【正文】 展。在以國(guó)家“十一五”規(guī)劃、中西部大開發(fā)戰(zhàn)略的大背景下，以及北京申辦 2021 年 29屆夏季奧運(yùn)會(huì)成功的帶動(dòng)下，加大城市建設(shè)成為不變的潮流。 建設(shè)容量的加大，就意 味著混凝土的消費(fèi)量加大?；炷烈呀?jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)文明的基石，越來越發(fā)揮著不可替代的作用。伴隨著我國(guó)政府頒布的終結(jié)現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土條文的實(shí)施， 從 2021 年起，我國(guó) 240 多個(gè)城市要全面使用商品混凝土，作為城市中唯一合理的運(yùn)輸預(yù)拌混凝土工具，混凝土攪拌運(yùn)輸車的作用就顯得尤為重要。 雖然混凝土攪拌車的市場(chǎng)前景異常樂觀，但是我國(guó)混凝土攪拌車生產(chǎn)的一些薄弱環(huán)節(jié)尤其是基礎(chǔ)理論方面研究的薄弱卻不容忽視。本課題針對(duì)中國(guó)重汽集團(tuán)專用汽車公司生產(chǎn)的混凝土攪拌車（如圖 ）目前還存在著攪拌葉片使用壽命短、攪拌振動(dòng)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。并得到國(guó)家自然科學(xué)基金 基于流變學(xué)的混凝土攪拌葉片理論研究、山東省自然科學(xué)基金 基于流變學(xué)的混凝土攪拌車攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論研究的資助。 圖 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 混凝土攪拌車攪拌系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)方面： 1965 年上海華東建筑機(jī)械廠引進(jìn)了我國(guó)第一臺(tái)混凝土攪拌車。我國(guó)混凝土攪拌車的開發(fā)生產(chǎn)始于二十世紀(jì)八十年代初期，開始基本 上是引進(jìn)散件組裝，或者通過技貿(mào)方式引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)與部分零部件引進(jìn)相結(jié)合的生產(chǎn)制造模式。從1982 年開始，一些企業(yè)相繼引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過 20年的發(fā)展，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率不斷提高，產(chǎn)量也有了很大的提高。在產(chǎn)品系列上，形成了 3 m 4 m5 m 6 m 8 m 10 m 12 m3等品種， 8 m3以下正在逐漸淘汰，向著 10 m12 m3甚至更大容積發(fā)展，但整機(jī)性能與國(guó)外相比還有一定差距。如今，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)混凝土攪拌車的攪拌系統(tǒng)研究主要是引進(jìn)消化國(guó)外的技術(shù)或者仿制國(guó)外產(chǎn)品為主，自主開發(fā)很少，在 理論方面的研究比較匱乏，國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)多靠測(cè)繪和技術(shù)引進(jìn)，甚至在攪拌葉片的生產(chǎn)安裝過程中，局部敲打、硬性整合現(xiàn)象屢見不鮮。雖然國(guó)內(nèi)一些高校也在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，如武漢理工大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)等。但他們主要是對(duì)攪拌筒進(jìn)行設(shè)計(jì)繪制，對(duì)于攪拌葉片設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬研究很少。 國(guó)外方面： 19世紀(jì) 40 年代出現(xiàn)以蒸汽為動(dòng)力源的木制多面體拌筒的自落式攪拌機(jī)， 19世紀(jì) 80年代用鋼鐵件代替木板。 20世紀(jì)初開始改良為圓柱形攪拌筒。 1926 年美國(guó)生產(chǎn)出攪拌容積為 3m3的第一臺(tái)混凝土攪拌車。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(duì)數(shù)螺旋線設(shè)計(jì)制造攪拌葉片，后來又在此基礎(chǔ)上對(duì)局部葉片的螺旋角進(jìn)行了修正，逐漸形成了現(xiàn)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。 2021 年，美國(guó)的 CHRISTENSON RONALD E 在原來攪拌筒的基礎(chǔ)上，在底錐添加輔助攪拌葉片改進(jìn)了傳統(tǒng)的攪拌葉片； 2021 年澳大利亞的 KHOURI ANTHONY JAMES 采用兩條螺旋鋼板焊接作為內(nèi)筒壁，合成樹脂作為外筒壁，改進(jìn)了傳統(tǒng)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(guó)的馬克西姆等公司推出了超長(zhǎng)攪拌筒的前卸式攪拌車，拌筒前錐加長(zhǎng)，架在駕駛室上方，于駕駛室前方出料。成為攪拌車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的產(chǎn)品，但攪拌葉片設(shè)計(jì)仍然沿承了對(duì)數(shù)螺旋線葉片設(shè)計(jì)方法。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 目前，國(guó)外的攪拌設(shè)備研究逐漸向著多功能、自動(dòng)監(jiān)控、多樣化、成套化發(fā)展，如單、雙臥軸式攪拌機(jī)、振動(dòng)式攪拌機(jī)、強(qiáng)制式攪拌機(jī)，多種混凝土攪拌樓等。攪拌車研究更傾向于上裝技術(shù)、耐磨材料的研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，本文改變傳統(tǒng)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(shù)得到了改 善，提出了用有限元軟件對(duì)攪拌葉片進(jìn)行數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)驗(yàn)證了理論方法的可行性。 研究目的 通過對(duì)攪拌葉片的設(shè)計(jì)分析，找出攪拌葉片的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)攪拌葉片進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)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(chǎn)成本，達(dá)到更好的攪拌出料效果。 研究意義 一輛混凝土攪拌車的售價(jià)在 40～ 80 萬(wàn)之間，其中一個(gè)混凝土攪拌系統(tǒng)造價(jià)大約 10萬(wàn)元。平均使用 3年左右即告報(bào)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(guān)鍵中的關(guān)鍵，攪拌葉片 的性能好壞直接決定攪拌運(yùn)輸車的性能，進(jìn)而影響著基礎(chǔ)建設(shè)的質(zhì)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(zhì)量具有重要的的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 充分的文件檢索和實(shí)際調(diào)研表明，了解螺旋葉片出料機(jī)理分析是設(shè)計(jì)攪拌裝置的基礎(chǔ)。也是生產(chǎn)具有更好攪拌性能但又不降低混凝土質(zhì)量的基礎(chǔ)。沖擊小、響應(yīng)決而且效率高的液壓系統(tǒng)是攪拌運(yùn)輸車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒之所以具有攪拌和卸料的功能，主要是因?yàn)榘柰矁?nèi)部特有的兩條連續(xù)螺旋葉片在工作時(shí)形成螺旋運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)混凝土沿?cái)嚢柰草S向和切向產(chǎn)生復(fù)合 運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。因此兩條葉片的螺旋曲線的形式及結(jié)構(gòu)直接影響攪拌筒的工作性能。本論文應(yīng)用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理闡述螺旋葉片的工作原理并對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行理論分析。為螺旋葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 攪拌筒既是攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸混凝上的裝載容器，又是攪拌混凝土的工作裝置。幾何設(shè)計(jì)是攪拌筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它包括幾何容積計(jì)算、外形尺寸南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 的確定、攪拌筒有效容積及滿載時(shí)重心位置計(jì)算。本論文對(duì)攪拌筒進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)。 螺旋葉片的幾何參數(shù)直接影響攪拌筒的攪拌和卸料性能。目前，應(yīng)用于攪拌運(yùn)輸車的拌筒葉片螺旋面的形式有 :正螺旋面、圓錐對(duì)數(shù)螺旋 面兩種。本論文對(duì)攪拌筒內(nèi)螺旋葉片曲線參數(shù)的選擇及展開進(jìn)行計(jì)算，并加以 攪拌系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)模擬 。 攪拌運(yùn)輸車攪拌筒絕大部分都采用梨型結(jié)構(gòu)，通過支承裝置斜臥在機(jī)架上，可以繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌筒的后上方只有一個(gè)筒口分別通過進(jìn)出料裝置進(jìn)行裝料或卸料。圖 為其外部結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)攪拌筒的殼體是一個(gè)變截面而不對(duì)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(lián)結(jié)。上段錐體的過渡部分有一條環(huán)行滾道，它焊接在垂直于攪拌筒軸線的平面圓周上，整 個(gè)攪拌筒通過連接法蘭和環(huán)形滾道頃斜臥置在固定與機(jī)架上的減速器殼體和一對(duì)支承滾輪所組成的三點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)上，由減速器帶動(dòng)平穩(wěn)的繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在攪拌筒滾道圓周上部，通常設(shè)有鋼帶護(hù)繞，以限制攪拌筒在汽車顛簸行駛時(shí)向上跳動(dòng)。機(jī)架由水平框架、前臺(tái)、后臺(tái)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(gè)整體。最后通過水平框架與載運(yùn)底盤大梁用螺栓連接在一起。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 攪拌筒的工作原理用圖 來說明。圖為通過攪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?cè)O(shè)定圖 a 所示方向?yàn)椤罢颉?，圖b 所示方向?yàn)椤胺聪颉薄９ぷ鲿r(shí)，攪拌筒繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，混凝土因與筒壁和葉片的摩擦力和內(nèi)在的粘著力而被轉(zhuǎn)動(dòng)的筒壁沿圓周帶起來，但在達(dá)到一定高度后，必在其自重 G 作用下，克服上述摩擦力和內(nèi)聚力而向下翻跌和滑移。由于攪拌筒在連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以混凝土即在不斷的被提升而又向下滑跌的運(yùn)動(dòng)中，同時(shí)受筒壁 和葉片所確定的螺旋形軌道的引導(dǎo)，產(chǎn)生沿?cái)嚢柰睬邢蚝洼S向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，使混凝土一直被推移到螺旋葉片的終端。 當(dāng)攪拌筒做圖 a 所示方向的“正向”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，混凝土將被葉片連續(xù)不斷的推送到攪拌筒的底部，同時(shí)到達(dá)筒底的混凝土勢(shì)必又被攪拌筒的端壁頂推翻轉(zhuǎn)回來，這樣在上述運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上又增加了混凝土上下層的軸向翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了攪拌筒對(duì)混凝土進(jìn)行充分?jǐn)嚢璧哪康摹? 當(dāng)攪拌筒做圖 b所示方向的 “反向”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片的螺旋運(yùn)動(dòng)方向也相反，這時(shí)混凝土被葉片引導(dǎo)向攪拌筒口方向移動(dòng)直至筒口卸出，從而達(dá)到卸料目的。 Ga) b)λλGγγ圖 攪拌工作原理 攪拌筒的 整體構(gòu)成 混凝土攪拌車由汽車底盤和混凝土攪拌運(yùn)輸專用裝置組成。我國(guó)生產(chǎn)的混凝土攪拌運(yùn)輸車的底盤多采用整車生產(chǎn)廠家提供的二類通用底盤。其專用機(jī)構(gòu)主要包括取力器、攪拌筒前后支架、減速機(jī)、液壓系統(tǒng)、攪拌筒、操縱機(jī)構(gòu)、清洗系統(tǒng)等。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 工作原理是，通過取力裝置將汽車底盤的動(dòng)力取出，并驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的變量泵，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能傳給定量馬達(dá)，馬達(dá)再驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌裝置，對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌。 取力裝置 國(guó)產(chǎn)混凝土攪拌運(yùn)輸車采用主車發(fā)動(dòng) 機(jī)取力方式。取力裝置的作用是通過操縱取力開關(guān)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力取出，經(jīng)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌筒，攪拌筒在進(jìn)料和運(yùn)輸過程中正向旋轉(zhuǎn)，以利于進(jìn)料和對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌，在出料時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，在工作終結(jié)后切斷與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力聯(lián)接。 液壓系統(tǒng) 將經(jīng)取力器取出的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，轉(zhuǎn)化為液壓能（排量和壓力），再經(jīng)馬達(dá)輸出為機(jī)械能（轉(zhuǎn)速和扭矩），為攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。 減速機(jī) 將液壓系統(tǒng)中馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速減速后，傳給攪拌筒。 操縱機(jī)構(gòu) （ 1）控制攪拌筒旋轉(zhuǎn)方向，使之在進(jìn)料和運(yùn)輸過程中正向旋轉(zhuǎn)，出料時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。 （ 2）控制攪拌筒的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)混凝土沿葉片的螺旋方向運(yùn)動(dòng)，在不斷的提升和翻動(dòng)過程中受到混合和攪拌。在進(jìn)料及運(yùn)輸過程中，攪拌筒正轉(zhuǎn)，混凝土沿葉片向里運(yùn)動(dòng)，出料時(shí)，攪拌筒反轉(zhuǎn)，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(yán)重磨損會(huì)導(dǎo)致混凝土攪拌不均勻。另外，葉片的角度如果設(shè)計(jì)不合理，還會(huì)使混凝土出現(xiàn)離析。 清洗系統(tǒng) 清洗系統(tǒng)的主要作用是清洗攪拌筒，有時(shí)也用于運(yùn)輸途中進(jìn)行干料拌筒。清洗系統(tǒng)還對(duì)液壓系統(tǒng)起冷卻作用。 攪拌筒既 是攪拌運(yùn)輸車的運(yùn)輸混凝土的裝載容器，又是攪拌混凝土的工作南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 裝置。所以對(duì)它的設(shè)計(jì)有以下基本要求 :有足夠的有效的裝載容量 :滿足規(guī)定的攪拌和裝卸料性能；在結(jié)構(gòu)上適應(yīng)運(yùn)載底盤和運(yùn)輸中攪拌工作特點(diǎn)；具有適當(dāng)?shù)氖褂脡勖?(耐磨性能 )。攪拌筒設(shè)計(jì)分幾何設(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，幾何設(shè)計(jì)是金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本節(jié)主要介紹拌筒的幾何設(shè)計(jì)。 圖 由于攪拌筒是斜置安裝在運(yùn)載底 盤上，因此其結(jié)構(gòu)尺寸受到運(yùn)載混凝土的容積、所選底盤結(jié)構(gòu)尺寸及保證運(yùn)送混凝土的質(zhì)量等因素的的影響，如攪拌筒的斜置角 α ，混凝土表面與攪拌筒軸線的夾角 α 0，前后錐的錐角 α α 2。同時(shí)運(yùn)輸車必須保證在坡度為 14%的路面上行駛且出料口面對(duì)下坡方向時(shí)不產(chǎn)生外溢，取 0 a r c ta n( ) 8? ? ?? ? ? ? 根據(jù)中華人民共和國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，攪拌筒的斜置角 α 的取值可參照下表 表 根據(jù)文獻(xiàn)，將各形狀參數(shù)化為主參數(shù) r(攪拌筒最大半徑，根據(jù)交通法規(guī)的要求 Y2小于等于 )可 得 : α201αα南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 11L c r?? 32L c r?? 12~~cc 取 值 范 圍 值 范 圍 2r 為進(jìn)料口半徑，取值范圍 250310mm 中圓的長(zhǎng)度要結(jié)合攪拌筒的額定容積確定。 前半錐角 1 1 4 .2 ~ 1 6 .1? 取 值 范 圍 后半錐角 2 15 ~ 20? 取 值 范 圍 切割法求 裝載容積 圖 是混凝土攪拌輸送車攪拌筒的側(cè)面圖，它是由圓柱 、圓臺(tái)和球缺結(jié)合成的筒體。在攪動(dòng)過程中，進(jìn)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(huì)從 A一 B處流出。若混凝土拌合料是理想的流體，它應(yīng)從 B點(diǎn)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(nèi)構(gòu)成一種特殊形狀的體積。 圖 目前，據(jù)有關(guān)資料介紹，該容積計(jì)算均采用切割法。切割法就是根據(jù)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(shí)體切成若干厚度為 B的薄片，其斷 面積 Ai 成弓形 (如圖 )，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(jì)算越精確，然而切得再多也僅是近似值。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 根據(jù)圖 寫出計(jì)算方程