建筑混凝土搅拌机的设计Word下载.docx

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5其他系统的选择14

5.1供水系统14

5.2液压系统15

5.3料斗的设计15

5.4底架的设计16

5.5摩擦传动16

总结17

致谢18

参考文献19

1引言

1.1课题的目的与意义

从搅拌的目的和机理出发，了解并掌握混凝土搅拌机的制造、各个部件组件后的运行、以及搅拌混合混凝土过程，尽力为以后混凝土搅拌机的发展提供更好的数据以及装配设计。

水泥浆是当今用量较大的建筑材料，广泛地用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用等基本建设工程中，在国民经济占有重要地位。

搅拌作为水泥浆生产工艺中关键的一道工序，由相应的水泥浆搅拌机来实施完成，目前它已成为各种工程施工中必不可少的施工设备。

而大型智能化高效优质水泥浆搅拌机既可快速、大量地进行水泥浆的搅拌作业，又不会对环境造成影响。

水泥浆搅拌机能替代人工进行水泥浆搅拌工作，具有搅拌速度快、搅拌均匀、省工省时的优点，解决了人工搅拌水泥浆易结块和沉淀的难题。

本研究既是对现有搅拌机关键技术的深入探讨，也是进一步的技术提升和创新，对今后水泥浆搅拌机的设计和产品水平的提高都具有一定的实用价值。

它的重要意义在于利用高新技术提升水泥浆机械行业水平和国家重点项目建设施工水平以及推动搅拌机设备性能的全面提高，使其达到国际同行业的设备水平。

1.2建筑混凝土搅拌机在国内外研究现状及分析

19世纪40年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的自落式搅拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到19世纪80年代，才开始用铁或钢件代替木板，但形状仍然为多面体。

1888年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专利。

20世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及。

形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。

1903年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。

1908年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。

从1913年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。

在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主。

自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。

由于各物料颗粒下落的高度、时间、速度、落点和滚动距离不同，从而物料各颗粒相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。

自落式搅拌机结构简单，可靠性高，维护简单，功率消耗小，拌筒和叶片磨损轻，但搅拌强度不高，生产效率低，搅拌质量不易保证。

此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土，广泛应用于中小型建筑工地。

按拌筒形状和卸料方式的不同，有鼓筒式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等，其中鼓简式搅拌机技术性能落后，已于1987年被我国建设部列为淘汰产品。

随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性能和技术水平方面的发展。

各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形式、传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产20世纪40年代后期，德国ELBA公司最先发明了强制式搅拌机，和自落式搅拌工艺等方面进行改进和探索。

强制式搅拌机与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机搅拌作用强烈，搅拌质量好，搅拌效率高，但拌筒和叶片磨损大，功耗增大。

此种搅拌机适于拌制干硬性、轻骨料混凝土以及特种混凝土和专用混凝土，多用于施工现场的混凝土搅拌站和预拌混凝土搅拌楼。

随着技术的发展，强制式搅拌机在德国、美国、意大利、日本等企业发展迅速，目前已形成系列产品。

比如德国的EMC系列、EMS系列搅拌站和UBM系列、EMT系列搅拌楼，意大利的MAO系列搅拌站、MSO系列大型搅拌基地等。

我国混凝土搅拌设备的生产从20世纪50年代开始。

1952年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌机，进料容量为400L和1000L。

20世纪70年代未至80年代初，我国为适应建筑业商品混凝土大规模发展的需要，在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了新一代JZ型双锥自落式搅机D型单卧轴强制式搅拌机。

其中，JS型双卧轴搅拌机在80年代初研制成功。

80年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备，研制出了10多种混凝土搅拌楼（站）。

经过引进吸收、自主开发等几个阶段，到本世纪初，国内混凝土搅拌机技术得到长足发展，在产品规格和生产数量上，都达到了一定规模，出现了一批具有自主知识产权的新技术，逐步形成了一个具有一定规模和竞争能力的行业。

2006年，我国生产装机容量0．5～6m3的搅拌站2100多台，已成为混凝土搅拌设备的生产大国。

1.3研究目标

从搅拌的目的和机理出发，了解并掌握混凝土搅拌机的制造、各个部件组件后的运行、以及搅拌混合混凝土过程，尽力为以后混凝土搅拌机的发展提供更好的数据以及装配设计[6]。

1.4研究内容

（1）对搅拌机的国内外研究现状进行对比，掌握其工作原理，确定其总体设计方案；

（2）确定传动系统的主要参数；

（3）进行电动机的选择；

（4）进行减速器、联轴器等主要零部件的设计；

（5）绘制相应的零件图和装配。

2混凝土的设计要求

2.1搅拌机的选型

常见的水泥搅拌机主要有两种形式：

（1）直立式小型搅拌机搅拌叶片，如图2-1所示。

图2-1直立式小型搅拌机搅拌叶片

传统的直立式水泥搅拌机是由三个平板状，通过三个不同尺寸的轴联接在一起，实现搅拌。

但是由于从叶片强度、搅拌均匀等方面有些不如人意。

改变搅拌叶片传统的形状，设计成一个楔形。

并将叶片尺寸设计稍厚，从而达到减少搅拌阻力，提高搅拌强度的效果。

并将叶片通过螺钉连接，实现可换，达到节约材料效果。

这种类型的搅拌机体型小，价格便宜，适用于小型建筑工程，但是由于搅拌量有限，生产效率低，上、下料不方便，一般不在大型建筑工程中使用。

（2）锥型反转出料式水泥搅拌机[9]。

如图2-2所示：

1.联轴器2.进料斗3.带轮4.减速器5.链条6.轴承7.拖轮8.叶片9.滚筒

图2-2锥型反转出料式混凝土搅拌机

本机的主要特点有结构新颖，具有生产效率高，搅拌质量好，重量轻，造型美观等优点是一种比较先进的机械。

其特征是在支架上设有中部带有轴承座的侧部与支架的支承腿平行的转动托架，在转动托架的轴承座内通过轴杆插座有搅拌罐。

我所选择要设计的是第二种锥型反转出料移动式混凝土搅拌机。

（1）一种立式混凝土搅拌机，包括有：

供水系统、传动装置、搅拌与出料装置、上料机构。

本实用新型涉及一种用于搅拌混凝土的立式混凝土搅拌机。

据了解，目前用于搅拌混凝土的搅拌机普遍是带有上料斗的卧式搅拌机，虽然其给搅拌混凝土带来了很多好处，存在有结构复杂，需要2次上料及混凝土排放不净和不便清洗搅拌罐等不足之处。

本实用新型旨在提供一种，设计合理、结构简单；

操作方便灵活、不受场地限制、排料彻底、便于清洗搅拌罐、直接投料的立式混凝土搅拌机。

本实用新型的技术解决方案是，为了实现上述目的，在支架上设有中部带有轴承座的侧部与支架的支承腿平行的转动托架，在转动托架的轴承座内通过轴杆插座有搅拌罐，在支架一侧的支承腿的外侧设有布有手柄卡口的角度盘及通过轴杆设在转动托架轴杆上的手柄。

（2）操作时将沙、石、水泥和水倒入搅拌罐内，并启动电机，通过传动齿轮和拖轮使搅拌罐旋转进行搅拌，同时根据搅拌罐内所装物料的多少和搅拌情况将手柄推入角度盘的不同角度的手柄卡口内进行调节搅拌罐的搅拌角度。

当需排料时，扳动手柄使转动托架转动，转动至搅拌罐内的混凝土处于被排放的位置，当搅拌罐内的混凝土被排完后，将手柄放回到使搅拌罐处于所需要的投料角度，然后再进行下一次搅拌工作。

其搅拌罐的翻转角度为3600°

。

当需停止工作时，将电机电源切断。

2.2原始数据

（1）出料容积350L

（2）进料容积500L

（3）搅拌桶转速15r/min

（4）骨料最大粒径60mm

（5）生产率25-30m3/h

2.3设计的总体要求

（1）满足使用要求

（2）满足经济性要求

（3）力求整机的布局紧凑合理

（4）工业性要求易操作而实用

（5）满足有关技术要求

3总体设计方案确定

3.1总体设计方案

混凝土搅拌机主要由传动系统、搅拌装置、搅拌罐等组成。

该产品的主要机构主要有以下几部分组成：

（1）电机、减速机主要由皮带连接在一起。

搅拌罐至于支架上，搅拌罐可与支架分离。

（2）搅拌系统由搅拌罐，搅拌轴组成，完成物料的搅拌工作。

最终设计方案确定为[11]：

经过对混凝土搅拌机的类型选择。

传动机构分析与执行机构分析，最终拟定了以下方案：

方案1：

电动机——皮带轮——二级圆柱齿轮减速器——搅拌轴，电动机首先通过皮带轮一级减速，再通过减速器经过二级减速将动力以及转矩传送到搅拌轴上。

方案2：

电动机——二级圆锥齿轮减速器——搅拌轴，使用减速器直接减速将动力以及转矩传送到搅拌轴上。

首先，已知各种传动的传动比u，（圆锥齿轮传动单级传动比、圆柱直齿轮传动单级传动比u、皮带轮单级传动比）。

然后估算电动机至搅拌轴间的传动比，初选同步转速为1000r/min的原动机，搅拌轴转速为30r/min，则u=1000/30=33.3。

使用皮带轮进行一级减速，使用二级圆柱齿轮减速器二级减速，电动机轴与搅拌轴虽然在同一方向上，但电动机不直接连接减速器，同样可以避免安装分布范围过大。

同时其传动比u最大为455=100，大于本次设计所需要的最大传动比。

方案2中只使用二级圆锥齿轮减速器，第二级使用圆柱齿轮传动。

优点在于圆锥齿轮具有换向性，避免了电动机轴与搅拌轴在同一方向上，避免造成安装分布范围过大。

其传动比u最大为35=15，远远小于33.3。

综上考虑，选择方案一是比较合理的，多级减速避免了一次性速度变化过大，而且使用二级减速器照样可以达到电动机、主轴和减速器在同一方向上只要到时候电动机竖直放置即可。

3.2搅拌桶设计

1.搅拌筒2.联轴器3.减速器4.电动机

图3-1搅拌筒

锥形反转出料搅拌机的搅拌筒呈双锥形，筒内中部焊接有与搅拌筒轴线成一定夹角交叉布置的高、低叶片各一对。

低叶片与轴线呈一定夹角，在搅拌时它使料一部分不断地推向进料端，一部分落在高叶片上或搅拌桶下部。

高叶片，由低叶片带起落到高叶片上的拌和料，被高叶片抛向出料叶片背面，最终也流向拌桶下部，拌桶下部高于低叶片的拌和料被高叶片推向出料叶片的背面。

叶片的安放角和形状直接影响到拌和料的搅拌效果，目前根据理论研究和实验经验来确定，一般可取低叶片28°

~32°

，高叶片45°

进料锥角47°

~50°

，出料锥角30°

~33°

双锥反转出料混凝土搅拌机在工作时，搅拌机功率主要用于克服混凝土物料在搅合时所产生的偏心距和托轮滚动时产生的摩擦阻力矩。

搅拌时，物料会向搅拌筒一侧倾斜，但有少量的物料由于搅拌筒转动时产生的惯性作用而处于自由落体运动状态，现在假设物料全部倾斜于一侧[3]。

试求当前情况下的搅拌功率。

先求出搅拌筒的几何尺寸，搅拌筒外形简图如上图3-1。

由《混凝土机械》查搅拌筒几何容积，与出料容积

V0/V1=2～4

出料容积V2和进料容积V1有＆为出料系数，对混凝土一般取0.6-0.7

＆=V1/V2（3-1）

V2=（0.6～0.7）V1

设出料V2=350L

所以V1=350/（0.6～0.7）=583～500L

暂时选V1=560L

V0/V1=2～4

V0=1166～2000

暂时选1500L

由《混凝土机械》查的进料锥角为47°

～50°

出料锥角为30°

～33°

所以选择出料角33°

，进料角49°

从省料的角度出发，当搅拌桶容积一定时，其表面积S最小。

（3-2）

分别带入40°

和45°

并计算

当L=-4.0/λ，R=1.61/λ，此时，W/L=3.53R/L=0.70，L/D=L/2R=1.24

当L=-4.0/λ，R=1.62/λ，此时，W/L=3.41R/L=0.72，L/D=L/2R=1.23

所以，宽长之比为0.7左右时所需制造材料最省。

由于长宽之比的值主要由搅拌机性能决定，因此该值只能作为选择长宽比的参考。

由以上原则，本设计取搅拌机总长为1480mm,宽为1050mm。

4传动系统的选择

4.1电动机的选择

电动机是现代机械常用的原动机，并且是系列化和标准化的产品。

机械设计中需要根据工作机的工作情况和运动，动力参数，合理选择电动机类型，结构形式，传递的功率和转速，确定电动机的型号。

电动机有交流、直流电动机之分，工业上一般采用交流电动机，交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，而普通笼型异步电动机应用最广泛。

如无特殊需要，一般忧先选用Y型笼型三相异步电动机，因为其有高效、节能、噪音小、振动小、安全可靠的优点，而且安装尺寸和功率等级符合国际标准，适用于无特殊要求的多种机械设备。

电动机功率的选择是否合适将直间影响到电动机的工作性能和经济性能。

如果选用额定功率小于工作机所需要的功率，就不能保证工作机正常工作，甚至使电动机长期过载造成过早损害，如果选用额定功率大于工作机所需要的功率，则电动机的价格高，功率未得到充分的利用。

从而增加电能的消耗，造成浪费。

所以要选择合适的电动机做为机器的动力源输出[10]。

搅拌机电动机的功率按所需的（单位：

kW）计算公式为：

Pd=Pw/ŋ

式中pw—工作机机所需工作效率

ŋ—由电动机到工作机的总效率

工作效率，应由工作阻力和运动参数计算求得：

Pw=Mn/9550（4-1）

式中M为搅拌筒搅拌时所需的外力据（N·

m）

n—搅拌筒转速（r/min）

其中双锥反转出料棍凝土搅拌机在工作时，其搅拌功率主要用于克服混凝土物料在搅拌时产生的偏心阻力及托轮滚动磨擦阻力矩。

为讨论方便，现假定最恶劣的工作状况，即全部物料倾向拌筒的一侧，呈斜而，求此种情况下的搅拌功率。

外力矩M的计算：

M=M摩擦+M物料

式中M摩擦—搅拌时拌合料所产生的偏心阻力矩；

M物料—搅拌时托轮所产生的滚动摩擦阻力矩；

M物料=G物料Hsina=9.8VρHsinφ

式中G物料为搅合物料质量

G物料=Vρ

V—搅拌筒容积

p—拌合料容重

ρ=（1.5～1.7）×

1000kg/m3（4-2）

H—拌合料重心至拌筒中心的距离，mm；

H=b3/12S=2（R1+tanφ）2/3S-2h/3（4-3）

因为混合料在拌筒内为一水面，且以搅拌时进、出料口均不得有溢出为原则，所以讨论时进料口、出料口相等，均为h。

进料锥内拌合物所产生的偏心阻力矩给x以微小增量△x则在X=X+△x平面之间的有效容积微元体△V弓对X轴的微元阻力矩

△M进=9.8△V进ρHsinφ（4-4）

积分可得进料锥内混合料所产生的偏心阻力矩出料锥内拌合物所产生的偏心阻力矩由进料锥公式可直接得出柱体内地混合料所产生的偏心阻力矩为：

M柱=9.8△V柱ρHsinφ

=（R2-h2）3/2l2ρsinφ

综上，搅拌时混合料所产生的总偏心力矩：

M物料=M柱+M进+M出（4-5）

所以：

M进=9.8×

[（R1+tanφ）2-h2]3/2.ρsinφ△=430.1N·

m

M出=9.8×

[（R2+tanφ）2-h2]3/2.ρsinφ△=393.2N·

M柱=（R2-h2）3/2l2ρsinφ=1095N·

Pw=Mn/9550=3.84kW

Pd=PW/η=4.61kW

式中f一混凝土与钢叶片的磨擦系数f=0.62

ηw—传动效率

ηw=η12η23η34=0.8335（4-6）

η1—联轴器的传动效率，取η1=0.99

η2—齿轮传动的传动效率，η2=0.97

η3—轴承的传动效率，η3=0.98

确定电动机的转速

经查表[2]：

一级开式齿轮的传动比ia=3～7，二级圆拄齿轮减速器的传动比

i=8—40，总的传动比合理范围为ia=24～280，故电动机的转速的可选范围为：

n=（24～280）×

17.5=420～4900r/min

根据工况和计算所选电动机为：

表4-1电动机的主要参数

型号

额定功率kW

转速r/min

轴径mm

Y100L2-4-JB9619

5.5

1440

28

4.2减速器的选择

减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动，蜗轮传动或齿轮一蜗轮传动所组合的独立部件，常在动力机与工作机之问为减速的传动装置；

在少数情况也用作增速的传动装置，减速器因为结构紧凑，效率较高，传递运动正确可靠，使用维修简单，并可成批生产，故在现代机械中应用最广减速器类型很多，有圆柱齿轮减速器，圆锥齿轮减速器，蜗杆减速器等[8]。

由于考虑到所传递的功率和传动比.在本搅拌机设计课题中采用的是二级圆柱齿轮减速器。

减速器的机体是用于支持和固定轴系的零件，是保证传动零件的啮合精度，良好的润滑和密封的重要零件，其重量约占减速器总重量的5倍。

因此，机体结构对减速器的工作性能，加工工艺，材料消耗，重量及成本等有很大的影响。

机体材料采用灰铁（HT150或HT200）制造。

支撑零件和联接零件都是要根据零件的要求来设计，因此一般应先设计算传动零件，确定其尺寸，参数，材料和结构。

4.2.1一级齿轮传动的设计

（1）材料的选择

应传动尺寸和批量较小，小齿轮设计成齿轮轴，选择40Cr，调质处理，硬度为241HB-286HB，大齿为45钢，调质处理，硬度240HB，暂取传动比i=3.8。

（2）确定齿轮主要尺寸

由于采用正常标准齿轮，所以齿顶高系数ha*取为1，顶隙系数c*取为0.25，分度圆压力角度数为标准值a=20°

小齿轮的参数如下：

分度圆直径：

d1=Z1m=2.5×

20=50mm（4-7）

d2=Z2m=2.5×

76=190mm

中心距：

a=m（z1+z2）=240mm（4-8）

齿顶高：

hn=1×

2.5=2.5mm（4-9）

齿根高：

hf=3.125mm（4-10）

齿全高：

h=5.625mm

齿顶圆直径：

da1=（20+2）×

2.5=55mm（4-11）

da2=（76+2）×

2.5=195mm

齿根圆直径：

df1=（20-2-0.5）×

2.5=43.75mm（4-12）

df2=（76-2-0.5）×

2.5=183.75mm

齿宽：

b1=50mm（4-13）

b2=60mm

齿距：

P=πm=3.14×

2.5=7.85mm（4-14）

齿厚：

s=P/2=3.925mm（4-15）

齿槽宽：

e=P/2=3.925mm（4-16）

基圆齿距：

Pb=Pcos20°

=7.375mm（4-17）

法向齿距：

Pn=Pb=7.375mm（4-18）

弯曲疲劳极限δFlim：

δFlim1=600MPa（4-19）

δFlim2=450MPa（4-20）

弯曲系数寿命YN：

YN1=0.95（4-21）

YN2=0.97

尺寸系数：

Yx=1.0

许用弯曲应力：

[δF1]=456MPa（4-22）

[δF2]=349MPa

验算：

δF1=107.4MPa<

[δF1]

δF2=106.88MPa<

[δF2]

根据以上分析，传动在允许的时间之内有效，没发生过载，故所选齿轮满足要求。

4.2.2第二级齿轮传动的设计

应传动尺寸和批量较小，小齿轮设计成齿轮轴，选择40Cr，调质处理，硬度为280HB，大齿为45钢，调质处理，硬度240HB，暂取传动比i=3.09。

（2）确定齿轮主要尺寸

分度圆直径：

30=75mm

d2=Z2m=2.5×

93=232.5mm

中心距：

a=m（z1+z2）=153.75mm

齿顶高：

2.5=2.5mm

齿根高：

hf=3.125mm

齿全高：

齿顶圆直径：

da1=（30+2）×

2.5=55mm

da2=（93+2）×

齿根圆直径：

df1=（30-2-0.5）×

2.5=68.75mm

df2=（93-2-0.5）×

2.5=226.25mm

基圆直径：

db1=d1cosα=70.485mm

db2=d2cosα=218.5mm

齿宽：

b1=85mm，b2=75mm

齿距：

P=πm=3.14×

2.5=7.85mm

齿厚：

s=P/2=3.925mm

e=P/2=3.925mm

=7.375mm

Pn=Pb=7.375mm

（3）齿根接触疲劳强度验算：

载荷系数K：

K=KAKvKFαKFβ=2.74

齿形系数YFa：

YFa1=2.6

YFa2=2.3

应力修正系数YSa：

YSa1=1.6，YSa2=1.8

弯曲疲劳极限：

δFlim1=600Mpa

δFlim2=450Mpa

弯曲最小安全系数SFlim：

SFlim=1.25

YN1=0.95，YN2=0.97

Yx=1.0

[δF1]=456Mpa

[δF2]=349Mpa

δF1=107.4Mpa<

δF2=106.88M