混凝土搅拌机结构设计

2022-12-15

第一篇：混凝土搅拌机结构设计

混凝土搅拌车搅拌实验系统仿真设计

混凝土搅拌车搅拌实验系统仿真设计学生姓名：付昊旻班级：078105207 指导老师：邢普摘要：混凝土搅拌运输车是用于解决商品混凝土运输的运输工具。它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可在运送混凝土的同时对其进行搅拌或搅动，因此能在保证输送的混凝土质量的同时适当延长运距(或运送时间)。所以大力发展商品混凝土和搅拌运输车有明显的社会效益和适用价值。而我国混凝土运输车起步较晚，到70年代才开始试生产。目前，搅拌运输车的理论研究及生产在我省及整个西北地区均处于空白。因此搅拌运输车的理论研究及开发势在必行。搅拌运输车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料的功能，主要是因为拌筒内部特有的两条连续螺旋叶片在工作时形成螺旋运动，从而推动混凝土

对拌筒进行几何设计。搅拌筒既是搅拌运输车运输混凝土的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。几何设计是搅拌筒结构设计的基础，它包括几何容积计算、外形尺寸的确定、搅拌筒有效容积及满载时重心位置计算。为使混凝土搅拌运输车的搅拌装置系列化，以满足用户要求，借用计算机程序语言对其进行设计。基于功率键合图的建模方法，利用大型软件Matlab的仿真工具箱Simulink，对混凝土搅拌运输车液压系统进行设计分析，同时建立系统动态仿真模型，用此来模拟液压系统工作过程，更好地反映系统中各输出变量随输入变量的变化关系。尤其是对辅助泵调节斜盘角度系统、变量主泵控制系统及恒速控制系统进行详细的分析，为液压系统的进一步优化设计提供有益的借鉴。

关键词：混凝土搅拌运输车拌筒液压系统功率键合图几何设计数学模型螺旋叶片动态特性展开仿真指导老师签名：

Design of the Structure of the Truck Mixer and Digital Simulation of its Hydraulic System Student name:Fu Hao Min Class:078105207 Supervisor:Xing Pu Abstract:The truck mixer is a vehicle for transportation concrete.It is fulfilled two actions,conveying concrete and mixing concrete.These actions not only ensure the quality of the concrete, but also make the conveying distance longer.But in the northwest area of our country, research on the field of the truck mixer is little.So the truck mixer must be developed strongly in order to meet the need of the rising concrete market.Three important parts are studied in this thesis.Firstly, the helix-vanes of the truck mixer are designed following the principles of the flowing state of the concrete on the helix-vane.Secondly, the drum of the truck mixer is designed base on its working characteristic.Thirdly, with the widely used soft ware package SIMULINK the mathematic models of the hydraulic system driving the truck mixer are established on the found of the theory and method of power bond graph.The dynamic characteristics of the hydraulic system are simulated numerically, and some significant results are presented. Key words:Truck Mixer Drum Spread Hydraulic System Mathematic Models Structure Design Helix-vanes Power Bond Graph Dynamic Characteristics Simulation Signature of Supervisor: 目录 1.绪论 1.1混凝土搅拌车的介绍 ------------------------------------------ 4 1.2课题研究背景 ------------------------------------------------ 6 1.3混凝土搅拌车搅拌系统国内外研究现状 -------------------------- 7 1.4本文研究内容及方法 ------------------------------------------ 8 2.搅拌筒的结构设计 2.1搅拌筒的工作原理 ------------------------------------------- 10 2.2搅拌筒的整体构成 ------------------------------------------- 10 2.3拌筒主要结构尺寸参数的确定 --------------------------------- 11 2.4切割法求装载容积 ------------------------------------------- 13 2.5积分法求装载容积 ------------------------------------------- 14 2.6搅拌筒几何容积计算 ----------------------------------------- 18 2.7满载时拌筒的重心位置 --------------------------------------- 18 3.驱动功率的计算 3.1搅拌力矩曲线 ----------------------------------------------- 19 3.2驱动阻力矩计算 --------------------------------------------- 19 3.3搅拌筒驱动功率的计算 --------------------------------------- 23 4.螺旋叶片的设计及仿真 4.1螺旋叶片上螺旋角的确定 ------------------------------------- 24 4.2搅拌叶片的母线方程 ----------------------------------------- 27 4.3搅拌叶片设计 ----------------------------------------------- 29 4.4搅拌叶片的仿真设计和模态分析 ------------------------------- 33 4.5搅拌叶片结构应力分析 --------------------------------------- 37 参考文献 ------------------------------------------------------ 43 致谢 ----------------------------------------------------------- 44 附录 ----------------------------------------------------------- 44 1.绪论 1.1 混凝土搅拌车的介绍商品混凝土的发展从根本上改变了传统上工地自制混凝土，用翻斗车或自卸卡车进行输送，就近使用的落后生产方式，建立起一种新的生产方式，即许多施工工地所需要的混凝土，都由专业化的混凝土工厂或大型混凝土搅拌站集中生产供应，形成以混凝土制备地点为中心的供应网。由于混凝十工厂便于应用现代电子技术，使用计算机控制生产，可以得到精确配比和均质拌合的混凝土，使混凝土质量大大提高，所以对于整个施丁工程起到良好的促进作用。但是混凝土的商品化生产，势必把混凝土从厂站输送到各个需求工地之间的距离相应加长，有些供应点甚至很远。当混凝土的输舒巨离(或输送时间)超过某一限度时，叮燃使用一般的运输机械进行输送，混凝土就可能在运输途中发生分层离析，甚至初撇见象，严重影响混凝土质量，这是施工所不允许的。因此为了适应商品混凝土的输送，发展了一种运送混凝土的专用机械—混凝土搅拌运输车(以下简称搅拌运输车)。图1.1所示就是这种搅拌运输车的外形和基本结构。搅拌运输车多作为混凝十工厂或搅拌站的配套运输机械，通过搅拌运输车将混凝土工厂、搅拌站与许多施工工地联系起来，如与混凝土输送泵配合使用，在施工现场进行“接力”输送，则可以完全不再需要人力的中间周转而将混凝土连续不断的送到施工浇注点，实现混凝土输送的高效能和全部机械化。这样不但大大的提高了劳动生产率和施工质量，而且有利于现场的文明施工，这对于城市建设、尤其是现场狭窄的施工工地更加显示出它的优越性。随着国民经济的发展,一些大型建筑工程对现浇混凝土的大量需求，大力发展商品混凝土和搅拌运输车有明显的社会效益和适用价值。

搅拌运输车实际上就是在载重汽车或专用运载底盘上安装一种独特的混凝土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可以在运送混凝土的同时对其进行搅动或搅拌。因此能保证输送混凝土的质量，允许适当延长运距(或运送时间)。基于搅拌运输车的上述工作特点，通常可以根据对混凝土运距长短、现场施工条件以及对混凝土的配比和质量的要求等不同情况，采取下列不同的工作方式: (1)预拌混凝土的搅动运输这种运输方式是搅拌运输车从混凝土工厂装进已经搅拌好的混凝土，在运往工地的路途中，使搅拌筒作大约1-3r/min的f氏速转动，对运输运的混凝土不停地进行搅动，以防止出现离析等现象，从而使运到工地的混凝土质量得到控制，并相应增长运距。但这种运输方式其运距(或运送时间)不宜过长，应控制在预拌混凝土开始初凝以前，具体的运距或时间视混凝土配比和道路、气候等条件而定。

(2) 混凝土拌合料的搅拌运输这种运输方式又有湿料和干料搅拌运输两种情况。湿料搅拌运输是指搅拌运输车在配料站按混凝土配比同时装入水泥，砂石骨料和水等拌合料，然后在运送途中使搅拌筒以8-12r / min的“搅拌速度”转动，对混凝土拌合料完成搅拌作业。干料注水搅拌运输是指在配料站按混凝土配比分别向搅拌筒内加入水泥、砂石等干料，再向车内水箱加入搅拌用水。在搅拌运输车驶向工地途中的适当时候向搅拌筒内喷水进行搅拌。也可根据工地的浇灌要求运干料到现场后再注水搅拌。

混凝土拌合料的搅拌运输，比预拌混凝土的搅动运输能进一步延长对混凝土的输送距离(或时间)，尤其是混凝土干料的注水搅拌运输可以将混凝土送到很远的地方。另外，这种运输方式又用搅拌运输车代替了混凝土工厂的搅拌工作，因而可以节约设备投资，相对提高生产率。但是，搅拌运输车的搅拌却难以获得象混凝土工厂生产的那样和易性好均匀一致的混凝土，所以，在对混凝土的质量要求愈来愈严格的现代建筑施工中，对预拌混凝土的搅动运输是搅拌运输车的主要工作方式。

从上述几种工作方式看出，搅拌运输车能根据工作条件的需要灵活应用，可以充分发挥其特点。它不但配合商品混凝土的生产，而且反过来发展了商品混凝上的生产工艺，把混凝土从工厂的“集中搅拌”又延伸到许多搅拌运输车的所谓“分散搅拌”，因而扩大了混凝土工厂的服务范围，与一般的运输机械相比，它有较大的灵活性、适应性，并有较高的生产率，成为现代混凝土施工中的有效运输工具。

1.2 课题研究背景随着我国国民经济的迅速发展，高速公路建设、城市基础建设、房地产开发也急剧发展。在以国家“十一五”规划、中西部大开发战略的大背景下，以及北京申办2008年29届夏季奥运会成功的带动下，加大城市建设成为不变的潮流。

建设容量的加大，就意味着混凝土的消费量加大。混凝土已经成为现代社会文明的基石，越来越发挥着不可替代的作用。伴随着我国政府颁布的终结现场搅拌混凝土条文的实施，从2006年起，我国240多个城市要全面使用商品混凝土，作为城市中唯一合理的运输预拌混凝土工具，混凝土搅拌运输车的作用就显得尤为重要。

虽然混凝土搅拌车的市场前景异常乐观，但是我国混凝土搅拌车生产的一些薄弱环节尤其是基础理论方面研究的薄弱却不容忽视。本课题针对中国重汽集团专用汽车公司生产的混凝土搅拌车(如图1.2)目前还存在着搅拌叶片使用寿命短、搅拌振动噪声大、搅拌效果和出料速度不理想、出料残余率高等问题和隐患而立题并开展研究的。并得到国家自然科学基金-基于流变学的混凝土搅拌叶片理论研究、山东省自然科学基金-基于流变学的混凝土搅拌车搅拌系统设计理论研究的资助。

图1.2 8.5LP混凝土搅拌运输车 1.3 混凝土搅拌车搅拌系统国内外研究现状 1、国内方面：

1965年上海华东建筑机械厂引进了我国第一台混凝土搅拌车。我国混凝土搅拌车的开发生产始于二十世纪八十年代初期，开始基本上是引进散件组装，或者通过技贸方式引进技术生产与部分零部件引进相结合的生产制造模式。从1982年开始，一些企业相继引进国外的先进生产技术，经过20年的发展，产品国产化率不断提高，产量也有了很大的提高。在产品系列上，形成了3 m3、4 m3、5 m3、6 m3、8 m3、10 m3、12 m3等品种，8 m3以下正在逐渐淘汰，向着10 m3、12 m3甚至更大容积发展，但整机性能与国外相比还有一定差距。如今，国内生产企业对混凝土搅拌车的搅拌系统研究主要是引进消化国外的技术或者仿制国外产品为主，自主开发很少，在理论方面的研究比较匮乏，国内企业的生产多靠测绘和技术引进，甚至在搅拌叶片的生产安装过程中，局部敲打、硬性整合现象屡见不鲜。虽然国内一些高校也在这一领域进行研究，如武汉理工大学、西安建筑科技大学等。但他们主要是对搅拌筒进行设计绘制，对于搅拌叶片设计，数值模拟研究很少。

2、国外方面：

19世纪40年代出现以蒸汽为动力源的木制多面体拌筒的自落式搅拌机，19世纪80年代用钢铁件代替木板。20世纪初开始改良为圆柱形搅拌筒。1926年美国生产出搅拌容积为3m3的第一台混凝土搅拌车。早期的搅拌叶片一般都是采用阿基米德螺旋线，1965年以后日本开始采用对数螺旋线设计制造搅拌叶片，后来又在此基础上对局部叶片的螺旋角进行了修正，逐渐形成了现在这种梨形拌筒(前后部分为圆锥形，中间部分为圆柱形)-混合螺旋线搅拌叶片的混凝土搅拌车。2000年，美国的CHRISTENSON RONALD E在原来搅拌筒的基础上，在底锥添加辅助搅拌叶片改进了传统的搅拌叶片;

2005年澳大利亚的KHOURI ANTHONY JAMES采用两条螺旋钢板焊接作为内筒壁，合成树脂作为外筒壁，改进了传统的三段式搅拌筒，不过这种搅拌筒制造起来比较困难。近年来，澳大利亚VULCAN、美国的马克西姆等公司推出了超长搅拌筒的前卸式搅拌车，拌筒前锥加长，架在驾驶室上方，于驾驶室前方出料。成为搅拌车市场快速增长的产品，但搅拌叶片设计仍然沿承了对数螺旋线叶片设计方法。

目前，国外的搅拌设备研究逐渐向着多功能、自动监控、多样化、成套化发展，如单、双卧轴式搅拌机、振动式搅拌机、强制式搅拌机，多种混凝土搅拌楼等。搅拌车研究更倾向于上装技术、耐磨材料的研究。针对国内外现状，本文改变传统的搅拌叶片母线所采用的螺旋线方程，使搅拌叶片和搅拌筒之间的连接方式和安装参数得到了改善，提出了用有限元软件对搅拌叶片进行数值模拟和参数优化。试验验证了理论方法的可行性。

1.4本文研究内容及方法 1、研究目的通过对搅拌叶片的设计分析，找出搅拌叶片的薄弱环节，对搅拌叶片进行改进，延长搅拌叶片的使用寿命、提高出料速度、降低出料残余率、降低生产成本，达到更好的搅拌出料效果。

2、研究意义一辆混凝土搅拌车的售价在40～80万之间，其中一个混凝土搅拌系统造价大约10万元。平均使用3年左右即告报废。而混凝土搅拌输送车的搅拌和卸料作用是由搅拌装置—搅拌筒完成的，搅拌叶片更是关键中的关键，搅拌叶片的性能好坏直接决定搅拌运输车的性能，进而影响着基础建设的质量。因此研究搅拌出料过程叶片的磨损、提高搅拌叶片使用寿命、提高叶片的搅拌质量具有重要的的经济效益和社会效益。

充分的文件检索和实际调研表明，了解螺旋叶片出料机理分析是设计搅拌装置的基础。也是生产具有更好搅拌性能但又不降低混凝土质量的基础。冲击小、响应决而且效率高的液压系统是搅拌运输车传动系统设计的关键。

搅拌运输车的搅拌筒之所以具有搅拌和卸料的功能，主要是因为拌筒内部特有的两条连续螺旋叶片在工作时形成螺旋运动，从而推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。因此两条叶片的螺旋曲线的形式及结构直接影响搅拌筒的工作性能。本论文应用静力学、运动学的原理阐述螺旋叶片的工作原理并对主要技术参数进行理论分析。为螺旋叶片的结构设计提供理论依据。

搅拌筒既是搅拌运输车运输混凝上的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。几何设计是搅拌筒结构设计的基础，它包括几何容积计算、外形尺寸的确定、搅拌筒有效容积及满载时重心位置计算。本论文对搅拌筒进行几何设计。

螺旋叶片的几何参数直接影响搅拌筒的搅拌和卸料性能。目前，应用于搅拌运输车的拌筒叶片螺旋面的形式有:正螺旋面、圆锥对数螺旋面两种。本论文对搅拌筒内螺旋叶片曲线参数的选择及展开进行计算，并加以搅拌系统的仿真设计与运动模拟。

2.搅拌筒的结构设计搅拌运输车搅拌筒绝大部分都采用梨型结构，通过支承装置斜卧在机架上，可以绕其轴线转动，搅拌筒的后上方只有一个筒口分别通过进出料装置进行装料或卸料。图2.1为其外部结构图。整个搅拌筒的壳体是一个变截面而不对称的双锥体，外形似梨型，底段锥体较短，端面封闭并焊接着法兰，通过连接法兰用螺栓与减速器联结。上段锥体的过渡部分有一条环行滚道，它焊接在垂直于搅拌筒轴线的平面圆周上，整个搅拌筒通过连接法兰和环形滚道顷斜卧置在固定与机架上的减速器壳体和一对支承滚轮所组成的三点支承结构上，由减速器带动平稳的绕其轴线转动。在搅拌筒滚道圆周上部，通常设有钢带护绕，以限制搅拌筒在汽车颠簸行驶时向上跳动。机架由水平框架、前台、后台和门形支架组成，搅拌装置的各部分都组装在它上面，形成一个整体。最后通过水平框架与载运底盘大梁用螺栓连接在一起。

2.1搅拌筒的工作原理搅拌筒的工作原理用图2.1.1 来说明。图为通过搅拌筒轴线的垂直剖面示意图。其中(a),(b)为剖开搅拌筒的两部分，斜线代表螺旋叶片，为其螺旋升角，为搅拌筒轴线与底盘平面的夹角。我们设定图a所示方向为“正向”，图b所示方向为“反向”。工作时，搅拌筒绕其自身轴线转动，混凝土因与筒壁和叶片的摩擦力和内在的粘着力而被转动的筒壁沿圆周带起来，但在达到一定高度后，必在其自重G作用下，克服上述摩擦力和内聚力而向下翻跌和滑移。由于搅拌筒在连续的转动，所以混凝土即在不断的被提升而又向下滑跌的运动中，同时受筒壁和叶片所确定的螺旋形轨道的引导，产生沿搅拌筒切向和轴向的复合运动，使混凝土一直被推移到螺旋叶片的终端。

当搅拌筒做图a所示方向的“正向”转动时，混凝土将被叶片连续不断的推送到搅拌筒的底部，同时到达筒底的混凝土势必又被搅拌筒的端壁顶推翻转回来，这样在上述运动的基础上又增加了混凝土上下层的轴向翻转运动，达到了搅拌筒对混凝土进行充分搅拌的目的。

当搅拌筒做图b所示方向的 “反向”转动时，叶片的螺旋运动方向也相反，这时混凝土被叶片引导向搅拌筒口方向移动直至筒口卸出，从而达到卸料目的。

图2.1.1搅拌工作原理 2.2搅拌筒的整体构成混凝土搅拌车由汽车底盘和混凝土搅拌运输专用装置组成。我国生产的混凝土搅拌运输车的底盘多采用整车生产厂家提供的二类通用底盘。其专用机构主要包括取力器、搅拌筒前后支架、减速机、液压系统、搅拌筒、操纵机构、清洗系统等。

工作原理是，通过取力装置将汽车底盘的动力取出，并驱动液压系统的变量泵，把机械能转化为液压能传给定量马达，马达再驱动减速机，由减速机驱动搅拌装置，对混凝土进行搅拌。

取力装置国产混凝土搅拌运输车采用主车发动机取力方式。取力装置的作用是通过操纵取力开关将发动机动力取出，经液压系统驱动搅拌筒，搅拌筒在进料和运输过程中正向旋转，以利于进料和对混凝土进行搅拌，在出料时反向旋转，在工作终结后切断与发动机的动力联接。

液压系统将经取力器取出的发动机动力，转化为液压能(排量和压力)，再经马达输出为机械能(转速和扭矩)，为搅拌筒转动提供动力。

减速机将液压系统中马达输出的转速减速后，传给搅拌筒。

操纵机构 (1)控制搅拌筒旋转方向，使之在进料和运输过程中正向旋转，出料时反向旋转。

(2)控制搅拌筒的转速。

搅拌装置搅拌装置主要由搅拌筒及其辅助支撑部件组成。搅拌筒是混凝土的装载容器，转动时混凝土沿叶片的螺旋方向运动，在不断的提升和翻动过程中受到混合和搅拌。在进料及运输过程中，搅拌筒正转，混凝土沿叶片向里运动，出料时，搅拌筒反转，混凝土沿着叶片向外卸出。叶片是搅拌装置中的主要部件，损坏或严重磨损会导致混凝土搅拌不均匀。另外，叶片的角度如果设计不合理，还会使混凝土出现离析。

清洗系统清洗系统的主要作用是清洗搅拌筒，有时也用于运输途中进行干料拌筒。清洗系统还对液压系统起冷却作用。

2.3拌筒主要结构尺寸参数的确定搅拌筒既是搅拌运输车的运输混凝土的装载容器，又是搅拌混凝土的工作装置。所以对它的设计有以下基本要求:有足够的有效的装载容量:满足规定的搅拌和装卸料性能;

在结构上适应运载底盘和运输中搅拌工作特点;

具有适当的使用寿命(耐磨性能)。搅拌筒设计分几何设计和金属结构设计两部分，几何设计是金属结构设计的基础，本节主要介绍拌筒的几何设计。

图2.3搅拌筒截面图由于搅拌筒是斜置安装在运载底盘上，因此其结构尺寸受到运载混凝土的容积、所选底盘结构尺寸及保证运送混凝土的质量等因素的的影响，如搅拌筒的斜置角α，混凝土表面与搅拌筒轴线的夹角α0，前后锥的锥角α1、α2。同时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，取根据中华人民共和国建筑工业行业标准，搅拌筒的斜置角α的取值可参照下表2.3 表2.3 根据文献，将各形状参数化为主参数r(搅拌筒最大半径，根据交通法规的要求Y2小于等于1.25m)可得: 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。

前半锥角后半锥角 2.4切割法求装载容积图2.4是混凝土搅拌输送车搅拌筒的侧面图，它是由圆柱、圆台和球缺结合成的筒体。在搅动过程中，进料口和出料口之间由于高度为A一B的叶片将混凝土拌合料挡住，不会从A一B处流出。若混凝土拌合料是理想的流体，它应从B点形成一水平面。因搅拌筒中心线与水平面之间成一倾角a，这样，混凝土拌合料在搅拌筒内构成一种特殊形状的体积。

图2.4 目前，据有关资料介绍，该容积计算均采用切割法。切割法就是根据图纸给定的尺寸按比例作图，在垂直搅拌筒轴线，将混凝土拌合料实体切成若干厚度为B的薄片，其断面积Ai成弓形(如图2.4.1)，把所有的簿片体积BAi、加起来，即为它的容积。切片越多、容积计算越精确，然而切得再多也仅是近似值。

图2.4.1 根据图2.3写出计算方程搅拌筒内混凝土任一弓形截面F(x)的方程: 式中所以，搅拌筒中混凝土的有效容积为：

2.5积分法求装载容积要求出图2.4五个部分的混凝土拌合料在搅拌筒内占有的体积，只要推导出图2.5(粗实线包围的部份)三种形状的体积计算公式，那么搅拌筒的每段混凝土拌合料体积就可计算。

A B C 图2.5 用Va、Vb、Vc表示三段的体积，图2.5 A为圆柱截段(D代表直径)，图2.5 B为圆锥截段(D代表锥体的底直径)，图2.5 C为球缺截段(R1代表球半径)。

下面分别三种体积的计算公式。

(1)Va的计算公式若为已知，可用代替 (2)Vb的计算公式根据图2.5.1推出其中：

(h为圆锥体顶点P到MN的距离) (S1为圆锥截段弓形底面积) (S2为MN截面积) 的计算分三种情况 a.当，，为正值式中， b. c. 图2.5.1 (3) Vc的计算公式根据右图2.5.2要求Vc还需知道R、H、a、β的值。根据公式，有：

有了以上数据便可求出S1、S2，而：

图2.5.2 (4) 根据图2.5.3计算V1 图2.5.3 (5) 根据图2.5.4计算V2 图2.5.4 (6)根据图2.5.5计算V3 图2.5.5 2.6搅拌筒几何容积计算搅拌运输车的梨形搅拌筒几何容积Vj与其设计的最大装载容积V存在如下关系: V一公称搅动容量，即运输车能运输的预拌混凝土经捣实后的最大体积。

对混凝土拌合料搅拌运输，此值为运输车置于水平位置，搅拌筒能容纳全部未经搅拌的配料(包括水)要在充分搅拌时不产生外溢，并能生产匀质混凝土经捣实后的最大体积。

Vj一搅拌筒的几何容积。

2.7满载时拌筒的重心位置图2.7 如图2.7所示，混凝土任一截面I一I处为一弓形，设微分段重心G的位置为: 每段锥体重心：

总重心为：

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。

1) 积分公式计算方法 a.拌合料与筒壁间的摩擦力矩，拌合料与筒壁或与搅拌叶片间的单位摩擦力f 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。

式中：

b..拌合料与搅拌叶片间的摩擦阻力矩图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)。

V2——拌合料与搅拌螺旋叶片间的相对滑移速度式中：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.流动阻力矩微元面积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周向阻力对搅拌筒轴线的阻力矩 d.由筒体的转动引起的偏载，对搅拌筒的阻力矩见图3.2.1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：

图3.2.1搅拌筒偏载示意图对简体来说，又受到由于拌合料的偏心距，产生的阻力矩作用，在数值上等于。

2)Lieberherr的经验公式实验测得：

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，拌筒与支撑系统的摩擦阻力矩及拌筒转速n，即可求出搅拌筒的驱动功率N(kw) 式中：——搅拌筒支撑机构所克服的摩擦阻力矩;

一般取为4000-5000Nm ——搅拌筒搅拌阻力矩;

——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 设：当搅拌筒转速为12 rpm时，设混凝土重量2400，搅拌筒实际容积按5计算，则计算出搅拌筒的驱动功率为：

因为搅拌筒的驱动功率一般是从搅拌车发动机中直接取力，在计算搅拌车发动机功率时，要在搅拌筒驱动功率的基础上，再加上汽车驱动功率、爬坡功率等。

4.螺旋叶片的设计及仿真搅拌运输车的搅拌筒所以有搅拌和卸料等工作性能，主要是因其内部特有的两条螺旋叶片推动混凝土沿搅拌筒轴向和切向产生复合运动的结果。因此搅拌叶片的螺旋曲线直接影响搅拌与运输混凝土的性能。在其几何设计中，鉴于我国车辆在道路右侧行驶的规定，搅拌运输车搅拌筒旋转方向为，面向车尾看，顺时针旋转时为进料、搅拌或搅动，逆时针旋转时为出料，所以搅拌筒的两条螺旋叶片应为互错180度的左旋螺旋叶片。如图4.1。

母线(直线或曲线)在绕轴线作匀速圆周运动的同时，沿轴线方向作匀速或变速直线运动，该母线的运动轨迹形成等螺距或变螺距螺旋面。母线为直线形成直纹螺旋面;母线为曲线形成非直纹螺旋面。搅拌运输车中常用的螺旋面是直纹正螺旋面(母线和轴线正交)和直纹斜螺旋面(母线和轴线斜交)两种螺旋面。圆柱面或圆锥面同该螺旋面的交线分别称为圆柱螺旋线或圆锥螺旋线。螺旋线的切线和圆柱面或圆锥面的母线之间的夹角称为螺旋角，用β表示。

图4.1螺旋叶片内部结构 4.1螺旋叶片上螺旋角的确定由于不同的圆锥面(或圆柱面)与同一螺旋面相交的螺旋线是不同的，因此螺旋角也不同。在设计拌筒螺旋叶片结构之前，螺旋叶片上螺旋角的确定就显得格外重要。

a.螺旋角的表示图4.1.1给出了锥、柱螺线的视图和内壁展开图。螺线上任意一点M的对应的投影和展开位置用m、和M表示。中为M点平面投影m的位置角。圆锥段的圆锥面展开面为一扇形面，为扇形角，ε为M点在展开面上的位置角，所以=OM。

图4.1.1螺旋线及展开图由上述几何关系可知：。

设螺线上另一点N，其相应的位置参量为。当N和点M无限接近的时候，直线MN就是M点切线τ，而且其螺旋角满足：

b.内外圆锥(或圆柱)上螺旋角的关系斜螺旋面的任意一条母线n分别与内锥、外锥相交于点1和2，内、外锥的半锥角分别为θ1、θ2，以为原点建立坐标系，n线与x轴的夹角为µ。见图4.1.2 图4.1.2螺旋线转面投影图设母线n绕Z轴旋转无限小角到达母线的位置，线与内外锥分别相交于点1’和2’，Z轴分别和n、组成两个纵截面，并转面重叠投影。由图4.1.2可知：

设P1和P2分别为点1和点2的螺旋角，由此可得出: 内锥;

外锥：

这就是同一螺旋面在不同圆锥面(圆柱面)上产生的螺旋线的螺旋角之间的关系式。

在进行分析时，经常会用到下列几种情况：

4.2搅拌叶片的母线方程搅拌叶片在前锥和后锥部分采用的是对数螺旋线，其母线的方程为：

其中为螺旋角，为初始极径;

为半锥角;

为螺旋转角。

当是一定值时，螺旋线为等角对数(圆锥)螺旋线;

当是一个变量时，该螺旋线即为非等角对数螺旋线。

中圆搅拌叶片采用圆柱螺旋线，其母线方程为：

其中为圆柱底半径，为螺旋转角，为螺旋角。

基于PRO/E的水泥搅拌筒叶片螺旋曲线的设计。筒体前锥和后锥采用具有等升角的对数螺旋叶片，圆柱段采用不等升角的阿基米德螺旋叶片。为了同时保证搅拌均匀和出料干净，将前锥螺旋角设计为60°后锥螺旋角设计为≥75° 图4.2所示的螺旋线方程为：

式中 ——螺旋线起点的极径;

——极径;

θ——半锥角;

Ψ——极径在坐标系xoy的投影与y轴的夹角，即圆锥对数螺旋线的螺旋转角;

β——圆锥对数螺旋线的切线与圆锥母线的夹角，即圆锥对数螺旋线的螺旋角。

图4.2.1所示的圆柱阿基米德螺旋线的方程式中 R——圆柱半径;

Ψ——螺旋转角;

β——螺旋角。

图4.2 图4.2.1 4.3搅拌叶片设计搅拌运输车搅拌筒内的两条螺旋叶片，是搅拌运输车设计的重要部件。它的结构形状对搅拌运输车进、出料性能及混凝土的搅拌质量有一定影响。目前，设计的搅拌运输车螺旋叶片，多采用斜圆锥对数螺旋面。设计中，将空间螺旋面叶片分段展开成平面图形。制造中根据设计的平面图形下料经锻压成型后，焊接在搅拌筒内壁上。所以，叶片展开成平面图形的准确程度，是使搅拌运输车性能达到要求的重要因素之一。而空间螺旋面理论上是不可展开曲面由于制造工艺的需要我们常常采用近似展开法加以处理。在设计时，采用制图中的“三角形”法的原理并借用计算机对空间斜圆锥对数螺旋面叶片进行展开计算。

螺旋面理论上是不可展开曲面，由于制造工艺的要求，常采用近似展开法进行处理，以满足制造要求。我们在设计中，利用将空间叶片第i点至第i十1两等分点之间的一小段叶片，近似地看作一梯形，如图4.3所示。只要算出第i点至第i+1两等分点之间叶片根部及顶部斜圆锥对数螺旋线上点C、B、D、A的坐标值，就可根据空间任意两点间距离公式得出图中任意两点间的距离，即AB、BC、CD、DA、DB。

还可把第i点至第i+1两等分点之间这一小段叶片展开，通过计算机进行循环计算，然后利用“三角形”法，将整个螺旋叶片展开。只要在螺旋叶片设计中，两等分点之间的间隔控制在一定范围内，展开的螺旋叶片平面图，就可达到一定的精度要求。

图4.3叶片顶部叶片根面本设计是在三段式梨形搅拌筒外形尺寸不变的前提下进行的。搅拌筒的外形优化暂不考虑。根据搅拌叶片有三段拟合而成的特点，我们分别对前锥、中圆和后锥的叶片采取不同的型线规律。

图4.3.1非等变角对数螺旋线正视图和右视图图中标记A、B处是各段叶片的拟合接合点 B(mm) 前锥 380 中圆 380 后锥表4.3搅拌叶片基本设计参数知道了内外螺旋线的方程，我们就可以在软件中绘制出内外螺旋线的图形，然后利用扫略功能，做出搅拌叶片的实体模型,如图4.3.2所示。

图4.3.2叶片实体模型后锥中圆前锥螺旋线规律螺旋角表达式螺旋线规律螺旋角表达式螺旋线规律螺旋角表达式非等变角对数螺旋线等变角递增圆柱螺旋线非等变角对数螺旋线等变角递减对数螺旋线等角圆柱螺旋线等变角递减对数螺旋线底部和与中圆接口处为离散点，中间为等角对数螺旋线。

等角圆柱螺旋线顶部和与中圆接口处为离散点，中间为等角对数螺旋线。

表4.3.1 搅拌叶片设计规律与参数 4.4搅拌叶片的仿真设计和模态分析计算机仿真也是对一个数学模型进行的试验研究，计算机仿真具有周期短，投入少，避免了实际试验所承担的成本浪费、试验风险和危险。特别是用于大数据的计算更显出其优越性。

计算机仿真作为新的实验研究的方式，可以为实际的试验研究提供参考和思路。实验研究和计算机仿真研究相结合，相辅相成，取长补短，对于课题的研究非常有利。

我们在理论研究的基础上，初步对设计的搅拌系统进行了数值模拟和仿真，下面是一些截图基于在UG下建立的，如下图所示的叶片与罐总成装配模型，通过UG的仿真功能，实现了叶片与罐的运动仿真。

本文采用8.5LP混凝土搅拌车为模型进行研究如下图所示。

其中，图4.4.1-4.4.3为搅拌筒各段图，图4.4.4为搅拌叶片造型图;

图4.4.5-4.4.7为实体建模图;

图4.4.8为运动仿真图。

图 4.4搅拌系统尺寸图建模过程如下：

图4.4.1前锥图4.4.2中柱图图4.4.3后锥图4.4.4 搅拌叶片图4.4.5 前支撑图4.4.6 连接法兰图4.4.7搅拌罐三维实体装配模型图4.4.8 运动模拟模态分析是机械和结构动力学中一种极为重要的分析方法, 是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,采用有限元法形成系统的离散数学模型- 质量矩阵和刚度矩阵,使方程组解耦,成为一组以模态坐标和模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数的方法。经过模态分析, 搅拌叶片的前六阶振型如下图所示。

第1阶模态是一阶横向弯曲振动,搅拌叶片右侧振幅较大,左端变形较小;

第2阶模态是一阶纵向振动,叶片左端振幅很大,叶片中部产生很大的弯曲应力;

第3阶模态是叶片结构的二阶横向弯曲即出现了扭转和弯曲的复合变形, 叶片中部的振幅较大;

第4阶模态是叶片结构的二阶纵向弯曲即出现了叶片在水平面内的左右扭转,叶片中部的变形量较大;

第 5 阶和第 6 阶模态叶片结构在各个方向均出现了大范围的弯曲和扭转,叶片中部变形量较大。这些局部振型表明叶片各部位刚度存在不均匀的现象。混凝土搅拌车在搅拌的过程中受到新拌混凝土在各个方向上的冲击作用, 这类载荷最易激发叶片结构的弯曲模态;

当在路上行驶时, 由于路面的凹凸不平,叶片承受更多的非对称载荷, 此时最易激发叶片结构的扭转模态。因此, 搅拌叶片的弯曲及扭转振动是其结构动态特性的主要表现形式。

4.5搅拌叶片结构应力分析 ANSYS有限元的计算，就是将形状复杂以及受力情况复杂的零件化分为有限数目的单元，再分别计算这些单元的受力和变形情况，然后将这些单元整合起来，就形成了整个零件的受力变形图。

螺旋叶片在各搅拌工况下进行应力和变形分析;

受力和变形如下列图所示：

图4.5 等角搅拌叶片应力图图4.5.1 等变角搅拌应力图图4.5.2 非等变角a搅拌应力图图4.5.3非等变角b搅拌叶片应力图图4.5.4 非等变角c搅拌叶片应力图图4.5.5 等角出料叶片应力图图4.5.6 变等角出料叶片应力图图4.5.7 非等角a出料叶片应力图图4.5.8 非等角b出料叶片应力图图4.5.9 非等角c出料叶片应力图综合上述分析得到：等角、等变角和非等角螺旋叶片的应力与应变情况如下表4.5所示：

表4.5等角、等变角和非等变角螺旋叶片的应力与应变由上表可知作用在非等角对数螺旋叶片上的压力和变形明显小于其它几种对数螺旋叶片的压力和变形值正转搅拌和反转卸料时搅拌叶片的应力值远远低于材料的屈服应力361MPa。叶片应力越大摩擦力也就越大磨损也就越严重，变形越大振动更为严重同时变形使搅拌叶片的形状改变达不到预期的搅拌和出料效果，由此可见非等变角对数螺旋叶片明显优于其它几种对数螺旋叶片。

参考文献 [1]冯忠绪.混凝土搅拌理论与设备，北京人民交通出版 2001.8 [2]邢普，仪垂杰，郭健翔.非等角对数螺旋线搅拌叶片的设计研究.工程机械 2006.4 [3]邢普，仪垂杰，郭健翔.混凝土搅拌车搅拌叶片仿真设计及模态分析.机械设计与制造2007.8 [4]邢普郭健翔等非等角对数螺旋线搅拌叶片的实验研究工程设计学报 2008.1 [5]邢普仪垂杰等混凝土搅拌车搅拌叶片新型母线及应用研究建筑机械 2007.2 [6]江继辉.混凝十搅拌输送车搅拌筒搅拌过程的运动分析工程机械 1991(2) [7]程书良.混凝土搅拌车搅拌叶片的设计.建筑机械化 2002年第2期 [8]田利芳.混凝土搅拌运输车结构设计及液压系统动态仿真.西安建筑科技大学学位论文 2004.03.10.[9]王明庆.前端卸料搅拌输送车的应用与推广建筑机械 1988(12) [10]R.V.Romen Studies on transfer process in mixing vessels: effects of gas on solid-liquid hydrodynamics using modified Rushton turbine agitators[J].Bioprocess Engineering 17,1997.[11]Chiara F.Ferraris Concrete Mixing Methods and Concrete Mixers: State of the Art Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology J.Res.Natl.Inst.Stand.Technol.Volume 106, Number 2, March–April 2001 ( 391–399) [12] M.DI PRISCO, L.FERRARA, F.MEFTAH, Mixed mode fracture in plain and reinforced concrete: someresults on benchmark tests. International Journal of Fracture 103: 127–148, 2000. 致谢本文是在导师邢普博士精心的指导下完成的，作者的每一点进步无不倾注了邢老师的一番心血与教诲，在此，谨致以我衷心的感谢。

付昊旻 2011年5月附录A 部分程序源代码 NUMBER/r(5),h(4),bt(3),bt1(3),btn(3),i,j,st,stm(3),k(3),a1,a3,p,p1,p3,stn1 $$1一定义变量 ENTITY/ax,ps1(1021),ps2(1021),m(4),g(4),sl(6),pt(5),pt0(2),b(9),SPLN(2),$ ln(10),EN(K),CSYS1,CSYS2,CSYS3 pds1: $$2一生成输入参数的对话框 '前锥小端半径:',r(1),$ '前锥高度:',h(1),$ '前锥最大螺旋角:',bt(1),$ '前锥最小螺旋角:',bt1(1),$ '前锥螺旋转角:',k(1),$ '中圆半径:',r(2),$ '中圆高度:',h(2),$ '中圆最大螺旋角:',bt(2),$ '中圆最小螺旋角:',bt1(2),$ '中圆螺旋转角:',k(2),$ '后锥小端半径:',r(3),$ '后锥锥面段数:',j,$ '后锥高度:',h(3),$ '后锥前锥面高度:',h(4),$ '后锥前锥面小端半径:',r(4),$ '后锥后锥面小端半径:',r(5),$ '后锥最大螺旋角:',bt(3),$ '后锥最小螺旋角:',bt1(3),$ '后锥螺旋转角:',k(3),rsp JUMP/pds1:,stop1:,,rsp ax=LINE/(pt0(1)=POINT/O,0,0),(pt0(2)=POINT/0,0,600)$$3一生成罐体 g(1)=LINE/(pt(1)=POINT/r(1),0,0),(pt(2)=POINT/r(2),0,h(1)) g(2)=LINE/pt(2),(pt(3)=POINT/r(2),0,(h(1)+h(2))) IFTHEN/j=2 g(3)=LINE/pt(3),(pt(4)=POINT/r(4),0,(h(1)+h(2)+h(4))) g(4)= LINE/pt(4),(pt(5)=POINT/r(5),0,(h(1)+h(2)+h(3))) m(4)=REVSRF/g(4),AXIS,ax,0,360 ELSEIF/j=1 g(3)=LINE/pt(3),(pt(4)=POINT/r(3),0,(h(1)+h(2)+h(3))) ENDIF m(1)=REVSRF/g(1),AXIS,ax,0,360 m(2)=REVSRF/g(2),AXIS,ax,0,360 m(3)=REVSRF/g(3),AXIS,ax,0,360 a1=ATANF((r(2)-r(1))/h(1))$$前锥半锥角 $$4一计算基本参数 a3=ATANF((r(3)-r(2))/h(3))$$后锥半锥角 DO/LOOP1:i,1,200 p=SINF(i*180/2040)+i/2040 btn(1)=bt(1)-(bt(1)-bt1(1))*p p1=(r(2)-r(1))/h(1)*COSF(a1)*COSF(btn(1))/SINF(btn(1)) stm(1)=i*k(1)/200 LOOP1: DO/LOOP2:i,200,390 stm(2)=k(1)+(i-200)*k(2)/190 LOOP2: DO/LOOP3:i,390,1020 p=SINF(i*180/2040)+i/2040 btn(3)=bt(3)-(bt(3)-bt1(3))*p p3=(r(3)-r(2))/h(3)*COSF(a3)*COSF(bt(3))/SINF(btn(3)) stm(3)=k(1)+k(2)+(i-390)*k(3)/630 LOOP3: i=1 STR1:$$5一计算曲线上点的坐标 st=(i-1)*stm(3)/1020 IFTHEN/st<=stm(1) xc=r(1)*EXPF(p1*st)*COSF(st*180/3.14159) yc=r(1)*EXPF(p1*st)*SINF(st*180/3.14159) zc=r(1)*h(1)/(r(2)-r(1))*(EXPF(p1*st)-1) ELSEIF/stm(1)

t=0 n=10/9*t*pi() r0=3291.13 l=15.89 m=81.36 r=r0*exp(sin(l)/tan(m)*n) xt=-r*sin(l)*cos(n*360/(2*pi()) yt=-r*sin(l)*sin(n*360/(2*pi())) zt=r*cos(l) xt1=r*sin(l)*cos(n*360/(2*pi())) yt1=r*sin(l)*sin(n*360/(2*pi())) zt1=r*cos(l)

第二篇：混凝土搅拌站除尘设计

新洁环保简述混凝土搅拌站除尘设计和设备选用 ------------------ 混凝土搅拌站除尘设计和设备选用随着国家大规模基础设施建设，对混凝土的大量需求，使得混凝土生产机械——搅拌站得到了空前的发展并日趋成熟。但是搅拌站粉尘污染的处理和控制仍然是困扰着许多机械生产厂家的难题。许多搅拌站因为排尘不达标而受到环保部门的处罚。有些搅拌站自开始使用效果就不理想;有些站除尘设备使用了不久就发生除尘机堵塞问题，造成用户的投诉。正确地设计和合理选用除尘设备不仅可以确保搅拌站的整体质量，而且对降低使用成本和维护费用都有着十分重要的意义。笔者就多年处理搅拌站除尘系统的经验与大家交流。下面以两方混凝土搅拌站为实例. 1 混凝土站的粉尘来源 1.1 骨料的投料

沙石由皮带输送机从骨料仓输送到称量斗时,由于皮带输送机和集尘料斗之间存在着一定的落差，皮带机在抛投骨料时很容易产生粉尘。从成本角度考虑此处应当和其它粉料称量斗共用一套除尘设备，不宜单独设立。 1.2 称量斗上料

由螺旋输送机将料仓中的粉料输送到粉料称量斗(水泥，粉煤灰，膨胀粉等)时产生粉尘。 1.3 混合料往主机投料时产生大量的粉尘污染 1.4 储料料仓

散装物料罐车在往料仓打料时，由于物料的落差产生的粉尘，同时还伴随有仓内压力的产生。对于这种料仓，不但考虑料仓的除尘问题，同时还要考虑仓内压力释放的问题。 2 除尘设备的选用 2.1 滤芯材料和结构形式的选用

滤芯要求有较好的过滤效果和较高的过滤效率，使用寿命长。同时粉尘控制与物料的粒度分布、质量、颗粒大小和运动速度都有着密切关系。

目前国内外广泛采用聚酯无纺布做为滤芯的材料。这种材料具有透气性好，粉尘截取能力强，过滤精度高，有韧性及易于成型的特点，因而得到广泛应用。因为粉尘大部分是水泥粉、粉煤灰与沙石中夹杂的矿粉和灰尘，粉尘颗粒都在1.0～500μm之间，特性差异不大，宜选用同一类型的除尘材料。皱褶式滤芯由于占地空间小，除尘面积大，它是同等直径圆形滤芯的四倍，而且成型后，非常容易固定和抽取，方便维护,应用较多。 2.2 除尘器类型的选择

目前得到广泛采用的是脉冲反吹除尘器，通过文丘里管将高压空气(0.5～0.6MPa)以脉冲方式周期间歇式地吹入滤芯内部，将粘附在滤芯外表面的灰尘(块)吹落。这种除尘方式在粉尘颗粒最小为1μm时，除尘效率达99.6%[2],大大地延长了设备保养周期。另外一种是通过机械振动方式，振落滤芯表面的粉尘。这种方式结构简单,成本较低。

在以上几种污染中，尤其以主机和皮带机投料时,产生的粉尘较大，所以应以这些部位的除尘设计为主。

除尘器面积选用公式：F=K×Q/(60×VF ) [3]

K—安全系数.一般取1.2～1.4[4].在以下的实例中我们取1.2：

Q—空气流量.它等于3600×M/T;M为投放物料的体积(m3 )，T为物料投放所需的时间 s： VF—过滤速率 m/min:

例如，一台2m3的搅拌主机一次所需物料的体积为3.2m3，投料持续15s，物料对聚酯滤芯的过滤速率为1.2 m/min,则除尘器需求的面积为：

F=1.2×3600×3.2/(60×1.2×15)≈14 m2

对于皮带机一次投放沙石的体积约为3.0m3.投料持续时间约为30s. 这种沙石混合料对聚酯滤芯的过滤速率为1.3 m/min,则除尘器需求的面积为6.0 m2。

对于称量斗同样可以计算出所需除尘器面积。例如：当搅拌C50混凝土时，水泥称量斗最大需求量为900kg,水泥的堆密度1200kg/m3。投料时间为30s，水泥对聚酯滤芯的过滤速率为1.2 m/min，则除尘器需求的面积为2 m2。一般来说，一套搅拌站平均有两个或两个以上粉料称量斗，其中主要以水泥称量斗除尘为主，除尘器的总面积F总=F主机+F皮带机 +F称量斗=14+6+2=21 m2。

因此，对于搅拌站工作楼所有的称量斗、搅拌主机和皮带机应选用21m2脉冲反吹式除尘器。 2.3 储料料仓除尘器面积的选择

根据公式：F=K×Q/(60×VF)

安全系数K一般取1.2～1.4。料仓越大，内部缓解压力的能力越强，取值可小些。在以下的实例中我们取1.3。

Q—过风的风量. 以散装粉料罐车的风量做为计算依据,一般为每小时600～1300 m3/h。

例如当料仓是为200t的水泥料仓时,振动式除尘器的面积为24 m2。

有必要在此说明一下,以上只是考虑粉料罐车在间断性打料的方式下进行的选择。对于水泥船长时间打料的情况，根据实际处理经验，笔者认为每间隔1.5到2个小时,应停下来,对仓顶除尘器进行振动清理一下,然后再继续打料,确保除尘器足够的通气性;或者对该料仓加大除尘器面积,否则会发生严重的爆仓事故。笔者曾亲眼目睹过炸开的料仓和被打落到地上的除尘器。为了确保料仓的安全,必须在仓顶安装压力释放装置,以备不测。 3 除尘设备的使用

尽管许多搅拌站选择了面积合适的除尘器,除尘效果仍然不好。有些是安装了除尘器后,称量斗产生负压,影响粉料称量的精确度;有些是使用了没有多久,除尘效果就变得很差。应用方案也是一个很重要的问题。 3.1 关于称量斗产生负压的问题

经过技术分析和现场试验，笔者认为出现这些问题最根本的原因是：搅拌主机和称量斗这两个密闭的空间，由于无空气来源，当抽风机工作时，其内部空气只能被单向地抽出，因此产生负压。如果选用较小的抽风机，由于吸力太小，又不能足以将主机和称量斗的含尘空气抽出。增加一个补气孔可以解决以上问题。当引风机工作时，干净空气从补气孔进入，称量斗的含尘空气被引风机吸入除尘室过滤后排出，空气形成对流，这样就不再会产生负压问题了。具体操作如下：

在称量斗上平面的钢板上开一个φ250的孔，焊接一段带有连接法兰的φ250×80的短钢管，然后用螺栓连接一个φ250×520带有法兰的小型骨架滤袋(如图1)，便于拆卸清理.具体尺寸视现场情况而定。滤袋材料应选用那些透气性好、清灰容易，使用寿命长的除尘布,并且定期清洁。

还可以采用另外一种方法,通过一根φ150的管子将称量斗和搅拌主机直接连通,称量斗中的含尘空气先进入主机,然后再由主机引风管通向除尘器集尘料斗的侧面法兰上,人为延长其工作距离,降低引风机对称量斗造成的影响. 3.2 关于称量斗产生正压的问题

同样在主机上安装补气孔。在主机的上面开一个φ200的孔，焊接一段带法兰的φ200×80的短管子，连结一个φ200×400带弯头的管子，头部用卡箍固定一个滤布套即可(如图 2)。

在补气孔安装的平面上，其位置是离含尘空气排放口越远，参与循环的内部空间就大，除尘效果就越好。

以上两种方案经过实例采用后效果都非常好。 3.3 除尘效果减弱的问题

许多用户为了方便和节省成本,直接将搅拌主机的引风管接在除尘器集尘料斗的下方。由于风机的吸力,脉冲吹落的灰尘无法沉降到底部并流向主机,使滤芯始终处于灰尘的包围之中,灰尘没有沉降的过程,大大降低了除尘器的工作效率.解决的方法是在集尘料斗底部安装一个蝶阀，除尘器工作时关闭,所有的引风管都接在集尘料斗侧面法兰上,为脉冲吹落的灰尘提供沉降的空间，避免滤芯的二次污染(如图3)。根据实际情况,每班或4～5个小时定期打开蝶阀清理出收集来的粉尘.也可以安装一个由混凝土站软件操作系统自动控制的气动蝶阀,定期打开,将粉尘排放到搅拌主机中,减轻劳动强度。综合上述，正确设计和合理选用除尘设备，不仅可以避免粉尘对大气的污染，同时也提高了搅拌站的整体性能

第三篇：环保型混凝土搅拌站三维设计指导书

华北水利水电学院

毕业设计指导书

设计题目

环保型混凝土搅拌站三维设计

班级学号：

姓

名:

指导教师：

设计期限： 2013年2月21日开始

2013年 6月

日结束

机械学院

2013年 2月28日

一、环保型混凝土搅拌站的组成及工作情况

混凝土搅拌站的特性

混凝土搅拌站是由搅拌主机、物料称量系统、物料输送系统、物料贮存系统、控制系统五大组成系统和其他附属设施组成的建筑材料制造设备，其工作的主要原理是以水泥为胶结材料，将砂石、石灰、煤渣等原料进行混合搅拌，最后制作成混凝土，作为墙体材料投入建设生产。混凝土搅拌站自投入使用以来，在我国建筑建材业一直发挥着重要作用，当然这也是混凝土搅拌站本身所具备的优越的特性所决定的。

混凝土搅拌站主要分为砂石给料、粉料给料、水与外加剂给料、传输搅拌与存储四个部分，设备通身采用整体钢结构铸造，优质H型钢不仅外观美观大方，还加强了混凝土搅拌站的整体结构强度，设备安装便捷，可应用于各种复杂的地形结构。

混凝土搅拌站拥有良好的搅拌性能，设备采用螺旋式双卧轴强制式搅拌主机，不仅搅拌机能强，对于干硬性、塑性以及各种配比的混凝土均能达到良好的搅拌效果。且搅拌均匀，效率高。

混凝土搅拌站不仅具有优良的搅拌主机，还具备各种精良配件，如螺旋输送机、计量传感器、气动元件等，这些部件保证了混凝土搅拌站在运转过程中高度的可靠性，精确的计量技能以及超长的使用寿命。同时，混凝土搅拌站各维修保养部位均设有走台或检梯，且具有足够的操纵空间，搅拌主机可配备高压自动清洗系统，具有功能缺油和超温自动报警功能，便于设备维修。

混凝土搅拌站拥有良好的环保机能，在机器运转过程中，粉料操纵均在全封锁系统内进行，粉罐采用高效收尘器/雾喷等方法大大降低了粉尘对环境的污染，同时混凝土搅拌站对气动系统排气和卸料设备均采用消声装置有效地降低了噪音污染。

混凝土搅拌站工作原理

混凝土搅拌站分为四个部分:砂石给料、粉料(水泥、粉煤灰、膨胀剂等) 给料、水与外加剂给料、传输搅拌与存储.其工作流程如图1 所示,搅拌机控制系统上电后,进入人- 机对话的操作界面,系统进行初始化处理,其中包括配方号、混凝土等级、坍落度、生产方量等.根据称重对各料仓、计量斗进行检测,输出料空或料满信号,提示操作人员确定是否启动搅拌控制程序.启动砂、石皮带电机进料到计量斗;打开粉煤灰、水泥罐的蝶阀,启动螺旋机电机输送粉煤灰、水泥到计量斗;开启水仓和外加剂池的控制阀使水和外加剂流入计量斗.计量满足设定要求后开启计量斗斗门,配料进入已启动的搅拌机内搅拌混合,到设定的时间打开搅拌机门,混凝土进入己接料的搅拌车内.

二、系统各部件分析

搅拌主机

搅拌主机按其搅拌方式分为强制式搅拌和自落式搅拌。强制式搅拌机是目前国内外搅拌站使用的主流，它可以搅拌流动性、半干硬性和干硬性等多种混凝土。自落式搅拌主机主要搅拌流动性混凝土，目前在搅拌站中很少使用。

强制式搅拌机按结构形式分为主轴行星搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机。而其中尤以双卧轴强制式搅拌机的综合使用性能最好。

物料称量系统

物料称量系统是影响混凝土质量和混凝土生产成本的关键部件，主要分为骨料称量、粉料称量和液体称量三部分。一般情况下，每小时20立方米以下的搅拌站采用叠加称量方式，即骨料(砂、石)用一把秤、水泥和粉煤灰用一把秤、水和液体外加剂分别称量，然后将液体外加剂投放到水称斗内预先混合。而在每小时50立方米以上的搅拌站中，多采用各称物料独立称量的方式，所有称量都采用电子秤及微机控制。骨料称量精度≤2%，水泥、粉料、水及外加剂的称量精度均达到≤1%。

物料输送系统

物料输送由三个部分组成：

一、骨料输送：目前搅拌站输送有料斗输送和皮带输送两种方式。料斗提升的优点是占地面积小、结构简单。皮带输送的优点是输送距离大、效率高、故障率低。皮带输送主要适用于有骨料暂存仓的搅拌站，从而提高搅拌站的生产率。

二、粉料输送：混凝土可用的粉料主要是水泥、粉煤灰和矿粉。目前普遍采用的粉料输送方式是螺旋输送机输送，大型搅拌楼有采用气动输送和刮板输送的。螺旋输送的优点是结构简单、成本低、使用可靠。

三、液体输送主要指水和液体外加剂，它们是分别由水泵输送的。

物料储存系统

混凝土可用的物料贮存方式基本相同。骨料露天堆放(也有城市大型商品混凝土搅拌站用封闭料仓);粉料用全封闭钢结构筒仓贮存;外加剂用钢结构容器贮存。

控制系统

搅拌站的控制系统是整套设备的中枢神经。控制系统根据用户不同要求和搅拌站的大小而有不同的功能和配制，一般情况下施工现场可用的小型搅拌站控制系统简单一些，而大型搅拌站的系统相对复杂一些。

三、设备选型计算

搅拌机的选型计算

搅拌机以搅拌原理来划分可分为强制式和自落式两类。两者相比，强制式的搅拌作用强烈，一般在30-60秒的搅拌时间就可将混合物拌成匀质性混凝土，自落式的搅拌时间需翻倍甚至更长。

但是在相同的搅拌容量下，强制式与自落式相比搅拌机的驱动功率较大，相应的设备装机总功率及配电设施要增加，但是工作周期较短，所以生产混凝土的单位能耗增加不大。所以，这里选择强制式搅拌主机。

强制式搅拌机按结构型式区分为两类，一类是立式搅拌轴，另一类是卧式搅拌轴。

两者相比立轴型式的功率消耗要高于卧轴型式;对骨料粒径的适应范围立轴型式最大粒径一般为60㎜，卧轴型式最大粒径一般为80㎜。

两者的结构特点，立轴搅拌机的上盖部位受驱动装置安装位置与维修条件的限制，用作搅拌站的主机，不利于骨料投料装置和粉料计量装置的结构设计，而卧轴搅拌机的驱动装置在罐体旁侧位置，罐体上方可合理布置骨料投料和粉料计量装置，驱动装置的维护保养工作也更方便。

砂石输送设备选型

带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成。它可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。

带式输送机具有效率高、运输距离长、动力消耗低等优点、获得了广泛的应用。这里主要用于将搅拌站配置好的砂、石子的混合物料输送给搅拌机。皮带机设计选型的结果，其最大输送能力一般都大于流量的设计参数，而工作时的实际流量取决于输出放料源头装置，设施用时与设计参数有一定的差异，运行时通过控制设定的流程控制制定时和时序，指令相关流程的执行元器件按设计的逻辑程序工作。

皮带机的输送能力的设计选型范围很大，能设配各种规格的搅拌主机，尤其是大规格机型更是非它莫属。

皮带机的带型和倾角按产品结构型式及现场适用条件来选择，适用商混站的C型和E型砼搅拌站一般选平皮带，倾角18°～20°;适用工程站的C型和D型砼搅拌站一般选人字形浅花纹皮带倾角24°～30°。

螺旋输送机的选型计算

螺旋输送机是一种无牵引构件的连续输送机械。它的优点是：LS型螺旋输送机是按照JB/T679-95《螺旋输送机》标准设计制造，是GX型螺旋输送机的换代产品。头部及尾部轴承移至壳体外，吊轴承采用滑动轴承，设有防尘密封装置，轴瓦一般采用粉末冶金，输送水泥采用毛毡轴瓦、吊轴和螺旋轴采用滑块连接，拆卸螺旋时，

不用移动驱动装置，拆卸吊轴承时不用移动螺旋，不拆卸盖板可以润滑吊轴承，整机可靠性高，寿命长，适应性强，安装维修方便,螺旋输送机俗称绞龙，是矿产、饲料、粮油、建筑业中用途较广的一种输送设备，从输送物料位移方向的角度划分，螺旋输送机分为水平式螺旋输送机和垂直式螺旋输送机两大类型，主要用于对各种粉状、颗粒状和小块状等松散物料的水平输送和垂直提升螺旋输送机具有结构简单，制做成本低，密封性强、操作安全方便等优点，中间可多点装、卸料。广泛用于化工、建材、冶金、粮食等部门，在倾角β< 20 °的情况下，输送粘度不大、不易变质、不蝗结块的粉状、颗粒状和小块物料。

定量水表的选择计算

目前市场上共有三种类型的节水水表。

1、第一类型的防滴漏水表是用磁性材料组成的磁压敏元件为防滴漏机构，并将其置于水表入水口的表体内，当自来水向外以滴漏的形式向外流出水时，磁压敏机构就会间歇性地向水表供水，从而使水表计量，这种方式可使水表的始动流量小于0.5 L/H，但这种结构的水表，由于采用了磁柱做活塞，故而最怕水里的铁锈、铁质和泥砂等杂质，其磁柱最容易被水中的杂质卡住而不再具有防滴漏的功能;

2、第二类型的防滴漏水表是用小管或小孔将微小流量的自来水引到水表的叶轮盒上，并对准表芯的叶轮进行喷射，将微小流量的水动能集中在一点上去推动叶轮，从而使叶轮转动来达到对微小流量计量的目的，这种方式的水表可使始动流量达到2 L/H，但这种结构的水表由于将微小流量集中在一处对水表进行喷射，这样会造成水表的多计量，从而就会因为自来水管网的水压不稳而使水表产生较大的潜动(即在用户将水龙头全部关闭而不用水时，因管网水压不稳造成水表进行空转的现象)，这种潜动一般可达192升/天(一个月即使不用水也会空走5m3～6m3的自来水)，导致用户冤枉交水费，从而造成用户投诉和拒缴水费的现象发生，这种结构的另一个缺陷就是很容易被泥砂堵塞和卡死，过了一段时间(一般是三到五个月)后就失去防滴漏的作用;

3、第三类型是隔膜积分式防滴漏水表，它是在普通水表的表壳底0部另做一个腔体，上部结构仍然与普通水表一样，其间用一个软隔膜将其密封的隔开，底部腔体与水表壳出水口相通，在出水口内有一个专门防滴漏机构，当自来水以滴漏的形式向外滴漏时，起初防滴漏机构仍然将水表的出水口封闭，向外滴出的水其实就是水表底部腔体中的水，当这个底部腔体的水(体积为36毫升)被滴漏完毕后，防滴漏机构就会被打开，从而向底部腔体补充排出的水，该腔体的水被补充完毕后，防滴漏机构在弹簧的作用下又将水表出水口密封，又进入下一个循环，在防滴漏机构打开向底部腔体补充水的过程是一个大于水表始动流量的过程，故水表就能进行计量

骨料配料机的选型计算

骨料配料机是集砂和石子的储料、计量、配料输出等功能于一体，模块化设计的果料流程装置。不仅在工程站被广泛应用，也常用于商混站。配料机的型式用代号PL表示，规格用单位为升的阿拉伯数字表示与搅拌主机的进料容量设配的批次骨料容量，如PL1600表示设配1m³搅拌机，其额定出料容量为1000L，进料容量也就是骨料的配料容量为1600L。

PDL系列混凝土配料机是一种新型配料机械、适用于一般的建筑工地、道路、桥梁等工程。可以为出料容量3000升及以下的混凝土搅拌机配料，可由搅拌机提升料斗直接接料，也可由皮带输送机接料。本配料机的称量采用重量控制仪及传感器，可对物料定量、配料和控制、并自动修改落差。本机具有布置合理，结构紧凑，操作简便，配料精确，控制可靠等优点。料仓系统

筒仓是一种封闭式的储存散装物料的罐体，适合储存粮食、水泥、粉煤灰等各种散装物料，具有防雨、防潮、使用方便等特点，筒仓常用规格为100T、150T、200T、300T、500T等，可以按用户要求制作。

砂石仓系统

砂石是混凝土中用量最大的，其用量可占混凝土总量的四分之三左右，只有保证其供给能力，才能使混凝土供给能力的稳定性。一般混凝土搅拌站的每条生产线都拥有四个以上的骨料仓，以便适应不等强度等级的商品混凝土。

除尘器的选型计算

除尘器是把粉尘从烟气中分离出来的设备叫除尘器或除尘设备。除尘器的性能用可处理的气体量、气体通过除尘器时的阻力损失和除尘效率来表达。同时，除尘器的价格、运行和维护费用、使用寿命长短和操作管理的难易也是考虑其性能的重要因素。搅拌站内的粉尘来源和收尘的措施

称量系统

计量装置按计量元素的物理特性区分有流量时间计量、容积计量、重力称重计量等方法，

称重计量装置按结构区分有机械杠杆秤、杠杆电子秤和电子秤等形式，电子秤量装置按受力传感器的数量区分又有一点式、三点式和多点式电子秤的称谓，按受力方式区别还有拉

力传感器或压力传感器的区别。

目前，全电子称重计量的称量装置一般称量斗采用三点式，带计量槽皮带机采用四点式，液态添加剂秤采用一点式电子秤，依照计量装置的安装形式选择拉力或压力传感器。该搅拌站计量系统一般由一水泥秤、添加剂秤、水秤、组成。主要作用是完成水泥、水、外加剂等几种物料的配料过程。搅拌站的计量系统一般包括水计量系统、水泥计量系统、液体外加剂计量系统。

四、混凝土搅拌站生产施工工艺流程

五、结构计算

请参照机械结构设计指导书。

六、三维设计

1.在开始建立装配体模型之前，先对模型进行分析。 2.灵活使用自下而上和自上而下等多种方法来机械设计。 3.思考快速设计方法。

4.建立零件模型，也要对其进行分析，确定特征次序。 5.利用solidworks软件绘制图形 6.模拟动画的生成

七、撰写设计说明书

说明书内容包括： 1.目录 2.摘要

3.设计任务书和产品图 4.正文 5.外文翻译 6.参考文献

说明：说明书的格式和编排次序请参照学院的要求。

八、主要参考文献

1.机械设计手册 2.现代混凝土配合比设计手册 3.硅酸盐工业机械及设备 4.混凝土工手册