混凝土搅拌车搅拌筒设计基本方法.docx

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a的取值可参照下表1.1:公称搅拌容量（m 3）搅拌倾斜角（o）拌筒最大转速（r/min）1.0，（1.5），2.0，（2.5）18〜2014〜183.0，（4.0），4.5，（5.0），6.016〜18（7.0），8.0，（9.0），10.0，12.010〜15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a =a + arctan（0.14） xa+ 8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：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 < 1.25mL =c -r 1-1L = c - rc取值范围1.4〜1.81c取值范围0.8〜0.972七为进料口半径，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0取值范围14.2o〜16.1o 1后锥角02取值范围15o〜20o2. 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：1-22.1计算示意图T7 hf’b,、 b、 3R2 -2Rb + b2V =— [R3( - 1)arccos(1- ) H v2Rb-b2 ] 2-1a b R R 3,, ，一， h 若a为已知，-可用代替cot a b2.1.2圆锥截段计算公式V =1HS -1 hS 2-2b 3 13 2h = —^ cos P-sin(a + P)其中，圆锥截段弓形的面积2-3S = R2 arccos ―r-^ 一 J2Rh 其计算分三种情况a.当以 0S = (l + 匕)(bl + cl 2 +——^2 arccos(i+^^) 2-62 2c ' i i 4(-c )32 bi i i图2.2圆柱截台计算示意图2.1.3圆柱段搅拌筒计算V^一圆柱截台，是两个圆柱截段之差匕=匕i -匕2Vi = £ W (R - i)arccos(i-号)+ (3R 2 - 2 件 + b;)』2 件-b;] iV =么[3R3&-i)arccos(i-髦 + (3R2 -2Rb + b2)(2Rb -b2]a2 3b R R 2 2，k 2 22-7V = 3 b {3A3[(R - l)arccos(l - R) - (§ - 1)arccos(1 - §)] + 2 (3R2 - 2Rb1+ b;)j2Rb1 - b; ] - (3R2 - 2Rb^ + b;)j2Rb? — b;}2.1.4前锥圆锥段搅拌筒计算七是一个圆锥台截段，圆台截段就是两个圆锥截段之差，如图2.3所示:H图2.3小圆锥截台计算示意图V = 1( HS - hS ) - 1( HS'-hS')2 3 1 2 3 1 2V = 3[ H (S1 - S') - h( S 2 - S2)] 2-82.1.5后锥圆锥段截台计算公式V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 3V = 1 兀 H (R 2 + R 2 + R - R ) - f33 ° 1 1 1V = 1 兀 H (R2 + R2 + R - R ) - 1[H(S - S') - h(S -S')] 2-933 ° 1 1 3 1 1 2 2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V存在以下经验公式: jV< 0.5 ~ 0.65Vj2.3. 重心位置的计算2-10X = (VX + VX + VX )/(V + V + V)1 1 2 2 3 3 1 2 3Y = (VY + VY + VY )/(V + V + V)11 22 33 1 2 3体积的计算如前其中X , Y(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: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 3-1M疽M筒摩* M叶摩+ M流阻+ M偏 3-23.2.1积分公式计算方法a.拌合料与筒壁间的摩擦力矩M “徐筒摩如图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3-3k = (3 - 0.1x s) x 9.8 x10-2k2 = (4 - 0.1x s) x 9.8 x 10-2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 =£ f x S x Uk+ kxV) x S x d 3-4筒摩 ^ i 2 1 2 i i 2式中：V-搅拌螺旋叶片外圆线速度iS;-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 d'-锥筒各段试验计算直径iS‘ = (0.6 ~ 0.8)xlx d -d (h + d) 3-5i 2 |_ 2 i i 23-63-7S2 — (0.5 ~ 0.7) x 兀 x d2 x h3S' = (0.3 〜0.5) x d2 + d3 x 兀 x h3 2 2―八dd — d +—edd' = d + -23d' = d3 3b..拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩M叶摩图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 =r - f - dA - cos 人二(K1 + K V2) - 2兀・ r2 - drV2——拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度n - 2兀• r 兀 nrV = = —2 60cos 人 30cos 人• r 2 • drdM叶摩・•・M =j R2(K + K Kn\ )• 2兀r2dr3-8叶摩 r 1 2 30cos人=-兀K (R3 -R3)+ n2K2n (R4 -R4)3 12 1 60cos人2 1式中：R1——搅拌螺旋叶片断面投影最小半径R；——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兀• rdr)/cos人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2兀p ,dF = p • dA = • rdrcos人周向流阻dF = dF • sin X = 2兀• p • tan 人• rdr周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩dM 流=r • dF = 2兀• p • tan X • r 2dr…一 2 ― 一一M 流=j R2 dM 流=3 兀 p • tan X (R3 - R3) 3-9其中？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/m2d.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：£ M = 0Ge - M筒摩一、摩=0Ge = M筒摩+ M叶摩图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,、作用，在数值上等 偏于Ge M偏=M筒摩* M叶摩、=¥（M筒摩+ M叶摩）+ M流阻 3-102.2.2Lieberherr的经验公式M = M“ + M = F x rM = 2 x F x r + M搅 流阻实验测得：M流阻牝0.5 x F x r:.M搅=2.5 x F x r 3-11式中：r 偏心距，一般取0.1m；F 混凝土重量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不，拌筒与支撑系统的 摩擦阻力矩M及拌筒转速n，即可求出搅拌筒的驱动功率N（kw）支N = C （M 支 + M 搅）n/716.2门=CM 驱 n/716.2 门 3-12式中：M支一一搅拌筒支撑机构所克服的摩擦阻力矩；M搅一一搅拌筒脚板阻力矩；n ——机械效率，一般0.8-0.9C——考虑峰值的影响系数，1.2-1.4；n 转速，rpm4、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 同时，其下滑角的大小也不同图4.1是混凝土下滑角甲与坍落度s关系曲线图， 该图由试验所得图4.1甲一s关系曲线图由曲线图可知，混凝土的坍落度越小（s<5cm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ACo图4. 2斜面及最大倾斜面s方向由图4. 2可得:sin。