礦用混凝土攪拌運(yùn)輸罐車關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

許文超， 成云海， 趙國金

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001；3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 山西 大同 037003)

礦用混凝土攪拌運(yùn)輸罐車關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

許文超1,2， 成云海2， 趙國金3

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001；3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 山西 大同 037003)

摘要：為提高濕噴混凝土效率，根據(jù)混凝土攪拌運(yùn)輸車的工作原理，結(jié)合濕噴混凝土技術(shù)，設(shè)計(jì)了礦井專用濕噴混凝土攪拌運(yùn)輸罐車.攪拌罐采用平放式設(shè)計(jì)，駕駛艙為單人駕駛艙，發(fā)動(dòng)機(jī)為防爆大功率柴油機(jī).針對(duì)平放式攪拌罐，推導(dǎo)了攪拌罐盛裝體積的計(jì)算公式.對(duì)平放式和15°傾角放置的攪拌罐進(jìn)行了滿載制動(dòng)和滿載卸料兩種工況下的靜力分析.結(jié)果表明：在滿載制動(dòng)和滿載卸料工況下，15°傾角攪拌罐的線性安全系數(shù)分別為平放式攪拌罐的83.3%和81.5%.

關(guān)鍵詞：礦井；混凝土；濕噴；攪拌運(yùn)輸罐車；攪拌罐

凝土攪拌運(yùn)輸車是用來運(yùn)送預(yù)拌混凝土的專用卡車[1].為適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境和不同的施工場(chǎng)合，混凝土攪拌運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)和功能會(huì)有很大變化[2].如在隧洞工程中已投入使用改裝的混凝土運(yùn)輸罐車，用來實(shí)現(xiàn)長距離、高容量運(yùn)輸[3].在礦井工程中，隨著濕噴混凝土技術(shù)[4]的推廣，混凝土攪拌運(yùn)輸車也得到了實(shí)際應(yīng)用.混凝土濕噴系統(tǒng)主要包括地面攪拌站、混凝土攪拌運(yùn)輸車和濕噴機(jī)三大部分，其中，混凝土攪拌運(yùn)輸車承擔(dān)著混凝土的運(yùn)輸和攪拌工作.

礦井中普遍使用的混凝土攪拌運(yùn)輸罐車，其攪拌罐大多呈雙錐體，中間一段為圓柱，攪拌罐的安裝角度一般為15°～19°，工作容積約占總?cè)莘e的65%[5]，該類型罐車的整車尺寸較大，在礦井狹小空間中行走和轉(zhuǎn)彎的靈活性差.因此，這種傳統(tǒng)的混凝土運(yùn)輸車車型無法在礦井中有效的使用.同時(shí)，考慮到礦井用混凝土運(yùn)輸車運(yùn)送到礦井下較麻煩，故礦井用攪拌運(yùn)輸車單次盛裝量應(yīng)保證盡可能多，從而減少運(yùn)送次數(shù)，減少成本、提高效率.設(shè)計(jì)礦井專用的混凝土攪拌運(yùn)輸罐車有望解決現(xiàn)有混凝土運(yùn)輸車在礦井下使用時(shí)帶來的一系列難題[6].為此，本文結(jié)合礦井濕噴系統(tǒng)的工藝流程和作業(yè)環(huán)境，研制礦井濕噴混凝土攪拌運(yùn)輸罐車.

1總體結(jié)構(gòu)配置

礦井濕噴混凝土攪拌運(yùn)輸罐車(以下簡稱混凝土攪拌運(yùn)輸罐車)如圖1和圖2所示，整車形式為平頭自卸式，適合在礦井中使用，與混凝土濕噴系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備地表攪拌站、濕噴機(jī)配套使用.

1.駕駛艙； 2.發(fā)動(dòng)機(jī)； 3.車架； 4.攪拌罐；5.進(jìn)料口； 6.液壓缸； 7.扶梯圖1　礦井濕噴混凝土攪拌運(yùn)輸罐車結(jié)構(gòu)圖

圖2　混凝土攪拌運(yùn)輸罐車現(xiàn)場(chǎng)工作圖

混凝土攪拌運(yùn)輸罐車主要包括駕駛艙、攪拌罐、發(fā)動(dòng)機(jī).罐車的車身長度在原有車型上縮短20%；攪拌罐設(shè)計(jì)成平放式攪拌罐，整車高度減少25%；和傳統(tǒng)的傾斜式攪拌罐相比，平放式的攪拌罐使攪拌罐的攪拌容積大幅增加，達(dá)到幾何容積的90%，能顯著提高盛裝容量.在攪拌效果方面，攪拌罐的斜置角度對(duì)攪拌葉片的攪拌參數(shù)產(chǎn)生影響[7].為保證攪拌效果，攪拌葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)與攪拌罐放置形式相匹配，在此不做深入研究.

根據(jù)礦井防爆的作業(yè)要求，混凝土攪拌運(yùn)輸罐車的底盤由WC3FB型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的底盤改裝而成，罐車的發(fā)動(dòng)機(jī)選用型號(hào)為YH4108FB的大功率防爆柴油機(jī)，底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配性.采用大功率防爆發(fā)動(dòng)機(jī)能保持罐車良好的動(dòng)力性，提高在礦井下的爬坡和行駛性能.為解決混凝土在攪拌罐中凝固和堆積在內(nèi)壁上的問題，混凝土攪拌罐上設(shè)有扶梯，便于通過進(jìn)料口對(duì)罐體內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控.罐車的主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1混凝土攪拌運(yùn)輸罐車的主要技術(shù)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/mm×mm×mm5700×2060×2250整機(jī)重量/kg4000額定載重量/kg3000最大牽引力/kN30最大爬坡度/(°)15(前輪距/mm)/(后輪距/mm)1600/1580(標(biāo)定功率/kW)/(轉(zhuǎn)速/r·min-1)50/2400

2主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1駕駛艙

混凝土攪拌運(yùn)輸罐車的駕駛艙設(shè)計(jì)為單人艙，如圖3所示，駕駛艙的寬度減為常規(guī)雙人艙的50%左右，整車寬度的減少，節(jié)約了制造成本，且可提高罐車在狹窄礦井中轉(zhuǎn)彎和變向的靈活性，對(duì)礦井(包括斜井)的適應(yīng)性較好.

2.2攪拌罐

根據(jù)專用汽車的設(shè)計(jì)理論[5]，對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸罐車的攪拌罐進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)了一種平放式攪拌罐，如圖4所示.攪拌罐的進(jìn)料口安裝在攪拌罐尾端的頂部，出料口安裝在攪拌罐尾端的下部.出料口上的封蓋采用活頁式設(shè)計(jì)，配合液壓缸的伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)出料口開口大小的控制.液壓缸設(shè)置于出料口上，其輸出端與封蓋鉸接.液壓缸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作由操作手柄通過液壓回路控制[8].

3濕噴流程優(yōu)化

混凝土濕噴流程包括“地面配料、攪拌”和“井下濕噴”兩大模塊[9]，將攪拌罐設(shè)計(jì)成平放式，攪拌罐的出料口和進(jìn)料口高度均降低，能顯著優(yōu)化濕噴系統(tǒng)的濕噴流程.

在“地面配料、攪拌”模塊，混凝土攪拌運(yùn)輸罐車進(jìn)料口，接裝從攪拌槽內(nèi)自卸出的混凝土，并輸送到攪拌罐中，如圖5所示.混凝土攪拌運(yùn)輸罐車攪拌罐的進(jìn)料口降低后，使地面攪拌站的高度大大降低，減少了提升機(jī)的提升高度，降低了生產(chǎn)成本.

圖5　罐車與地面攪拌站連接圖

在“井下濕噴”模塊，攪拌罐中的混凝土通過出料口自卸到濕噴機(jī)料斗里，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井巷道的濕噴工作，如圖6所示.在混凝土攪拌運(yùn)輸罐車與濕噴機(jī)料斗配套使用時(shí)，攪拌罐出料口高度降低后與外部濕噴機(jī)料斗的水平高度相等，實(shí)現(xiàn)高效的對(duì)接.同時(shí)，出料口高度的降低便于工作人員手動(dòng)清理出料口，保證混凝土流通的順暢性，提高生產(chǎn)效率.

在運(yùn)輸路線方面，當(dāng)井下噴漿點(diǎn)離地面攪拌站距離較遠(yuǎn)時(shí)，可采用多臺(tái)混凝土攪拌運(yùn)輸罐車運(yùn)送混凝土.

圖6　罐車與濕噴機(jī)連接圖

4攪拌罐的容積計(jì)算

平放式攪拌罐的罐體為四段式結(jié)構(gòu)，如圖7所示，從左到右依次為第一圓臺(tái)、中間圓筒、第二圓臺(tái)、第三圓臺(tái).以第二圓臺(tái)為例來介紹在攪拌罐不同液面高度時(shí)，攪拌罐盛裝體積的計(jì)算方法.混凝土液面距罐底的高度為H，第二圓臺(tái)的大端半徑為R，小端半徑為r.

(1)當(dāng)混凝土液面高于攪拌罐中心面時(shí)，如圖7所示，即H>R，則攪拌罐盛裝體積計(jì)算如下：

圖7　攪拌罐結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

第二圓臺(tái)內(nèi)盛裝的混凝土的總體積V包括混凝土上體積V2和混凝土下體積V1，且

V=V1+V2

(1)

混凝土下體積V1的計(jì)算公式為

(2)

混凝土上體積V2需要由積分方法求得，沿X軸方向距離第二圓臺(tái)左端面為x位移的截面處取任意微元體積dv=s1dx.圖8為該截面的示意圖.混凝土的積分面積為圖8中陰影部分的面積，等于對(duì)應(yīng)的等腰三角形面積和兩個(gè)扇形的面積之和[10],且

圖8　距第二圓臺(tái)左端面x位移處的截面圖

R1=R-xtanα

(3)

(4)

(5)

式中：α為第二圓臺(tái)半錐角；R1為x位移處截面圓半徑；β1為扇形對(duì)應(yīng)的圓周角.則可求得V2

(6)

式中：L3為第二圓臺(tái)的高.

(2)當(dāng)混凝土液面低于攪拌罐中心面時(shí)，如圖9所示，即H

圖9　攪拌罐結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

第二圓臺(tái)內(nèi)混凝土的體積V3需由積分方法求得，沿X軸方向距離第二圓臺(tái)左端面為x位移的截面處取任意微元體積dv=s2dx.圖10為該截面示意圖.混凝土的積分面積為圖10中陰影部分的面積，等于對(duì)應(yīng)的扇形與等腰三角形面積之差[10]，且

圖10　距第二圓臺(tái)左端面x位移處的截面圖

R2=H-xtanα

(7)

(8)

(9)

式中：R2為x位移處截面圓半徑；β2為扇形對(duì)應(yīng)的圓周角.則可求得V3

(10)

5攪拌罐的有限元分析

對(duì)罐車的平放式攪拌罐進(jìn)行有限元分析時(shí)，將模型簡化為罐體、法蘭和滾道三大部分，攪拌罐各組成部分材料屬性見表2.運(yùn)用CATIA建立攪拌罐的三維模型，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分.其中，罐體采用殼體SolidShell單元，尺寸大小30mm，法蘭和滾道采用六面體單元，尺寸大小8mm,共劃分網(wǎng)格單元196 756個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)382 298個(gè)，攪拌罐的有限元模型如圖11所示.

表2攪拌罐各組成部分的材料屬性

名稱材料屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比密度/g·cm-3罐體16Mn3452060.277.85法蘭滾道Q2352352100.307.80

圖11　攪拌罐的有限元模型

為保證超載工況下罐體的強(qiáng)度，此處攪拌罐的滿載工況是指100%滿載的極限工況.滿載工況下，攪拌罐的約束施加為：法蘭處施加固定約束，滾道處施加FrictionlessSupport約束；載荷的施加：罐體的自重以重力加速度的形式施加在罐體上，罐體內(nèi)混凝土對(duì)罐體的作用力以靜水壓力的形式施加在罐體內(nèi)壁上.對(duì)于滿載制動(dòng)工況，在攪拌罐上再施加6m/s2的減速度，其變形與應(yīng)力云圖如圖12所示.

(a)變形云圖　　　　 　　　　(b) 應(yīng)力云圖圖12　滿載制動(dòng)工況下平放式攪拌罐變形與應(yīng)力云圖

由圖12可知，攪拌罐最大變形位于法蘭圓周外圍的下方腰形區(qū)域，為1.227 6mm，攪拌罐其余部分變形較均勻，約為0.8mm，均小于罐體的允許變形量6mm[11]；攪拌罐應(yīng)力最大值位于法蘭與罐體的連接處，為153.38MPa，滾道處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值約50MPa，均小于攪拌罐安全系數(shù)[11]取1.5時(shí)的許用強(qiáng)度230MPa，因此，罐體強(qiáng)度滿足要求.

在滿載卸料工況下，攪拌罐載荷的施加為：在法蘭上施加反轉(zhuǎn)扭矩，其它載荷同滿載工況.攪拌罐的約束施加同滿載工況，其變形與應(yīng)力云圖如圖13所示.

(a)變形云圖　　　　　　　　(b)應(yīng)力云圖圖13　滿載卸料工況下平放式攪拌罐變形與應(yīng)力云圖

由圖13可知，攪拌罐最大變形位于法蘭圓周外圍的下方腰形區(qū)域，為1.083 3mm，攪拌罐尾錐部變形次之，為0.6mm，均小于6mm；攪拌罐應(yīng)力最大值位于法蘭與罐體的連接處，為144.47MPa，滾道處應(yīng)力值約為40MPa，均小于230MPa，攪拌罐其余部分應(yīng)力值較小.

為對(duì)比攪拌罐采用平放式和傾斜式兩種放置方式下，罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化，現(xiàn)將攪拌罐采用15°傾角放置，在workbench中模擬攪拌罐的實(shí)際加載條件，對(duì)攪拌罐進(jìn)行滿載制動(dòng)、滿載卸料兩種工況的靜力分析，攪拌罐的變形和應(yīng)力云圖如圖14和圖15所示.攪拌罐在兩種放置方式下的有限元分析結(jié)果見表3.

(a)變形云圖　　　　　　　　　 (b) 應(yīng)力云圖圖14　滿載制動(dòng)工況下15°角攪拌罐變形與應(yīng)力云圖

(a)變形云圖　　　　　　　　　(b) 應(yīng)力云圖圖15　滿載卸料工況下15°角攪拌罐變形與應(yīng)力云圖

表3攪拌罐在兩種放置方式下的分析結(jié)果

放置方式滿載制動(dòng)工況滿載卸料工況變形量/mm應(yīng)力值/MPa變形量/mm應(yīng)力值/MPa平放式1.2276153.381.0833144.4715°傾角2.3795184.22.2282177.32

在罐車滿載制動(dòng)工況下，平放式攪拌罐線性安全系數(shù)[12]為2.25，15°角攪拌罐的線性安全系數(shù)為平放式攪拌罐的83.3%；在滿載卸料工況下，平放式攪拌罐線性安全系數(shù)為2.39，15°角攪拌罐的線性安全系數(shù)為平放式攪拌罐的81.5%.通過對(duì)比分析可見，攪拌罐水平放置時(shí)的線性安全系數(shù)明顯高于15°角放置時(shí).

6結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了礦井專用混凝土攪拌運(yùn)輸罐車，在原型車基礎(chǔ)上，車身長度縮短20%，駕駛艙寬度減為原來的50%；攪拌罐設(shè)計(jì)成平放式攪拌罐，整車高度減少25%，攪拌容積約為幾何容積的90%.發(fā)動(dòng)機(jī)選用防爆大功率柴油機(jī).

(2)推導(dǎo)了在不同液面高度時(shí)攪拌罐盛裝體積的計(jì)算公式；通過對(duì)水平放置和15°傾角放置的攪拌罐進(jìn)行滿載制動(dòng)和滿載卸料兩種工況下的有限元靜力分析，得出在滿載制動(dòng)和滿載卸料工況下，15°傾角攪拌罐的線性安全系數(shù)分別為平放式攪拌罐的83.3%和81.5%.研究成果可為濕噴混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考借鑒.

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(編輯：郝秀清)

Structuredesignandsimulationoftankerformixingconcreteusedformine′soperation

XUWen-chao1,2,CHENGYun-hai2,ZHAOGuo-jin3

(1.CollegeofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.KeyLaboratoryforCoalMineSafetyandEfficientMiningofMinistryofEducation,Huainan232001,China;3.TechnologyCenter,DatongCoalMineGroupCompanyLimited,Datong037003,China)

Abstract:In order to ensure the wet spraying concrete system of its consistency, and to improve efficiency of wet spraying concrete system, a dedicated concrete mixer and tanker used for mine′s operation is designed in combination with the operating principle of concrete mixer and tanker, as well as the technical feature of the wet spraying concrete. The agitation tank is arranged in flat design, the space of cockpit allows single person,and the engine is anti-explosion, high-power diesel engine. For the flat agitation tank, the volume computational formula is deduced.The static analysis of agitation tank that placed in flat and 15 ° angle in full unloading and full braking conditions is conducted.Finally it is concluded that the linear safety factor of agitation tank placed in 15 ° angle is respectively 83.3% and 81.5% of flat agitation tank in full unloading and full braking conditions.

Key words:mine; concrete; wet spray; mixer and tanker; agitation tank

收稿日期：2015-11-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174002); 安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1301022075).

作者簡介：許文超，男，wenchaoxu521@163.com; 通信作者： 成云海，男，chengyunhai2005@126.com

文章編號(hào)：1672-6197(2016)05-0007-05

中圖分類號(hào)：TD402

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A