【正文】 展。在以國家“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屆夏季奧運會成功的帶動下，加大城市建設成為不變的潮流。 建設容量的加大，就意 味著混凝土的消費量加大?；炷烈呀?jīng)成為現(xiàn)代社會文明的基石，越來越發(fā)揮著不可替代的作用。伴隨著我國政府頒布的終結現(xiàn)場攪拌混凝土條文的實施， 從 2021 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(huán)節(jié)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 ）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。并得到國家自然科學基金 基于流變學的混凝土攪拌葉片理論研究、山東省自然科學基金 基于流變學的混凝土攪拌車攪拌系統(tǒng)設計理論研究的資助。 圖 南昌航空大學科技學院學士學位論文 7 混凝土攪拌車攪拌系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀 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(fā)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(yè)相繼引進國外的先進生產技術，經(jīng)過 20年的發(fā)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 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，但整機性能與國外相比還有一定差距。如今，國內生產企業(yè)對混凝土攪拌車的攪拌系統(tǒng)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(fā)很少，在 理論方面的研究比較匱乏，國內企業(yè)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(xiàn)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(shù)值模擬研究很少。 國外方面： 19世紀 40 年代出現(xiàn)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(shù)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(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(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筒壁，合成樹脂作為外筒壁，改進了傳統(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、美國的馬克西姆等公司推出了超長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(shù)螺旋線葉片設計方法。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 8 目前，國外的攪拌設備研究逐漸向著多功能、自動監(jiān)控、多樣化、成套化發(fā)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(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攪拌葉片進行數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化。試驗驗證了理論方法的可行性。 研究目的 通過對攪拌葉片的設計分析，找出攪拌葉片的薄弱環(huán)節(jié)，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。 研究意義 一輛混凝土攪拌車的售價在 40～ 80 萬之間，其中一個混凝土攪拌系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)是攪拌運輸車傳動系統(tǒng)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(xù)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(shù)進行理論分析。為螺旋葉片的結構設計提供理論依據(jù)。 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、外形尺寸南昌航空大學科技學院學士學位論文 9 的確定、攪拌筒有效容積及滿載時重心位置計算。本論文對攪拌筒進行幾何設計。 螺旋葉片的幾何參數(shù)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(shù)螺旋 面兩種。本論文對攪拌筒內螺旋葉片曲線參數(shù)的選擇及展開進行計算，并加以 攪拌系統(tǒng)的仿真設計與運動模擬 。 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 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(lián)結。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 個攪拌筒通過連接法蘭和環(huán)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(wěn)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。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 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(xù)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，混凝土將被葉片連續(xù)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。 Ga) b)λλGγγ圖 攪拌工作原理 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(tǒng)、攪拌筒、操縱機構、清洗系統(tǒng)等。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 11 工作原理是，通過取力裝置將汽車底盤的動力取出，并驅動液壓系統(tǒng)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(fā)動 機取力方式。取力裝置的作用是通過操縱取力開關將發(fā)動機動力取出，經(jīng)液壓系統(tǒng)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(fā)動機的動力聯(lián)接。 液壓系統(tǒng) 將經(jīng)取力器取出的發(fā)動機動力，轉化為液壓能（排量和壓力），再經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)離析。 清洗系統(tǒng) 清洗系統(tǒng)的主要作用是清洗攪拌筒，有時也用于運輸途中進行干料拌筒。清洗系統(tǒng)還對液壓系統(tǒng)起冷卻作用。 攪拌筒既 是攪拌運輸車的運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科技學院學士學位論文 12 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(guī)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?shù)氖褂脡勖?(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(jié)主要介紹拌筒的幾何設計。 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 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外溢，取 0 a r c ta n( ) 8? ? ?? ? ? ? 根據(jù)中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標準，攪拌筒的斜置角 α 的取值可參照下表 表 根據(jù)文獻，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南昌航空大學科技學院學士學位論文 13 11L c r?? 32L c r?? 12~~cc 取 值 范 圍 值 范 圍 2r 為進料口半徑，取值范圍 250310mm 中圓的長度要結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面圖，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 目前，據(jù)有關資料介紹，該容積計算均采用切割法。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、容積計算越精確，然而切得再多也僅是近似值。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 14 圖 根據(jù)圖 寫出計算方程