基于solidworks的混凝土輸送罐翻轉卸料功率計算

羅 會 文

(長沙遠大住宅工業集團股份有限公司，湖南 長沙 410013)

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基于solidworks的混凝土輸送罐翻轉卸料功率計算

羅 會 文

(長沙遠大住宅工業集團股份有限公司，湖南 長沙 410013)

為了求得混凝土輸送罐罐體翻轉卸料功率，對罐體翻轉阻力矩進行了分析研究，并結合solidworks軟件，提出了一種計算罐體翻轉阻力矩和翻轉功率方法，解決了罐體翻轉卸料所需合適功率的選取問題。

混凝土輸送罐，solidworks，翻轉角度，翻轉阻力矩，翻轉功率

1 概述

當前裝配式集成建筑的預制構件生產工廠內，需配置混凝土輸送設備，多為罐體式輸送小車，由減速機直接驅動罐體翻轉卸料，結構如圖1所示。設計時需確定翻轉功率，以便選用合適減速機。要求翻轉功率，就需知道翻轉力矩最大值。其翻轉力矩由三部分組成，即罐體力矩、罐體內腔與混凝土之間摩擦力矩和結構摩擦力矩。其中，尤以罐體與混凝土之間摩擦力矩計算最難。實際中多用實驗法來確定此功率，但利用solidworks軟件的強大功能，并結合手算，計算就會變得方便，且精度高。

2 實驗法確定翻轉功率

先憑經驗預選一種功率稍大的減速機實驗，并測量翻轉過程中電機電流值，把測得電流值與額定值比較來逐步優化電機功率，直至得到合適值。

3 翻轉功率計算法

3.1 罐體翻轉力矩計算

1)罐體力矩計算。

罐體容量3 m3，材料Q235。依據罐體尺寸，以完整圓柱形罐體形心為坐標原點，用solidworks對罐體建模，如圖2所示。

利用罐體模型的質量屬性，可得罐體質量683.38 kg，初始重心坐標(0，-152.15，0)。在solidworks中以罐體軸心線翻轉，每翻轉10°，同樣確定此狀態下重心，其z軸坐標即為力臂，重量不變。M罐體=G罐體·L，其中，M罐體為罐體力矩；G罐體為罐體重量，G罐體=6 703.96 N；L為力臂。據此可求得罐體在0°～180°間翻轉各角度時罐體力矩如表1所示。

表1 罐體力矩值

2)罐體與混凝土之間摩擦力矩計算。

此摩擦力矩主要與混凝土坍落度、罐體翻轉轉速、罐體內混凝土量有關。由solidworks模擬可知，翻轉角度在6°～132°間為卸料階段，同時在卸料過程中混凝土液面基本保持水平(實際中角度很小)。根據文獻[1]，用積分法并結合solidworks模擬各翻轉角度時混凝土形狀來計算此摩擦力矩。現以翻轉角度0°～6°時計算。

a.罐體與混凝土內壁周向摩擦力矩。

設混凝土與罐體內腔單位摩擦力為f。

f=k1+k2×V。

k1=(3-0.1×s)×9.8×10-2=0.292 kN/m2。

k2=(4-0.1×s)×9.8×10-2=0.39 kN/m2。

其中，k1為粘著系數，kN/m2；k2為速度系數，kN/m2；V為混凝土線速度，m/s；s為混凝土坍落度，取160 mm。

如圖3所示，罐體內壁與混凝土周向摩擦力矩：

M周摩=f×S×R=(k1+k2×V1)×S×R=2 033.85 Nm。

b.混凝土與罐體內壁兩端面摩擦力矩。

當混凝土與罐體內壁端面接觸面積大于半圓時，采用整圓面積減去沒有混凝土接觸的弓形面積來計算接觸面積；當接觸面積小于半圓時，直接計算此弓形面積即可。

完整圓柱形罐體端面摩擦力矩，如圖4所示，從罐體端面上取出一環形微面積元ds=2πrdr，其摩擦力為dFf=fds，對翻轉軸線的摩擦力矩為dMf=rdFf；M圓端摩依文獻[2]積分可得：

沒有混凝土接觸的罐體端面弓形面積摩擦力矩,如圖5所示，從弓形上取出一環形缺微面積元：

其摩擦力為：

dFf=fds。

對翻轉軸線的摩擦力矩為：

dMf=rfds。

M弓端摩依文獻[2]積分可得：

則：

M端摩=M圓端摩-M弓端摩=511.76 Nm。

罐體與混凝土之間的總摩擦力矩。

M罐摩=M周摩+M端摩=2 545.61 Nm。

在solidworks中，以罐體每10°翻轉，并模擬出此時混凝土形

狀，用上述方法或用matlab編程就可求得各翻轉角度時的M罐摩如表2所示。

表2 各翻轉角度M罐摩結果表

3)結構摩擦力矩。

按未卸料時最大摩擦力矩狀態來計算：

其中，G罐體為罐體重量；G混凝土為混凝土重量，70 632N；G半軸及螺栓為罐體兩端半軸及螺栓重量，1 884.43N；μ為滾動軸承摩擦因數，取μ=0.05；d為滾動軸承內、外徑平均值，167.5mm。

4)罐體翻轉力矩計算。

罐體翻轉力矩：M翻=M罐體+M罐摩+M結摩，結果如表3所示，各力矩曲線圖如圖6所示。

表3 罐體翻轉力矩結果表

角度/(°)061020304050607080M翻/Nm2877.352986.222971.382935.492890.412840.562749.882646.52514.922351.8角度/(°)90100110120132140150160170180M翻/Nm2156.831918.341714.41446.411088.28986.85841.44680.48508.86331.74

3.2 罐體翻轉功率計算

按上述求得數據，再根據系統總效率，依文獻[3]即可求得罐體翻轉所需功率：

其中，M翻為罐體最大翻轉力矩，2 986.22Nm；n為罐體轉速；C為考慮啟動時的峰值系數，取1.4；η為機械效率，取0.8。

4 結語

用實驗法確定翻轉功率，費時費財，且只能得出大致結果，沒有有效計算方法時還是可取的；用積分法雖較復雜，但結果比較精確，可作為設計參考依據。本混凝土罐體輸送小車，實驗法確定翻轉功率約2.2kW～3kW，實際使用選取4kW，從使用情況看是偏大的，改用2.2kW應該沒問題。

[1] 王道峰，郭景全.混凝土攪拌輸送車攪拌筒驅動阻力矩和驅動功率的計算[J].筑路機械與施工機械化，2004(5)：39-41.

[2] 同濟大學數學系.高等數學(上冊)[M].第6版.北京：高等教育出版社，2007.

[3] 成大先.機械設計手冊(第1卷)[M].第5版.北京：化學工業出版社，2008.

The concrete transfer pot turning discharge power calculation based on solidworks

Luo Huiwen

(ChangshaYuandaResidentialIndustrialGroupLimitedCompanybyShare,Changsha410013,China)

In order to obtain the concrete transfer pot turning discharge power, this paper analyzed and researched the pot turning resistance, combining with the solidworks software, put forward a calculation method of pot turning resistance moment and turning power, solved the appropriate power selection problem of pot turning discharge.

concrete transfer pot, solidworks, turning angle, turning resistance distance, turning power

1009-6825(2016)22-0209-02

2016-05-23

羅會文(1971- )，男，工程師

TU732

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