基于純液壓的傳動(dòng)系統(tǒng)的混凝土攪拌車(chē)的研究及應(yīng)用

朱超

（中鐵大橋局第九工程有限公司，廣東 中山 528400）

1 混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)結(jié)構(gòu)主要包括專(zhuān)用底盤(pán)、攪拌筒、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、進(jìn)出料口、前后臺(tái)、副車(chē)架、攪拌筒支撐托輪、扶梯等部件。由于它是為了儲(chǔ)存混凝土，在防止混凝土凝固，離析方面具有舉足輕重的作用。它由拌筒體、托輪等組成。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)取力以及驅(qū)動(dòng)攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其穩(wěn)定性和功能控制。

2 攪拌筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

攪拌筒外形截面呈不對(duì)稱(chēng)雙錐形，連接底盤(pán)被固定在底盤(pán)上，圍繞中軸線，攪拌筒旋轉(zhuǎn)。攪拌筒頂部敞開(kāi)，在筒中心填入材料，在錐形筒內(nèi)填料和卸料，筒內(nèi)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)裝卸材料。在攪拌筒前段焊接了攪拌轉(zhuǎn)盤(pán)，它通過(guò)螺栓和減速器上的法蘭盤(pán)伸張壓縮扭矩，同時(shí)，固定攪拌筒起到支撐作用。攪拌筒的頂端安裝了固定環(huán)形通道，通道內(nèi)的中軸線與通道垂直，把小拖輪安裝在攪拌筒支架上，把自由滾輪安裝在環(huán)形軌道上，攪拌筒的上部分由此得以支撐，托輪與法蘭盤(pán)和托輪構(gòu)建了三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 攪拌運(yùn)輸車(chē)系統(tǒng)的計(jì)算

（1）攪拌筒的幾何容積。根據(jù)國(guó)家要求，攪拌車(chē)運(yùn)輸車(chē)應(yīng)該設(shè)計(jì)成梨形，有效容量與幾何容量呈正比，攪拌填充率要滿(mǎn)足以下條件：。

式中，V為公稱(chēng)攪動(dòng)量；Vj為攪拌筒集合容積。

（2）攪拌筒體積尺寸。由于攪拌筒外形不規(guī)律，對(duì)其外形構(gòu)造進(jìn)行分解，對(duì)攪拌筒的劃分，通常分為三個(gè)部分，上端細(xì)長(zhǎng)外形為圓臺(tái)，圓柱中間和下端部分，攪拌筒中間半徑大，兩端最大半徑擠壓收縮為固定半徑，上下兩端圓半徑大致相同。攪拌筒的裝載容量受到其傾斜角度、攪拌筒的橫截面直徑、攪拌筒長(zhǎng)度和筒口直徑等多重要素的影響，傾斜角度小、橫截面面積增大、筒長(zhǎng)度變長(zhǎng)、筒口直徑變大，這些都會(huì)增加攪拌筒的裝載容積，這些因素中，橫截面面積好攪拌筒的長(zhǎng)度直接關(guān)系到攪拌筒的體積大小，為此，研究從傾斜角度、橫截面面積、筒口直徑和攪拌筒長(zhǎng)度等多個(gè)條件要素進(jìn)行分析。

①傾斜角度。在設(shè)計(jì)攪拌機(jī)時(shí)，傾角是一個(gè)需要考慮的因素，它決定著如何選擇以后的參數(shù)，攪拌筒傾斜角度擴(kuò)大，運(yùn)輸車(chē)裝載量增加，提高了攪拌質(zhì)量，但是，裝卸材料的能力也會(huì)受到影響，攪拌筒的平衡承載荷力以及變速器的承載荷重都受到了極大的影響，也會(huì)增加攪拌車(chē)的高度，使其違反交通法規(guī)，導(dǎo)致車(chē)輛行使受到影響。因此，混凝土攪拌系統(tǒng)運(yùn)輸車(chē)的傾斜角度聯(lián)系相當(dāng)密切，并影響著材料的裝卸。

②攪拌筒橫截面直徑增大。中間部分?jǐn)嚢柰仓睆皆黾樱瑘A臺(tái)下部長(zhǎng)度短，與大圓直徑相比，攪拌筒的上端小圓直徑變小，這樣的構(gòu)造可能使攪拌筒重心偏移，能夠確保攪拌筒重心趨于合理，防止攪拌運(yùn)輸系統(tǒng)受到重力限制影響裝載能力。橫截面直徑增大時(shí)，必須確保混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)的裝載效率，穩(wěn)定攪拌筒的重心，保證攪拌筒重心設(shè)計(jì)合理。

③筒長(zhǎng)度。攪拌筒長(zhǎng)度與混凝土裝載量有關(guān)，筒越長(zhǎng)裝載量越大，但是，攪拌筒的長(zhǎng)度不能隨心所欲地進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)受到其他因素的限制，建筑行業(yè)運(yùn)輸車(chē)限定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了運(yùn)輸車(chē)的高度不能超過(guò)3.8m,由于受汽車(chē)行業(yè)底盤(pán)的限制，在設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)，要參考攪拌器的其他參數(shù)，進(jìn)行全面的計(jì)算。

④筒口直徑。攪拌筒直徑影響著混凝土的裝載，筒口直徑大相應(yīng)裝載效率會(huì)提高，裝卸料也與攪拌筒卸料攪拌有關(guān)。而且應(yīng)當(dāng)考慮混凝土攪拌與土泵間的工作效率是否相符合。攪拌筒的筒口直徑越大，裝卸料的進(jìn)出口就會(huì)更方便，作業(yè)時(shí)的效率可以極大地提升。

⑤攪拌筒容積與滿(mǎn)載時(shí)重心計(jì)算。需要結(jié)合攪拌器截面的幾何分析來(lái)計(jì)算其有效體積,如圖1所示。

簡(jiǎn)化研究攪拌筒橫截面，具體可見(jiàn)圖1所示，并且標(biāo)注頂點(diǎn)字母，計(jì)算其參數(shù)時(shí)區(qū)分簡(jiǎn)單，攪拌筒輪廓為ABCDEFGH外形。在攪拌筒圖形中心原點(diǎn)設(shè)定坐標(biāo)，AH線段中心，Y軸朝下，X軸走向?yàn)樽蟆Ｆ渲衁1(x)、Y2(x)、Y3(x)Y4(x)是函數(shù)直接表達(dá)式，表達(dá)式代表的是圓臺(tái)側(cè)面母線，中間圓柱側(cè)母線、左側(cè)母線及混凝土表面投影，設(shè)計(jì)考慮參數(shù)Y2，由此上述方程表達(dá)式為：

設(shè)定誤差值ε進(jìn)行循環(huán)計(jì)算：

式中，(x)-每段微分弓形玄長(zhǎng)；(x)-每段微分弓形截面積。

3 攪拌裝置液壓傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 初始化設(shè)置系統(tǒng)壓力

在功率不變的情況下，隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的降低，相應(yīng)的設(shè)備體積會(huì)變大；隨著液壓的增高，設(shè)備結(jié)構(gòu)就會(huì)變得越來(lái)越完整，減輕液壓元件，使結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，同時(shí)，系統(tǒng)造價(jià)也會(huì)變低，對(duì)液壓系統(tǒng)的壽命起到一定的保護(hù)作用。然而，如果系統(tǒng)的工作壓力太高，就會(huì)受限于元件的強(qiáng)度、密封性能、體積效率、制造精度、輔助零件的材料，以及系統(tǒng)的可靠性和壽命。液壓傳輸系統(tǒng)受到材料、元件和輔料材質(zhì)、容積和效率的影響，液壓系統(tǒng)使用壽命受到限制。

3.2 確定攪拌筒功率

由于攪拌桶中的混凝土流動(dòng)情況比較復(fù)雜，對(duì)其模擬比較困難，對(duì)攪拌筒系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行缺乏完整的分析與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。帶動(dòng)攪拌筒旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)功率一般經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，N為攪拌筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)功率，kW；n為攪拌筒轉(zhuǎn)速，r/min；M為攪拌筒驅(qū)動(dòng)扭矩，Nm。

攪拌筒有效容量與傳動(dòng)力矩的關(guān)系如表1。

表1 攪拌筒有效容量與傳動(dòng)力矩的關(guān)系

攪拌筒滿(mǎn)載攪拌時(shí)，攪拌筒的最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為20r/min，攪拌筒滿(mǎn)載最大攪拌驅(qū)動(dòng)

功率：

攪拌筒滿(mǎn)載攪動(dòng)時(shí)，攪拌筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度恒定為3r/min，攪拌筒滿(mǎn)載恒定攪動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率

4 純液壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用

4.1 純液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)

通過(guò)查閱和計(jì)算得出傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部分的參數(shù)，將它應(yīng)用到仿真模型中，如表2所示。

表2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)

4.2 液壓系統(tǒng)仿真

本文研究選擇MATLAB軟件，建立仿真模型對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真滿(mǎn)載情況下的工況分為：攪拌運(yùn)輸車(chē)全過(guò)程正常工作以及在正常工作時(shí)突然發(fā)生故障或緊急情況，導(dǎo)致攪拌筒停止和啟動(dòng)。通過(guò)建立仿真模型，對(duì)攪拌運(yùn)輸車(chē)的液壓系統(tǒng)的液壓馬達(dá)扭矩轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生影響，隨著時(shí)間的變化，液壓系統(tǒng)馬達(dá)扭矩和流量產(chǎn)生波動(dòng)變化。

從圖2～6的仿真結(jié)果分析得出，混凝土載重量增加，液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)頻率增加，攪拌筒負(fù)載扭矩也線性增加。在進(jìn)料時(shí)，液壓馬達(dá)平穩(wěn)運(yùn)行。液壓馬達(dá)扭矩達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)之前，馬達(dá)扭矩頻率快速變化，這是因?yàn)樵谳斔瓦^(guò)程中，油受到了震動(dòng)，所以，可以通過(guò)安全閥來(lái)防止。但總的來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)減少了撞擊的時(shí)間，沖擊擺動(dòng)頻率變化快，之后馬達(dá)扭矩不再波動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)整體平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)載現(xiàn)象，基本符合預(yù)期。

圖2 液壓系統(tǒng)流量變化曲線

圖3 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 液壓馬達(dá)扭矩變化曲線

圖5 液壓馬達(dá)扭矩局部變化曲線1

圖6 液壓馬達(dá)扭矩局部變化曲線2

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)攪拌筒設(shè)計(jì)研究、容積計(jì)算以及純液壓傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)建立仿真模型，論證了混凝土運(yùn)輸車(chē)純液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)輸負(fù)載、增強(qiáng)運(yùn)輸安全性、減少液壓系統(tǒng)沖擊等方面的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了純液壓傳動(dòng)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為純液壓傳統(tǒng)混凝土攪拌車(chē)的實(shí)際應(yīng)用和推廣起到了促進(jìn)作用。