施工澆注點，實現混凝土輸送的高效能和全部機械化。 攪拌運輸車實際上就是在載重汽車或專用運載底盤上安裝一種

3、獨特的混凝土攪拌裝置的組合機械，它兼有載運和攪拌混凝土的雙重功能，可以在運送混凝土的同時對其進行攪動或攪拌。因此能保證輸送混凝土的質量，允許適當延長運距(或運送時間)。基于攪拌運輸車的上述工作特點，通常可以根據對混凝土運距長短、現場施工條件以及對混凝土的配比和質量的要求等不同情況，采取下列不同的工作方式:(1)預拌混凝土的攪動運輸這種運輸方式是攪拌運輸車從混凝土工廠裝進已經攪拌好的混凝土，在運往工地的路途中，使攪拌筒作大約1-3r/min的f氏速轉動，對運輸運的混凝土不停地進行攪動，以防止出現離析等現象，從而使運到工地的混凝土質量得到控制，并相應增長運距。但這種運輸方式其運距(或運送時間)不宜

4、過長，應控制在預拌混凝土開始初凝以前，具體的運距或時間視混凝土配比和道路、氣候等條件而定。(2) 混凝土拌合料的攪拌運輸這種運輸方式又有濕料和干料攪拌運輸兩種情況。濕料攪拌運輸是指攪拌運輸車在配料站按混凝土配比同時裝入水泥，砂石骨料和水等拌合料，然后在運送途中使攪拌筒以8-12r / min的“攪拌速度”轉動，對混凝土拌合料完成攪拌作業。干料注水攪拌運輸是指在配料站按混凝土配比分別向攪拌筒內加入水泥、砂石等干料，再向車內水箱加入攪拌用水。在攪拌運輸車駛向工地途中的適當時候向攪拌筒內噴水進行攪拌。也可根據工地的澆灌要求運干料到現場后再注水攪拌。混凝土拌合料的攪拌運輸，比預拌混凝土的攪動運輸能進一

5、步延長對混凝土的輸送距離(或時間)，尤其是混凝土干料的注水攪拌運輸可以將混凝土送到很遠的地方。另外，這種運輸方式又用攪拌運輸車代替了混凝土工廠的攪拌工作，因而可以節約設備投資，相對提高生產率。但是，攪拌運輸車的攪拌卻難以獲得象混凝土工廠生產的那樣和易性好均勻一致的混凝土，所以，在對混凝土的質量要求愈來愈嚴格的現代建筑施工中，對預拌混凝土的攪動運輸是攪拌運輸車的主要工作方式。1.2 課題研究背景隨著我國國民經濟的迅速發展，高速公路建設、城市基礎建設、房地產開發也急劇發展。在以國家“十一五”規劃、中西部大開發戰略的大背景下，以及北京申辦2008年29屆夏季奧運會成功的帶動下，加大城市建設成為不變的

6、潮流。建設容量的加大，就意味著混凝土的消費量加大。混凝土已經成為現代社會文明的基石，越來越發揮著不可替代的作用。伴隨著我國政府頒布的終結現場攪拌混凝土條文的實施， 從2006年起，我國240多個城市要全面使用商品混凝土，作為城市中唯一合理的運輸預拌混凝土工具，混凝土攪拌運輸車的作用就顯得尤為重要。雖然混凝土攪拌車的市場前景異常樂觀，但是我國混凝土攪拌車生產的一些薄弱環節尤其是基礎理論方面研究的薄弱卻不容忽視。本課題針對中國重汽集團專用汽車公司生產的混凝土攪拌車（如圖1.2）目前還存在著攪拌葉片使用壽命短、攪拌振動噪聲大、攪拌效果和出料速度不理想、出料殘余率高等問題和隱患而立題并開展研究的。 圖

7、1.2 8.5lp混凝土攪拌運輸車圖1.21.3 混凝土攪拌車攪拌系統國內外研究現狀1、國內方面： 1965年上海華東建筑機械廠引進了我國第一臺混凝土攪拌車。我國混凝土攪拌車的開發生產始于二十世紀八十年代初期，開始基本上是引進散件組裝，或者通過技貿方式引進技術生產與部分零部件引進相結合的生產制造模式。從1982年開始，一些企業相繼引進國外的先進生產技術，經過20年的發展，產品國產化率不斷提高，產量也有了很大的提高。在產品系列上，形成了3 m3、4 m3、5 m3、6 m3、8 m3、10 m3、12 m3等品種，8 m3以下正在逐漸淘汰，向著10 m3、12 m3甚至更大容積發展，但整機性能與

8、國外相比還有一定差距。如今，國內生產企業對混凝土攪拌車的攪拌系統研究主要是引進消化國外的技術或者仿制國外產品為主，自主開發很少，在理論方面的研究比較匱乏，國內企業的生產多靠測繪和技術引進，甚至在攪拌葉片的生產安裝過程中，局部敲打、硬性整合現象屢見不鮮。雖然國內一些高校也在這一領域進行研究，如武漢理工大學、西安建筑科技大學等。但他們主要是對攪拌筒進行設計繪制，對于攪拌葉片設計，數值模擬研究很少。2、國外方面： 19世紀40年代出現以蒸汽為動力源的木制多面體拌筒的自落式攪拌機，19世紀80年代用鋼鐵件代替木板。20世紀初開始改良為圓柱形攪拌筒。1926年美國生產出攪拌容積為3m3的第一臺混凝土攪拌

9、車。早期的攪拌葉片一般都是采用阿基米德螺旋線，1965年以后日本開始采用對數螺旋線設計制造攪拌葉片，后來又在此基礎上對局部葉片的螺旋角進行了修正，逐漸形成了現在這種梨形拌筒（前后部分為圓錐形，中間部分為圓柱形）-混合螺旋線攪拌葉片的混凝土攪拌車。2000年，美國的christenson ronald e在原來攪拌筒的基礎上，在底錐添加輔助攪拌葉片改進了傳統的攪拌葉片；2005年澳大利亞的khouri anthony james采用兩條螺旋鋼板焊接作為內筒壁，合成樹脂作為外筒壁，改進了傳統的三段式攪拌筒，不過這種攪拌筒制造起來比較困難。近年來，澳大利亞vulcan、美國的馬克西姆等公司推出了超長

10、攪拌筒的前卸式攪拌車，拌筒前錐加長，架在駕駛室上方，于駕駛室前方出料。成為攪拌車市場快速增長的產品，但攪拌葉片設計仍然沿承了對數螺旋線葉片設計方法。 目前，國外的攪拌設備研究逐漸向著多功能、自動監控、多樣化、成套化發展，如單、雙臥軸式攪拌機、振動式攪拌機、強制式攪拌機，多種混凝土攪拌樓等。攪拌車研究更傾向于上裝技術、耐磨材料的研究。針對國內外現狀，本文改變傳統的攪拌葉片母線所采用的螺旋線方程，使攪拌葉片和攪拌筒之間的連接方式和安裝參數得到了改善，提出了用有限元軟件對攪拌葉片進行數值模擬和參數優化。試驗驗證了理論方法的可行性。1.4本文研究內容及方法1、研究目的通過對攪拌葉片的設計分析，找出攪拌

11、葉片的薄弱環節，對攪拌葉片進行改進，延長攪拌葉片的使用壽命、提高出料速度、降低出料殘余率、降低生產成本，達到更好的攪拌出料效果。2、研究意義一輛混凝土攪拌車的售價在4080萬之間，其中一個混凝土攪拌系統造價大約10萬元。平均使用3年左右即告報廢。而混凝土攪拌輸送車的攪拌和卸料作用是由攪拌裝置攪拌筒完成的，攪拌葉片更是關鍵中的關鍵，攪拌葉片的性能好壞直接決定攪拌運輸車的性能，進而影響著基礎建設的質量。因此研究攪拌出料過程葉片的磨損、提高攪拌葉片使用壽命、提高葉片的攪拌質量具有重要的的經濟效益和社會效益。充分的文件檢索和實際調研表明，了解螺旋葉片出料機理分析是設計攪拌裝置的基礎。也是生產具有更好攪

12、拌性能但又不降低混凝土質量的基礎。沖擊小、響應決而且效率高的液壓系統是攪拌運輸車傳動系統設計的關鍵。攪拌運輸車的攪拌筒之所以具有攪拌和卸料的功能，主要是因為拌筒內部特有的兩條連續螺旋葉片在工作時形成螺旋運動，從而推動混凝土沿攪拌筒軸向和切向產生復合運動的結果。因此兩條葉片的螺旋曲線的形式及結構直接影響攪拌筒的工作性能。本論文應用靜力學、運動學的原理闡述螺旋葉片的工作原理并對主要技術參數進行理論分析。為螺旋葉片的結構設計提供理論依據。攪拌筒既是攪拌運輸車運輸混凝上的裝載容器，又是攪拌混凝土的工作裝置。幾何設計是攪拌筒結構設計的基礎，它包括幾何容積計算、外形尺寸的確定、攪拌筒有效容積及滿載時重心位

13、置計算。本論文對攪拌筒進行幾何設計。螺旋葉片的幾何參數直接影響攪拌筒的攪拌和卸料性能。目前，應用于攪拌運輸車的拌筒葉片螺旋面的形式有:正螺旋面、圓錐對數螺旋面兩種。本論文對攪拌筒內螺旋葉片曲線參數的選擇及展開進行計算，并加以攪拌系統的仿真設計與運動模擬。2.攪拌車仿真的結構設計 攪拌運輸車攪拌筒絕大部分都采用梨型結構，通過支承裝置斜臥在機架上，可以繞其軸線轉動，攪拌筒的后上方只有一個筒口分別通過進出料裝置進行裝料或卸料。圖2.1為其外部結構圖。整個攪拌筒的殼體是一個變截面而不對稱的雙錐體，外形似梨型，底段錐體較短，端面封閉并焊接著法蘭，通過連接法蘭用螺栓與減速器聯結。上段錐體的過渡部分有一條環

14、行滾道，它焊接在垂直于攪拌筒軸線的平面圓周上，整個攪拌筒通過連接法蘭和環形滾道頃斜臥置在固定與機架上的減速器殼體和一對支承滾輪所組成的三點支承結構上，由減速器帶動平穩的繞其軸線轉動。在攪拌筒滾道圓周上部，通常設有鋼帶護繞，以限制攪拌筒在汽車顛簸行駛時向上跳動。機架由水平框架、前臺、后臺和門形支架組成，攪拌裝置的各部分都組裝在它上面，形成一個整體。最后通過水平框架與載運底盤大梁用螺栓連接在一起。 1 裝料斗 2環形滾道3滾筒殼體4連接法蘭5減速器6機架 7支承滾輪8調節機構9活動卸料溜槽10固定卸料溜槽 圖2.12.1攪拌車仿真實驗臺的工作原理 攪拌筒的工作原理用圖2.1.1 來說明。圖為通過攪

15、拌筒軸線的垂直剖面示意圖。其中(a),(b)為剖開攪拌筒的兩部分，斜線代表螺旋葉片， 為其螺旋升角，為攪拌筒軸線與底盤平面的夾角。我們設定圖a所示方向為“正向”，圖b所示方向為“反向”。工作時，攪拌筒繞其自身軸線轉動，混凝土因與筒壁和葉片的摩擦力和內在的粘著力而被轉動的筒壁沿圓周帶起來，但在達到一定高度后，必在其自重g作用下，克服上述摩擦力和內聚力而向下翻跌和滑移。由于攪拌筒在連續的轉動，所以混凝土即在不斷的被提升而又向下滑跌的運動中，同時受筒壁和葉片所確定的螺旋形軌道的引導，產生沿攪拌筒切向和軸向的復合運動，使混凝土一直被推移到螺旋葉片的終端。當攪拌筒做圖a所示方向的“正向”轉動時，混凝土將

16、被葉片連續不斷的推送到攪拌筒的底部，同時到達筒底的混凝土勢必又被攪拌筒的端壁頂推翻轉回來，這樣在上述運動的基礎上又增加了混凝土上下層的軸向翻轉運動，達到了攪拌筒對混凝土進行充分攪拌的目的。當攪拌筒做圖b所示方向的 “反向”轉動時，葉片的螺旋運動方向也相反，這時混凝土被葉片引導向攪拌筒口方向移動直至筒口卸出，從而達到卸料目的。圖2.1.1攪拌工作原理2.2實驗臺攪拌筒的整體構成混凝土攪拌車由汽車底盤和混凝土攪拌運輸專用裝置組成。我國生產的混凝土攪拌運輸車的底盤多采用整車生產廠家提供的二類通用底盤。其專用機構主要包括取力器、攪拌筒前后支架、減速機、液壓系統、攪拌筒、操縱機構、清洗系統等。工作原理是

17、，通過取力裝置將汽車底盤的動力取出，并驅動液壓系統的變量泵，把機械能轉化為液壓能傳給定量馬達，馬達再驅動減速機，由減速機驅動攪拌裝置，對混凝土進行攪拌。 取力裝置國產混凝土攪拌運輸車采用主車發動機取力方式。取力裝置的作用是通過操縱取力開關將發動機動力取出，經液壓系統驅動攪拌筒，攪拌筒在進料和運輸過程中正向旋轉，以利于進料和對混凝土進行攪拌，在出料時反向旋轉，在工作終結后切斷與發動機的動力聯接。液壓系統將經取力器取出的發動機動力，轉化為液壓能（排量和壓力），再經馬達輸出為機械能（轉速和扭矩），為攪拌筒轉動提供動力。減速機將液壓系統中馬達輸出的轉速減速后，傳給攪拌筒。操縱機構（1）控制攪拌筒旋轉方

18、向，使之在進料和運輸過程中正向旋轉，出料時反向旋轉。（2）控制攪拌筒的轉速。攪拌裝置攪拌裝置主要由攪拌筒及其輔助支撐部件組成。攪拌筒是混凝土的裝載容器，轉動時混凝土沿葉片的螺旋方向運動，在不斷的提升和翻動過程中受到混合和攪拌。在進料及運輸過程中，攪拌筒正轉，混凝土沿葉片向里運動，出料時，攪拌筒反轉，混凝土沿著葉片向外卸出。葉片是攪拌裝置中的主要部件，損壞或嚴重磨損會導致混凝土攪拌不均勻。另外，葉片的角度如果設計不合理，還會使混凝土出現離析。清洗系統清洗系統的主要作用是清洗攪拌筒，有時也用于運輸途中進行干料拌筒。清洗系統還對液壓系統起冷卻作用。2.3實驗臺拌筒主要結構尺寸參數的確定攪拌筒既是攪拌

19、運輸車的運輸混凝土的裝載容器，又是攪拌混凝土的工作裝置。所以對它的設計有以下基本要求:有足夠的有效的裝載容量:滿足規定的攪拌和裝卸料性能；在結構上適應運載底盤和運輸中攪拌工作特點；具有適當的使用壽命(耐磨性能)。攪拌筒設計分幾何設計和金屬結構設計兩部分，幾何設計是金屬結構設計的基礎，本節主要介紹拌筒的幾何設計。 圖2.3攪拌筒截面圖由于攪拌筒是斜置安裝在運載底盤上，因此其結構尺寸受到運載混凝土的容積、所選底盤結構尺寸及保證運送混凝土的質量等因素的的影響，如攪拌筒的斜置角，混凝土表面與攪拌筒軸線的夾角0，前后錐的錐角1、2。同時運輸車必須保證在坡度為14%的路面上行駛且出料口面對下坡方向時不產生

20、外溢，取根據中華人民共和國建筑工業行業標準，攪拌筒的斜置角的取值可參照下表2.3 公稱攪拌容量(m³)拌筒傾斜角（°）拌筒最大轉速（rmin）1.0，（1.5），2.0，（2.5）182014183.0，（4.0），4.5，（5.0），6.01618（7.0），8.0,（9.0），10.0,12.01015 表2.3 根據文獻，將各形狀參數化為主參數r(攪拌筒最大半徑，根據交通法規的要求y2小于等于1.25m)可得: 為進料口半徑，取值范圍250-310mm中圓的長度要結合攪拌筒的額定容積確定。前半錐角后半錐角2.4切割法求裝載容積圖2.4是混凝土攪拌輸送車攪拌筒的側面圖，

21、它是由圓柱、圓臺和球缺結合成的筒體。在攪動過程中，進料口和出料口之間由于高度為a一b的葉片將混凝土拌合料擋住，不會從a一b處流出。若混凝土拌合料是理想的流體，它應從b點形成一水平面。因攪拌筒中心線與水平面之間成一傾角a，這樣，混凝土拌合料在攪拌筒內構成一種特殊形狀的體積。 圖2.4 目前，據有關資料介紹，該容積計算均采用切割法。切割法就是根據圖紙給定的尺寸按比例作圖，在垂直攪拌筒軸線，將混凝土拌合料實體切成若干厚度為b的薄片，其斷面積ai成弓形(如圖2.4.1)，把所有的簿片體積bai、加起來，即為它的容積。切片越多、容積計算越精確，然而切得再多也僅是近似值。 圖2.4.1根據圖2.3寫出計算

22、方程攪拌筒內混凝土任一弓形截面f(x)的方程: 式中所以，攪拌筒中混凝土的有效容積為：2.5積分法求裝載容積 要求出圖2.4五個部分的混凝土拌合料在攪拌筒內占有的體積，只要推導出圖2.5(粗實線包圍的部份)三種形狀的體積計算公式，那么攪拌筒的每段混凝土拌合料體積就可計算。 a b c 圖2.5用va、vb、vc表示三段的體積，圖2.5 a為圓柱截段(d代表直徑)，圖2.5 b為圓錐截段(d代表錐體的底直徑)，圖2.5 c為球缺截段(r1代表球半徑)。下面分別三種體積的計算公式。（1）va的計算公式 若 為已知，可用代替（2）vb的計算公式 根據圖2.5.1推出其中： （h為圓錐體頂點p到mn的

23、距離） （s1為圓錐截段弓形底面積） （s2為mn截面積）的計算分三種情況 a.當，為正值 式中， b. c. 圖2.5.1（3） vc的計算公式根據右圖2.5.2要求vc還需知道r、h、a、的值。根據公式，有： 有了以上數據便可求出s1、s2，而： 圖2.5.2（4） 根據圖2.5.3計算v1 圖2.5.3（5） 根據圖2.5.4計算v2 圖2.5.4（6）根據圖2.5.5計算v3 圖2.5.52.6實驗臺攪拌筒幾何容積計算 攪拌運輸車的梨形攪拌筒幾何容積vj與其設計的最大裝載容積v存在如下關系:v一公稱攪動容量，即運輸車能運輸的預拌混凝土經搗實后的最大體積。對混凝土拌合料攪拌運輸，此值為運

24、輸車置于水平位置，攪拌筒能容納全部未經攪拌的配料(包括水)要在充分攪拌時不產生外溢，并能生產勻質混凝土經搗實后的最大體積。vj一攪拌筒的幾何容積。2.7滿載時拌筒的重心位置 圖2.7如圖2.7所示，混凝土任一截面i一i處為一弓形，設微分段重心g的位置為:每段錐體重心： 總重心為：3. 驅動功率的計算3.1攪拌力矩曲線混凝土攪拌的過程力矩曲線變化規律如圖3.1所示：圖3.1攪拌力矩曲線 01：加工工序，攪拌筒以14-18rmp正轉，在大約10min的加料的時間里，攪拌筒的驅動力矩隨著混凝土不斷被加入而逐漸增大，在即將加滿時，力矩反而略有下降；12：運料工序，在卸料地點，攪拌輸送車停駛，攪拌筒從運

25、拌狀態制動，轉入14-18rpm的反轉卸料工況，攪拌筒的驅動力矩在反轉開始的極短時間內陡然上升，然后迅速跌落下來； 45：卸料工序，攪拌筒繼續以14-18rpm的速度反轉，驅動力矩隨混凝土的卸出而逐漸下降； 56：空筒返回，攪拌筒內加入適量清水，返程行駛中攪拌筒作3rpm的返向轉動，對其進行清洗，到達混凝土工廠，排出污水，準備下一個循環。3.2 驅動阻力矩計算 攪拌筒驅動阻力矩由拌筒與支承系統的摩擦阻力矩與拌筒攪拌阻力矩共同組成，其以拌筒攪拌阻力矩最難計算。 1） 積分公式計算方法a.拌合料與筒壁間的摩擦力矩，拌合料與筒壁或與攪拌葉片間的單位摩擦力f 式中，k1粘著系數，kn/m2；k2速度系

26、數，kn/m2；v拌合料速度；s混合料的坍落度。 式中： b.拌合料與攪拌葉片間的摩擦阻力矩 圖3.2螺旋葉片斷面投影 圖3.2為拌筒內螺旋葉片的端面投影。任取一半徑r，該半徑對應的葉片螺旋開角k(近似認為對應于各r處的螺旋開角，均等于中徑上的螺旋開角)。v2拌合料與攪拌螺旋葉片間的相對滑移速度 式中：r1攪拌螺旋葉片斷面投影最小半徑r2攪拌螺旋葉片斷面投影最大半徑c.流動阻力矩微元面積設混凝土的單位平均流動阻力系數為p，則取微元面積上的法向阻力周向阻力對攪拌筒軸線的阻力矩 d.由筒體的轉動引起的偏載，對攪拌筒的阻力矩見圖3.2.1拌合料在隨拌筒攪拌的同時，由于拌合料受到與筒壁和攪拌葉片間的摩

27、擦阻力矩的作用，使拌合料向轉動方向提升，其重心偏向轉動一側。出現偏心距e，對拌筒運動產生阻力矩。e值的精確確定目前還有困難，除與拌筒結構有關外，還與拌合料的性質有關。只能采取先近似計算，再用實驗驗證的方法確定。對拌合料來說，共受到三個力矩的作用：即偏心力矩、與簡體的摩擦力矩、與葉片的摩擦力矩。由力矩平衡條件得： 圖3.2.1攪拌筒偏載示意圖對簡體來說，又受到由于拌合料的偏心距，產生的阻力矩作用，在數值上等于。 2）lieberherr的經驗公式 實驗測得： 式中：r偏心距，一般取0.1m；f混凝土重量3.3 攪拌筒驅動功率的計算 按求得的拌筒攪拌阻力矩，再根據傳動系統的總效率，拌筒與支撐系統的

28、摩擦阻力矩及拌筒轉速n，即可求出攪拌筒的驅動功率n(kw) 式中：攪拌筒支撐機構所克服的摩擦阻力矩；一般取為4000-5000nm 攪拌筒攪拌阻力矩；機械效率，一般0.8-0.9c考慮峰值的影響系數，1.2-1.4；n轉速，rpm設：當攪拌筒轉速為12rpm時，設混凝土重量2400，攪拌筒實際容積按5計算，則計算出攪拌筒的驅動功率為：因為攪拌筒的驅動功率一般是從攪拌車發動機中直接取力，在計算攪拌車發動機功率時，要在攪拌筒驅動功率的基礎上，再加上汽車驅動功率、爬坡功率等。4. 螺旋葉片的設計及仿真 攪拌運輸車的攪拌筒所以有攪拌和卸料等工作性能，主要是因其內部特有的兩條螺旋葉片推動混凝土沿攪拌筒軸

29、向和切向產生復合運動的結果。因此攪拌葉片的螺旋曲線直接影響攪拌與運輸混凝土的性能。在其幾何設計中，鑒于我國車輛在道路右側行駛的規定，攪拌運輸車攪拌筒旋轉方向為，面向車尾看，順時針旋轉時為進料、攪拌或攪動，逆時針旋轉時為出料，所以攪拌筒的兩條螺旋葉片應為互錯180度的左旋螺旋葉片。如圖4.1。 母線(直線或曲線)在繞軸線作勻速圓周運動的同時，沿軸線方向作勻速或變速直線運動，該母線的運動軌跡形成等螺距或變螺距螺旋面。母線為直線形成直紋螺旋面;母線為曲線形成非直紋螺旋面。攪拌運輸車中常用的螺旋面是直紋正螺旋面(母線和軸線正交)和直紋斜螺旋面(母線和軸線斜交)兩種螺旋面。圓柱面或圓錐面同該螺旋面的交線

30、分別稱為圓柱螺旋線或圓錐螺旋線。螺旋線的切線和圓柱面或圓錐面的母線之間的夾角稱為螺旋角，用表示。 1 夾卡套 2 輔助葉片 3 進料管 4 滾道 5 拖輪 6 入孔 7 筒體 8 葉片 9 輔助攪拌葉片10連接法蘭 圖4.1螺旋葉片內部結構4.1螺旋葉片上螺旋角的確定 由于不同的圓錐面(或圓柱面)與同一螺旋面相交的螺旋線是不同的，因此螺旋角也不同。在設計拌筒螺旋葉片結構之前，螺旋葉片上螺旋角的確定就顯得格外重要。a.螺旋角的表示 圖4.1.1給出了錐、柱螺線的視圖和內壁展開圖。螺線上任意一點m的對應的投影和展開位置用m、和m表示。中為m點平面投影m的位置角。圓錐段的圓錐面展開面為一扇形面，為扇

31、形角，為m點在展開面上的位置角，所以=om。 圖4.1.1螺旋線及展開圖由上述幾何關系可知：。設螺線上另一點n，其相應的位置參量為。當n和點m無限接近的時候，直線mn就是m點切線，而且其螺旋角滿足：b.內外圓錐(或圓柱)上螺旋角的關系斜螺旋面的任意一條母線n分別與內錐、外錐相交于點1和2，內、外錐的半錐角分別為1、2，以為原點建立坐標系，n線與x軸的夾角為µ。見圖4.1.2 圖4.1.2螺旋線轉面投影圖設母線n繞z軸旋轉無限小角到達母線的位置，線與內外錐分別相交于點1和2，z軸分別和n、組成兩個縱截面，并轉面重疊投影。由圖4.1.2可知：設p1和p2分別為點1和點2的螺旋角，由此可得

32、出:內錐；外錐：這就是同一螺旋面在不同圓錐面(圓柱面)上產生的螺旋線的螺旋角之間的關系式。在進行分析時，經常會用到下列幾種情況：4.2攪拌葉片的母線方程攪拌葉片在前錐和后錐部分采用的是對數螺旋線，其母線的方程為： 其中為螺旋角，為初始極徑；為半錐角；為螺旋轉角。當是一定值時，螺旋線為等角對數（圓錐）螺旋線；當是一個變量時，該螺旋線即為非等角對數螺旋線。中圓攪拌葉片采用圓柱螺旋線，其母線方程為： 其中為圓柱底半徑，為螺旋轉角，為螺旋角。 基于ug的水泥攪拌筒葉片螺旋曲線的設計。筒體前錐和后錐采用具有等升角的對數螺旋葉片，圓柱段采用不等升角的阿基米德螺旋葉片。為了同時保證攪拌均勻和出料干凈，將前錐

33、螺旋角設計為60°后錐螺旋角設計為75°圖4.2所示的螺旋線方程為： 式中 螺旋線起點的極徑； 極徑； 半錐角； 極徑在坐標系xoy的投影與y軸的夾角，即圓錐對數螺旋線的螺旋轉角； 圓錐對數螺旋線的切線與圓錐母線的夾角，即圓錐對數螺旋線的螺旋角。 圖4.2.1所示的圓柱阿基米德螺旋線的方程 式中 r圓柱半徑； 螺旋轉角； 螺旋角。 圖4.2 圖4.2.14.3攪拌葉片設計攪拌運輸車攪拌筒內的兩條螺旋葉片，是攪拌運輸車設計的重要部件。它的結構形狀對攪拌運輸車進、出料性能及混凝土的攪拌質量有一定影響。目前，設計的攪拌運輸車螺旋葉片，多采用斜圓錐對數螺旋面。設計中，將空間螺旋面葉

34、片分段展開成平面圖形。制造中根據設計的平面圖形下料經鍛壓成型后，焊接在攪拌筒內壁上。所以，葉片展開成平面圖形的準確程度，是使攪拌運輸車性能達到要求的重要因素之一。而空間螺旋面理論上是不可展開曲面由于制造工藝的需要我們常常采用近似展開法加以處理。在設計時，采用制圖中的“三角形”法的原理并借用計算機對空間斜圓錐對數螺旋面葉片進行展開計算。螺旋面理論上是不可展開曲面，由于制造工藝的要求，常采用近似展開法進行處理，以滿足制造要求。我們在設計中，利用將空間葉片第i點至第i十1兩等分點之間的一小段葉片，近似地看作一梯形，如圖4.3所示。只要算出第i點至第i+1兩等分點之間葉片根部及頂部斜圓錐對數螺旋線上點

35、c、b、d、a的坐標值，就可根據空間任意兩點間距離公式得出圖中任意兩點間的距離，即ab、bc、cd、da、db。還可把第i點至第i+1兩等分點之間這一小段葉片展開，通過計算機進行循環計算，然后利用“三角形”法，將整個螺旋葉片展開。只要在螺旋葉片設計中，兩等分點之間的間隔控制在一定范圍內，展開的螺旋葉片平面圖，就可達到一定的精度要求。 圖4.3葉片頂部 本設計是在三段式梨形攪拌筒外形尺寸不變的前提下進行的。攪拌筒的外形優化暫不考慮。根據攪拌葉片有三段擬合而成的特點，我們分別對前錐、中圓和后錐的葉片采取不同的型線規律。 圖4.3.1非等變角對數螺旋線正視圖和右視圖 b(mm)前錐380中圓380后

36、錐圖中標記a、b處是各段葉片的擬合接合點 表4.3攪拌葉片基本設計參數知道了內外螺旋線的方程，我們就可以在軟件中繪制出內外螺旋線的圖形，然后利用掃略功能，做出攪拌葉片的實體模型,如圖4.3.2所示。 圖4.3.2葉片實體模型 后錐中圓前錐螺旋線規律螺旋角表達式螺旋線規律螺旋角表達式螺旋線規律螺旋角表達式非等變角對數螺旋線等變角遞增圓柱螺旋線非等變角對數螺旋線等變角遞減對數螺旋線等角圓柱螺旋線等變角遞減對數螺旋線底部和與中圓接口處為離散點，中間為等角對數螺旋線。等角圓柱螺旋線頂部和與中圓接口處為離散點，中間為等角對數螺旋線。 表4.3.1 攪拌葉片設計規律與參數4.4攪拌葉片的仿真設計和模態分析

37、計算機仿真也是對一個數學模型進行的試驗研究，計算機仿真具有周期短，投入少，避免了實際試驗所承擔的成本浪費、試驗風險和危險。特別是用于大數據的計算更顯出其優越性。計算機仿真作為新的實驗研究的方式，可以為實際的試驗研究提供參考和思路。實驗研究和計算機仿真研究相結合，相輔相成，取長補短，對于課題的研究非常有利。我們在理論研究的基礎上，初步對設計的攪拌系統進行了數值模擬和仿真，下面是一些截圖基于在ug下建立的，如下圖所示的葉片與罐總成裝配模型，通過ug的仿真功能，實現了葉片與罐的運動仿真。本文采用8.5lp混凝土攪拌車為模型進行研究如下圖所示。 其中，圖4.4.1-4.4.3為攪拌筒各段圖，圖4.4.

38、4為攪拌葉片造型圖；圖4.4.5-4.4.7為實體建模圖；圖4.4.8為運動仿真圖。 圖 4.4攪拌系統尺寸圖建模過程如下： 圖4.4.1前錐 圖4.4.2中柱圖 圖4.4.4 攪拌葉片 圖4.4.5 前支撐 圖4.4.6 連接法蘭 圖4.4.7攪拌罐三維實體裝配模型 圖4.4.8 運動模擬 模態分析是機械和結構動力學中一種極為重要的分析方法, 是將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標,采用有限元法形成系統的離散數學模型- 質量矩陣和剛度矩陣,使方程組解耦,成為一組以模態坐標和模態參數描述的獨立方程,以便求出系統的模態參數的方法。經過模態分析, 攪拌葉片的前六階振型如下圖所示。

39、 第1階模態是一階橫向彎曲振動,攪拌葉片右側振幅較大,左端變形較小；第2階模態是一階縱向振動,葉片左端振幅很大,葉片中部產生很大的彎曲應力；第3階模態是葉片結構的二階橫向彎曲即出現了扭轉和彎曲的復合變形, 葉片中部的振幅較大；第4階模態是葉片結構的二階縱向彎曲即出現了葉片在水平面內的左右扭轉,葉片中部的變形量較大；第 5 階和第 6 階模態葉片結構在各個方向均出現了大范圍的彎曲和扭轉,葉片中部變形量較大。這些局部振型表明葉片各部位剛度存在不均勻的現象。混凝土攪拌車在攪拌的過程中受到新拌混凝土在各個方向上的沖擊作用, 這類載荷最易激發葉片結構的彎曲模態；當在路上行駛時, 由于路面的凹凸不平,葉片

40、承受更多的非對稱載荷, 此時最易激發葉片結構的扭轉模態。因此, 攪拌葉片的彎曲及扭轉振動是其結構動態特性的主要表現形式。5. 攪拌葉片結構應力分析 ansys有限元的計算，就是將形狀復雜以及受力情況復雜的零件化分為有限數目的單元，再分別計算這些單元的受力和變形情況，然后將這些單元整合起來，就形成了整個零件的受力變形圖。5.1物理模型與網格劃分 計算采用專用汽車公司的8.5lp型攪拌車的攪拌罐。根據罐體尺寸在ug中對攪拌設備進行建模，將生成的模型以iges的格式導入到icem中，如圖5-1所示，進行網格劃分，考慮到幾何造型比較復雜，在這里采用四面體網格進行劃分，劃分后的網格如圖5-2所示。工作介

41、質為新拌混凝土，計算中攪拌葉片轉速為12rmin，相應的雷諾數re=2.7×103，故罐內液體處于湍流模式。 圖5-1攪拌系統模型 圖5-2攪拌葉片網格劃分邊界條件：采用的材料為水，水泥，砂子，石子的混合物，其配比為：0.45：1：1.48：3.15。本文假定了葉片進口邊的流速v=1ms，流體密度2400kgm3，流體粘v=0.01kgm·s，進口邊的壓力為101kpa，出口邊的壓力為0，與葉片接觸的流體滑移流速為0。求解過程中各松弛因子為：壓力項0.3，速度項0.7，湍動能項和湍流粘性系數項0.5，湍流耗散率項0.3。進口條件為速度進口，出口條件為壓力出口。臨近固壁的區域

42、采用壁面函數，固壁面采用無滑移邊界條件。在差分格式中，壓力項采用標準格式。速度項，湍動能項和湍流粘性系數項均采用一階迎風差分格式，壓力與速度之間的耦合算法為simple算法。5.2 數值模擬結果正轉攪拌工況根據計算方法與邊界條件，用cfx對正轉時攪拌罐內流場進行分析，運行后，得到罐體內的流場速度矢量如圖5-3，圖5-5和圖5-6分別為罐體在軸向和周向的速度矢量圖，其中圖5-4為在軸截面的速度分布圖。罐內流體流線如圖5-7所示，攪拌葉片和罐體軸截面的壓力分布如圖5-8和圖5-9所示，圖5-10，5-11，5-12分別為攪拌罐內流體的x，y，z坐標值隨時間的變化率： 圖5-3 罐體流場速度矢量圖

43、圖5-4 軸截面速度分布圖 圖5-5 周向速度矢量圖 圖5-6 軸向速度矢量圖 圖5-7 罐內流體流線圖 圖5-8 攪拌葉片壓力分布圖 圖5-9 罐體軸截面的壓力分布 圖5-10 罐內流體x坐標值隨時間的變化 圖5-11 罐內流體y坐標值隨時間的變化 圖5-12 罐內流體z坐標值隨時間的變化 反轉卸料工況 用cfx對強迫出料工況攪拌罐內流場進行分析，得到罐體內的流場速度矢量如圖5-13所示，圖5-15和圖5-16分別為罐體在軸向和周向的速度矢量圖，其中圖5-14為在軸截面的速度分布圖。罐內流體流線如圖5-17所示，攪拌葉片和罐體軸截面的壓力分布如圖5-18和圖5-19所示，圖5-20，5-21

44、，5-22分別為攪拌罐內流體的x，y，z坐標值隨時間的變化率： 圖5-13 罐體流場速度矢量圖 圖5-14 軸截面速度分布圖 圖5-15 周向速度矢量圖 圖5-16 軸向速度矢量圖 圖5-17 罐內流體流線圖 圖5-18 攪拌葉片壓力分布圖 圖5-19 罐體軸截面的壓力分布 圖5-20 罐內流體x坐標值隨時間的變化 圖5-21 罐內流體y坐標值隨時間的變化 圖5-22 罐內流體z坐標值隨時 間的變化從以上各圖可知：攪拌罐在正轉和反轉過程中的壓力、流速在葉片內部分布是不均勻的，流體在罐體中的運動非常復雜，隨著半徑的增大，相對速度有上升的趨勢。當攪拌罐正轉時，在葉片后錐與中圓處的速度最大，此處壓力

45、也最大，那么這里的葉片也最容易遭到破壞，所以在底錐和中圓處要采用較厚的葉片。而且葉片與筒壁的接合處所受壓力很大，這就要求在葉片焊接時進行滿焊。當攪拌葉片反轉時，中圓到前錐段流體速度最快，此處攪拌葉片受到的壓力也最大，這與理論分析的結果是一致的。總結 通過這次的畢業設計，讓我學會了很多有關專業的知識，使對專業得到進一步的了解，學到了以下幾點： 第一 學會了產品設計的方法。產品設計過程是創造性的過程，產品的設計應按科學的程序進行，一般包括課題調研，擬定設計方案、總體設計、零件設計、技術資料整理、產品試制、改進設計等過程，一個產品經過多次改進，才能完善成熟。 第二 提高了綜合應用各科知識的能力。以前

46、課程設計接觸課程知識比較窄，而且時間有限，即使發現問題也不能及時的改進，借用這次機會再把專業知識做了系統的了解。 第三 鞏固了計算機繪圖的能力。以前所繪的工程圖，標注配合公差毒標注不完整，在這次畢業設計不僅提高了自己的作圖能力，更是培養了自己細致的作圖習慣。 第四 提高了收集資料和查閱的能力。收集資料是做畢業設計的前期準備工作，資料是否全面可靠關系到整個畢業設計的進程。查閱手冊是設計過程中隨時要做的事情。只有廣泛收集有用的資料才能設計出較好的產品。 第五 培養了嚴謹的科學作風。科學工作來不得半點虛假，在設計過程中每個結構、零件、材料、尺寸、公差都反映在圖紙上，每一個錯誤都會造成經濟損失，因此，在設計的過程中，必須要有高度的責任