混凝土搅拌车新型螺旋线搅拌叶片的设计

混凝土搅拌车新型螺旋线搅拌叶片的设计摘要：基于微分原理，提出了搅拌筒叶片新的推导方法，推导了对数螺旋线与平方螺旋线，结合经验，设计出一种新型的搅拌筒叶片曲线，与传统对数螺旋线叶片进行对比，它的搅拌均匀性、出料速度和出料残余率性能有很大提高，进一步建立了新型搅拌筒三维数字模型。关键词：搅拌车对数螺旋线混凝土搅拌近年来我国的混凝土搅拌运输车需求量越来越大，然而实际运用中，混凝土搅拌运输车在搅拌和卸料性能都存在很多弊端，而叶片是混凝土搅拌装置中实现工作性能的主要部件，其设计是否合理直接影响混凝土搅拌和出料性能，为保证混凝土搅拌和卸料时的均匀顺畅，混凝土搅拌筒叶片螺旋线型线和螺旋角的选择至关重要。以往文献大多介绍的是等角或非等角对数螺旋线搅拌叶片的设计方法，但对于不同螺旋线的数学规律还未作深入的阐述，虽然非等角对数螺旋线搅拌叶片在搅拌性能上已经有很大提高，但是在出料性能上还是存在出料速度慢、积料现象。为改善出料性能存在的不足，该文分析搅拌叶片的搅拌出料机理，突破传统的对数螺旋线的推导方法，基于微分原理利用新的推导方法设计了一种新型螺旋线搅拌叶片。1传统对数螺旋线搅拌叶片目前混凝土搅拌车搅拌叶片的母线大多数采用的是等角或非等角对数螺旋线。进一步分析等角对数螺旋线搅拌叶片的特征，得出叶片方程为：(如图1)由上式（1.1）可知，当圆锥顶角α为确定值时，叶片螺旋面的形状取决于投影位置角θ和螺旋角β。当螺旋角过小时，工作点在螺旋面的位置过高，混凝土将不会沿着螺旋面曲线方向滑动，而是向两边滑走，以至于影响混凝土出料速度，功率损耗增大。2推导三种搅拌叶片螺旋线方程的新方法对搅拌车对数螺旋线搅拌机理进行深入研究，结合某厂生产搅拌车叶片的经验，利用微分方法推导了对数螺旋线，并结合实际经验，总结出搅拌筒叶片的成型规律，进而针对目前传统搅拌车叶片的不足。设计出一种新型螺旋曲线。2.1传统搅拌筒叶片螺旋线(1)对数螺旋线与平方曲线搅拌筒叶片曲线分为三段，前锥段、圆柱段和后锥段。后锥段是搅拌筒出料的关键部件，因此，对后锥段型线特性进行分析成为搅拌筒设计的关键。搅拌车搅拌筒的截面图形如图2所示，有一条螺旋线沿表面从圆锥部分过渡到圆柱部分，圆柱段半径为r0（常数），圆锥段总高度为h0（常数），螺距为M（其中圆柱段螺距为定值M0）。比较对数螺旋线和平方曲线两种曲线高度h随转角的变化关系式，可以看出这两种关系式在形式上很类似，都有一个共同的表达式，这里把它定义为搅拌筒后锥大锥角，且满足。则对数曲线和平方曲线的高度h还可以表达为：3新型搅拌筒叶片曲线与传统搅拌筒叶片曲线性能对比螺旋曲线搅拌叶片有多种形式，选择合适的螺旋曲线主要参数是叶片螺旋升角。叶片曲线的螺旋升角，决定混凝土在搅拌筒内沿轴向或切向运动的强度，从而影响着搅拌和卸料功能。本文设计的新型螺旋线主要为改善卸料性能对搅拌筒后锥螺旋叶片的方程进行具体分析，设计时，在一定范围内当螺旋升角越小时其出料性能越好，因为螺旋升角γ与螺旋角β的关系式为β+γ=90°。所以容易得出，要想出料性能更好，后锥段螺旋角β在一定范围内必须越大。对于对数螺旋线，它的螺旋角是一个定值，本文利用在一定情况下后锥段螺旋角越大搅拌筒出料性能越好这个特征，设计的新型曲线它的后锥段螺旋角是变化的，进一步说明新型螺旋线可以改善出料性能。根据图3几何关系，推得对数曲线、平方曲线、新型曲线螺旋角随转角变化关系如下：用matlab画出传统和新型螺旋线后锥段螺旋角β和螺旋升角γ随转角θ变化的关系对比图为：(如图4、图5)。从图4和图5中可以看出，由图中对比得出，在搅拌筒转角达到较大值时，物料处在出料阶段，后锥段螺旋角一般取β=76～77?°较为合适，但是对数螺旋线搅拌叶片的螺旋角是一个定值，会导致搅拌筒后锥段螺旋角偏大，出料时物料在叶片上滑动的断面越小，容易积料，出料速度变慢，阻力矩和功率消耗也随之增大；而平方螺旋线的螺旋角在搅拌的初始阶段转角θ比较小时，螺旋角β偏小，对初始搅拌筒搅拌和出料性能也会有影响；只有新型螺旋线搅拌叶片的后锥段螺旋角β随转角θ变化较平稳，而且在一定范围越来越大，比较得出，新型螺旋线搅拌叶片的出料性能比传统的螺旋型线更优越。4三维建模根据各种螺旋线的方程，得出螺旋线上各点的坐标方程，生成前锥段、圆柱段和后锥段三段独立的螺旋曲面，然后采用桥接曲面的方法将其连接起来，而且衔接处也比较光滑，对叶片的搅拌性能也不会产生影响。如图5所示是传统螺旋线叶片和新型曲线的三维模型对比，从图中可看出新型曲线叶片在衔接处更平滑，前锥段呈螺旋上升趋势也较平稳，螺旋角相比传统螺旋线偏小，这有利于搅拌筒搅拌性能提高。由图6中也进一步验证了上节中模拟的曲线对比结果，得出新型曲线叶片后锥段的模型在小端处螺旋角变大，出料更为容易，叶片的整体性能也更优越（如图6图7）。5结语利用微分方法，建立了对数螺旋线与平方曲线新的数学模型，进一步设计了一种新的搅拌筒叶片型线，并对三种螺旋线的出料性能和搅拌叶片模型作了对比。参考文献[1]杨纪明.混凝土搅拌输送车拌筒螺旋叶片的设计(上)[J].建筑机械化,1984(2):8-15.[2]杨纪明.混凝土搅拌输送车拌筒螺旋叶片的设计(下)[J].建筑机械化,1984(3):19-24.[3]程书良，姚莉莉.混凝土搅拌运输车搅拌叶片的设计[J].建筑机械化，2002(2):12-13.[4]邢普,仪垂杰,郭健翔,等.混凝土搅拌车搅拌叶片新型母线及其应用研究[J].建筑机械，2007(2):59-61.