低質心混凝土攪拌車結構的可行性討論

2011年12月，本刊編輯部收到了山東迅力特種汽車有限公司張慶平作者投來的《新型低質心混凝土攪拌車設計原理與結構》的文稿（詳見本期第74頁）。編輯初閱之后，認為該結構設計比較新鮮，值得相關企業的技術人員關注和借鑒。從本刊論文審閱專家反饋的信息來看，所介紹的結構近兩年已在攪拌車上得以應用，但其可行性或效果如何尚待驗證。編輯又特意咨詢了對攪拌車及雙托輪做過研究的吳虹飛和王飛兩位資深技術專家。現將審閱老師、兩位專家和與張慶平作者交換的討論內容整理成文，供讀者借鑒。

審閱意見一：

該文對攪拌車結構的兩項改進進行了介紹：一是通過改進副車架結構，將罐體臥在副車架里面，達到降低整車高度、提高整車穩定性及增大罐體有效容積的目的；二是增加一組滾道、滾輪來改善整車受力情況，提高罐體、副車架、減速機、托輪等的使用壽命，同時提高車輛行駛時的穩定性。

就第一項改進來說，這種結構能使整車降低80 mm高度（12 m3的副梁高度一般為120 mm，在降低高度后至少還得保留50 mm的間隙，否則罐體會與底盤大梁之間的橫梁發生摩擦）。本文文尾提到了“該結構由于罐體安裝位置低，可以適當增加其傾斜角度，這樣既能增大罐體有效容積，又不會使攪拌車整車高度超過規定值。”其實，在6×4底盤上裝配12 m3或14 m3罐體，若增加小于0.5°傾斜角度就能使整車高度增加80 mm以上，那么實際上因改變副車架結構帶來的整車高度的降低又被因增加傾角而增大的高度給抵消了，而這對罐體有效攪拌容積的貢獻僅是0.2 m3。經權衡考慮，我認為既然為了降低整車高度，就沒有必要再為增加這么點容量而去增大傾角。再者，三橋底盤上裝為12 m3的攪拌罐因罐體長度不比14 m3的攪拌罐長而不會存在上述整車超高的問題，因為上裝為14 m3的攪拌罐時，底盤在超載超高方面才會達到極限。因此，為了增加那么點容量改變傾角顯然是不合適的。

通過上述分析可知，雖然攪拌車采用改進后的結構降低80 mm高度是可行的，但是增加容量是不可取的。如果采用前后兩段副車架的方案，在副梁與底盤縱梁固定時需要分別獨立固定，尤其是需要控制副梁的前后位移。在此處布置連接座時，一定要有兩組“八”字型布置，使其更具穩定性（見圖1）。

就第二項改進來說，改善整車內部受力結構，提高罐體、副車架、減速機等使用壽命及提高車輛行駛穩定性，是在增加一組滾道滾輪的情況下，增多了一個支撐點而非兩個，因為兩個滾輪是并聯裝配為一組，固定在一個安裝架上面，而在罐體中節后部增加一個支撐點，確實會對罐體的副梁、后支架的應力集中有分散作用，但減小對減速機的沖擊力的目的未必能實現。

目前，6×4底盤上通常布置12 m3或14 m3的攪拌罐，尚未聽說因為三點支撐強度不夠導致罐體和后支撐變形損壞的情況，所以作者提出的問題似乎是想說明可解決一個原本不存在的問題。至于對副梁和軸承所起的作用，雖然增加了一個支撐點，能起到分散受力集中的作用，但是具體起多大作用還得看使用情況。軸承本身雖為易損件，但成本也就四五十元一盤，且安裝合理的話，使用壽命一般也有二年。因此，從改善整車內部受力結構，提高罐體、副車架、減速機等使用壽命及提高車輛行駛穩定性目的來說，增加這組滾輪滾道并沒有必要。再者因為該車后部主滾道采用具有自動調心功能的雙托輪結構，這就使罐體中心線及整車質心有左右擺動的可能，盡管有及時回調的功能，但是要求輔滾道滾輪制作安裝精度非常高，時刻保證能向罐體中心線及質心回調，輔助雙滾輪在罐體正下方起支撐作用，否則就會導致盡管罐體中心線及質心能回調，但是輔滾輪沒有調整到正下方而常會偏向一邊，那么它對罐體的支撐力就會與垂直方向形成夾角。如文中所述：“輔助滾道下裝有一對輔助雙托輪，能隨著罐體的左右移動而偏擺，這樣即使罐體和托輪有安裝誤差，也能保證6個托輪均與滾道接觸。”此處，6個托輪和滾道雖然都能接觸到，但是如果這個支撐力和垂直方向形成夾角，則會對罐體的穩定性起反作用，從而影響到整車穩定性。制作安裝精度的控制一般有兩種方法，一是安裝后用精加工的方法控制，二是安裝時需要一點一點地墊滾輪座來控制。從該文的分析上看，沒有給出解決控制精度的方法。

從成本角度來說，第一項改進成本變化不大，不予討論；第二項改進增加了一個滾道和一組滾輪。一個直徑為2.4 m左右的滾道價格在4 200～4 500元，一組滾輪的價格在3 000元左右。這兩個部件一般廠家都是外購的，即使有一部分滾輪零件是自己制作，直接增加成本最少也在7 000元左右。再加上制作及安裝工藝復雜帶來的成本增加，總的成本增加則應在7 500～8 500元之間。整個12 m3或14 m3的攪拌車上裝部分的直接成本為8.5～9萬元，若按照上面的分析計算來看，成本增加了8.5%～10%。從這個角度來看，第二項改進用在12 m3或14 m3攪拌車上的成本過高而沒有必要。

通過上述兩個方面分析來看，作者在6×4底盤上所做的結構改進只有副梁降低高度有實際意義，最多可以降低高度80 mm，現在市場上好多廠家已經是這樣做了，也就算不上是創新。至于第二項改進，可以作為技術儲備，如果發展超大方量的半掛式混凝土攪拌車，應該會有其用武之地。

審閱意見二：

文中對攪拌車結構所做出的兩項改進，雖談不上新型，但確實可以降低整車的質心高度，對改善整車的行駛穩定性有一定的貢獻。

超大方量攪拌車的行駛穩定性較差確實是不可忽視的問題。另外，由于副車架兩部分的對接位置處于車架扭轉變形相對較大的區域，經常會在該處產生裂紋，因此對結構和焊接的處理比較重要。

副車架的高度一般在120 mm左右，降低后的前半部分副車架的高度能保證多少？結構的強度、剛度能否保證？

副車架降低高度80～120 mm，也就是說罐體的質心可以降低80～120 mm。整車的質心降低高度肯定會小于以上范圍，按照一般底盤和滿載罐體的質量比估算，底盤質心對整車質心高度的影響應在20%以上。

審閱意見三：

三一無副梁攪拌車是2010年上海寶馬展上的一大亮點，而且據說經歷了近一年的市場驗證，效果不錯。畢竟底盤是三一設計的，可以專門對車架強度進行加強。而文章中所提到的攪拌車兩項改進無疑可以降低整車質心，但是對于大方量攪拌車，如果底盤不進行加強，底盤或上裝是否會出現質量問題，尚有待驗證。

審閱意見四：

2009年我就見過該類車的照片，是重汽華昌研制生產的；2011年的梁山車展上也有類似的樣車展出。該車的主要特點是增加了一條滾道和一對托輪；至于降低副車架高度的結構，早先許多6～8 m3的攪拌車就使用過，但是用于12 m3以上的攪拌車還較為少見，若不是與本文所說的罐體結構結合使用，副車架斷裂的幾率會很高。

托輪與滾道接觸得是否緊密與整車的穩定性關系不是特別大。另外說句題外話，雙托輪總成一般是要能與單托輪總成互換的（保證其通用性）。這樣托輪在同等安裝距的條件下，使用雙托輪結構的罐體穩定性就不如單托輪結構好。

吳虹飛（鄭州宇通重工有限公司 副總經理/技術部長）

1. 受整車寬度、高度的限制，大方量攪拌車罐體只能向長度方向發展（整車長度不能超過12 m），但增加罐體長度會降低罐體的整體剛度，加之罐體旋轉時罐內混凝土攪拌產生的動載荷使罐體的工作狀況惡化，進而引起相關零部件的損壞。

2. 文章的新觀點是通過減速機與主軌道下的兩個雙托輪形成三點主支撐，通過輔助軌道下的一個雙托輪與主軌道下的兩個雙托輪形成三點輔支撐，通過增加支撐改善罐體的工況，同時托輪數量增加使承載均布，減小托輪尺寸降低了整車高度，提高了托輪、罐體可靠性，思路獨特，值得深入研究。

3. 建議：一是取消低重質心副車架，將前臺與后臺分開獨立；二是輔助軌道下的一個雙托輪在其安裝面位置增加彈性元器件，確保該托輪與輔助軌道接觸、承載并具有緩沖功能。

王飛（三一重工股份有限公司泵送國際研究院 項目經理/主任工程師）

1. 大方量攪拌車由于裝料多，易出現攪拌罐變形和向前移位的問題，而這和改變傾斜角沒有關聯。反之，傾斜角增加，不僅增大整車高度，而且對前端的作用力會增大。大方量攪拌車一般采用4軸底盤，目的在于降低整車高度，滿足設計要求。

2. 在攪拌罐中段增加托輪支撐的思路不錯。這有助于減少中段的變形，但必須考慮到托輪與滾道的接觸情況，否則，滿載時攪拌罐的變形及位移，都可能導致托輪與滾道接觸情況的改變。三一大方量攪拌車也采用中間托輪支撐形式（已申請了專利），但在設計上采用雙托輪底座安裝在鋼板彈簧上，同時保證托輪可隨滾道位置的改變而轉動角度，始終保持托輪與滾道接觸良好，既起到支撐作用，又滿足滿載時滾道的位置變化。

3.受城市化進程影響，我國對大方量攪拌車需求很大。然而，國外的法規對超載制裁很嚴厲，一般8 m3車必須采用4軸底盤，最大方量為12 m3，尤其是美國，法規要求更嚴，為滿足道路法規要求，一般在底盤上增加隨動輪。近期我前往美國參觀拉斯維加斯工程機械展(Conexpo-Con/Agg)就看到了這種攪拌車的結構形式，所以說攪拌車今后發展趨勢不是方量越大越好。

總的來說，這種設計思路不錯，但在具體設計時需要考慮到攪拌車實際的工況，文章中應對這些問題做具體的說明，或許更有實際價值。

張慶平（作者）：

如何讓混凝土攪拌車裝得多且運行穩定是生產廠家一直在努力挑戰的難題。我們基于對市場的調查與分析，采取以下技術和方法嘗試解決。

1. 降低攪拌車質心高度

質心高度主要影響攪拌車的使用性能。包括其縱向穩定性和側向穩定性，也包括其制動、驅動和坡道行駛時軸質量轉移系數。一般車輛的縱向穩定性尚能滿足要求，但質心過高，在不平整路況時極易導致車輛橫向失穩，特別是彎道行駛時，易造成側向傾翻。這主要是攪拌車轉向行駛的同時伴隨著攪拌罐旋轉帶動罐內混凝土，使整車質心朝某一方向偏移，偏移的狀況與攪拌車行駛形態（轉彎半徑、行駛速度、車輛質心總偏移量等）要素有關。因此，降低質心高度，合理配載，是保證車輛行駛穩定性和安全性的根本。為保證攪拌罐有良好的穩定性，我們增大了副車架上的承載面積，采用外跨式前后支座，使傳力明晰、結構剛度大、聯接更可靠（見圖2和3）。

在設計主副車架時，采用了多種連接方式進行多點定位連接，通過卡槽式連接座控制副車架的前后位移，真正實現主副車架的剛性連接，保證主副車架的變形一致（見圖4和5）。

2. 綜合考慮成本增加問題

關于成本增加問題，需要綜合考慮。通過優化受力分布、增加支撐點、減小應力集中、使副車架受力更均勻。

支承結構承載著攪拌罐的全部工作負荷，是限制有害跳動和保證攪拌罐繞其軸線正常轉動的重要部件。對攪拌罐支承結構除了要有足夠的承載能力和保持可靠的約束條件外，還要求它對攪拌罐的回轉阻力小，對支承部件因工作變形而引起的干涉有自動調整能力，并能將載荷較為合理地傳遞給機架和底盤。目前傳統攪拌車對于斜置型攪拌罐，均采用中心轉軸與調心滾子軸承、滾道與一對支承托輪所組成的3點支承結構。這種結構簡單可靠、穩定性好，便于攪拌罐的驅動，對底盤的負荷分布也較為合理。為了進一步減少工作時底盤變形對支承結構的影響，改善副車架受力狀況，我們使用了如論文中所述的雙滾道6托輪結構，以降低每個部位的支撐力，同時縮短支撐距離，減小攪拌罐在重荷下的變形量，以及對罐體的應力集中，保證罐體在重荷下不被破壞。這樣在同等載荷下，可以將主滾道減薄，以降低滾道成本。同理，還可如吳工所說在輔助軌道下的雙托輪安裝面位置增加彈性元器件，確保該托輪與輔助軌道接觸、承載并具有緩沖功能。以有效緩解攪拌罐因罐體徑向跳動對減速機瞬間產生的沖擊力，大大提高減速機的有效使用壽命。由于每個部位的支撐力減小，使每個托輪的受力相應減小，也大大延長了托輪軸承的使用壽命。使客戶的使用、維護費用降低。此外，還對罐體的厚度進行減薄，罐體由原設計厚度為6 mm的下差板再減小0.5～1 mm，這樣使得制造成本降低。因此，雙滾道6托輪結構雖然在有些方面增加了成本，但是在另一些方面降低了成本。這可以根據市場與客戶的需求，綜合考慮。

3. 輔助托輪支撐力與垂直方向的夾角問題

關于輔助托輪支撐力與垂直方向的夾角問題，輔助托輪只有在罐體跳起落下后才起作用。在罐體落下后，主滾道下的4個托輪已將罐體定位在車輛的中心位置，此時輔助托輪與罐體的中心是重合的，因此輔助托輪向上的托力與垂直方向是重合的。如果有誤差也是由于安裝誤差造成的，只要控制好安裝誤差，則輔助托輪向上托力的的偏擺很小，可以忽略不計。