基于純液壓的傳動系統的混凝土攪拌車的研究及應用

朱超

（中鐵大橋局第九工程有限公司，廣東 中山 528400）

1 混凝土攪拌運輸車結構特點

傳統混凝土攪拌運輸車結構主要包括專用底盤、攪拌筒、動力傳動系統、供水系統、進出料口、前后臺、副車架、攪拌筒支撐托輪、扶梯等部件。由于它是為了儲存混凝土，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。動力傳動系統主要是實現取力以及驅動攪拌筒轉動，實現對其穩定性和功能控制。

2 攪拌筒的設計與計算

2.1 攪拌系統的結構與工作原理

攪拌筒外形截面呈不對稱雙錐形，連接底盤被固定在底盤上，圍繞中軸線，攪拌筒旋轉。攪拌筒頂部敞開，在筒中心填入材料，在錐形筒內填料和卸料，筒內葉片轉動裝卸材料。在攪拌筒前段焊接了攪拌轉盤，它通過螺栓和減速器上的法蘭盤伸張壓縮扭矩，同時，固定攪拌筒起到支撐作用。攪拌筒的頂端安裝了固定環形通道，通道內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形軌道上，攪拌筒的上部分由此得以支撐，托輪與法蘭盤和托輪構建了三點支撐結構。

2.2 攪拌運輸車系統的計算

（1）攪拌筒的幾何容積。根據國家要求，攪拌車運輸車應該設計成梨形，有效容量與幾何容量呈正比，攪拌填充率要滿足以下條件：。

式中，V為公稱攪動量；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律，對其外形構造進行分解，對攪拌筒的劃分，通常分為三個部分，上端細長外形為圓臺，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、筒長度變長、筒口直徑變大，這些都會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度直接關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度等多個條件要素進行分析。

①傾斜角度。在設計攪拌機時，傾角是一個需要考慮的因素，它決定著如何選擇以后的參數，攪拌筒傾斜角度擴大，運輸車裝載量增加，提高了攪拌質量，但是，裝卸材料的能力也會受到影響，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，也會增加攪拌車的高度，使其違反交通法規，導致車輛行使受到影響。因此，混凝土攪拌系統運輸車的傾斜角度聯系相當密切，并影響著材料的裝卸。

②攪拌筒橫截面直徑增大。中間部分攪拌筒直徑增加，圓臺下部長度短，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，防止攪拌運輸系統受到重力限制影響裝載能力。橫截面直徑增大時，必須確保混凝土攪拌運輸車的裝載效率，穩定攪拌筒的重心，保證攪拌筒重心設計合理。

③筒長度。攪拌筒長度與混凝土裝載量有關，筒越長裝載量越大，但是，攪拌筒的長度不能隨心所欲地進行設計，會受到其他因素的限制，建筑行業運輸車限定標準規定了運輸車的高度不能超過3.8m,由于受汽車行業底盤的限制，在設計長度時，要參考攪拌器的其他參數，進行全面的計算。

④筒口直徑。攪拌筒直徑影響著混凝土的裝載，筒口直徑大相應裝載效率會提高，裝卸料也與攪拌筒卸料攪拌有關。而且應當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，裝卸料的進出口就會更方便，作業時的效率可以極大地提升。

⑤攪拌筒容積與滿載時重心計算。需要結合攪拌器截面的幾何分析來計算其有效體積,如圖1所示。

簡化研究攪拌筒橫截面，具體可見圖1所示，并且標注頂點字母，計算其參數時區分簡單，攪拌筒輪廓為ABCDEFGH外形。在攪拌筒圖形中心原點設定坐標，AH線段中心，Y軸朝下，X軸走向為左。其中Y1(x)、Y2(x)、Y3(x)Y4(x)是函數直接表達式，表達式代表的是圓臺側面母線，中間圓柱側母線、左側母線及混凝土表面投影，設計考慮參數Y2，由此上述方程表達式為：

設定誤差值ε進行循環計算：

式中，(x)-每段微分弓形玄長；(x)-每段微分弓形截面積。

3 攪拌裝置液壓傳輸系統設計計算

3.1 初始化設置系統壓力

在功率不變的情況下，隨著系統壓強的降低，相應的設備體積會變大；隨著液壓的增高，設備結構就會變得越來越完整，減輕液壓元件，使結構越來越緊湊，同時，系統造價也會變低，對液壓系統的壽命起到一定的保護作用。然而，如果系統的工作壓力太高，就會受限于元件的強度、密封性能、體積效率、制造精度、輔助零件的材料，以及系統的可靠性和壽命。液壓傳輸系統受到材料、元件和輔料材質、容積和效率的影響，液壓系統使用壽命受到限制。

3.2 確定攪拌筒功率

由于攪拌桶中的混凝土流動情況比較復雜，對其模擬比較困難，對攪拌筒系統內部運行缺乏完整的分析與計算標準。帶動攪拌筒旋轉的驅動功率一般經驗公式：

式中，N為攪拌筒旋轉驅動功率，kW；n為攪拌筒轉速，r/min；M為攪拌筒驅動扭矩，Nm。

攪拌筒有效容量與傳動力矩的關系如表1。

表1 攪拌筒有效容量與傳動力矩的關系

攪拌筒滿載攪拌時，攪拌筒的最大轉動速度為20r/min，攪拌筒滿載最大攪拌驅動

功率：

攪拌筒滿載攪動時，攪拌筒的轉動速度恒定為3r/min，攪拌筒滿載恒定攪動驅動功率

4 純液壓傳動系統動態仿真應用

4.1 純液壓傳動系統的主要參數

通過查閱和計算得出傳動系統各個部分的參數，將它應用到仿真模型中，如表2所示。

表2 液壓傳動系統主要參數

4.2 液壓系統仿真

本文研究選擇MATLAB軟件，建立仿真模型對混凝土攪拌運輸車液壓傳統系統進行仿真，仿真滿載情況下的工況分為：攪拌運輸車全過程正常工作以及在正常工作時突然發生故障或緊急情況，導致攪拌筒停止和啟動。通過建立仿真模型，對攪拌運輸車的液壓系統的液壓馬達扭矩轉速變化產生影響，隨著時間的變化，液壓系統馬達扭矩和流量產生波動變化。

從圖2～6的仿真結果分析得出，混凝土載重量增加，液壓系統運動頻率增加，攪拌筒負載扭矩也線性增加。在進料時，液壓馬達平穩運行。液壓馬達扭矩達到平穩狀態之前，馬達扭矩頻率快速變化，這是因為在輸送過程中，油受到了震動，所以，可以通過安全閥來防止。但總的來說，液壓系統減少了撞擊的時間，沖擊擺動頻率變化快，之后馬達扭矩不再波動，傳動系統整體平穩，不會出現超負載現象，基本符合預期。

圖2 液壓系統流量變化曲線

圖3 液壓馬達轉速變化曲線

圖4 液壓馬達扭矩變化曲線

圖5 液壓馬達扭矩局部變化曲線1

圖6 液壓馬達扭矩局部變化曲線2

5 結語

對混凝土攪拌運輸車攪拌筒設計研究、容積計算以及純液壓傳動系統參數計算，并依據計算數據建立仿真模型，論證了混凝土運輸車純液壓傳動系統在穩定運輸負載、增強運輸安全性、減少液壓系統沖擊等方面的優點，展現了純液壓傳動混凝土攪拌運輸車的穩定性、結構設計的合理性，為純液壓傳統混凝土攪拌車的實際應用和推廣起到了促進作用。