搅拌车设计计算书全解.docx

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搅拌车设计计算书全解

混凝土搅拌运输车

设

计

计

算

书

湖北汇合专用汽车有限公司

二〇一四年五月二十日

混凝土搅拌运输车设计计算书

一.上车的设计计算。

1.搅拌筒几何容积的确定

根据中机函［2015］7号文件《关于规范混凝土搅拌运输车《公告》管理要求的通知》中第1条1、2、3款要求:

1）混凝土搅拌运输车应符合下表规定：

车型

最大总质量（kg）

搅拌筒搅动容量（m3）

搅拌筒几何容量（m3）

二轴混凝土搅拌运输车

≤16000a

≤4

≤7.7

2）混凝土搅拌运输车的搅拌筒填充率应不小于51.5％（填充率定义：

搅拌筒搅动容量与几何容量之比，用百分比表示）。

3）混凝土搅拌运输车的搅动容量应符合下式要求：

搅动容量≤载质量（kg）/混凝土密度（kg/m3）×110%

注：

混凝土密度采用GB/T26408-2011《混凝土搅拌运输车推荐的2400kg/m3。

根据上述要求：

HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌筒几何容积搅拌容积（搅拌容积=载质量（kg）/混凝土密度（kg/m3））应满足如下要求：

Vd/Vj≥0.515

V≤Vd/1.1=3.6m3

V——设计额定搅拌容积即装载容积（m3）

Vd——混凝土搅拌运输车搅动容量（m3）

Vj——搅拌筒几何容积（m3）

HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车的搅拌容积选定为3.5m3。

2.搅拌筒设计尺寸的计算

根据上述第一部分对HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌容积与搅拌筒几何容积的确认，先对搅拌筒的设计尺寸进行计算并进行校核。

根据中华人民共和国建筑工业行业标准JG/T5094-1997《混凝土搅拌运输车》，搅拌筒的斜置角α的取值选为13.5o。

由于运输车必须保证在坡度为14%的路面上行驶且出料口面对下坡方向时不产生外溢，故在计算搅拌罐的额定装载容量时取混凝土与搅拌轴线的夹角

图2.1搅拌罐体图

搅拌筒目前一般采用梨形，底部（称为前锥）是较短的锥形，中部是圆柱形，上部（后锥）是较长的锥形，研究发现：

搅拌筒中下部的外形接近球体形状为最佳，这时，不仅搅拌效果好，搅拌效率高，而且也因搅拌筒重心适当前移，对合理分配运载底盘前后桥负荷，提高搅拌输送车的装载能力是有利的。

因此，设计时，后锥加上前锥上封头的长度基本等于中圆的半径。

具体参见图2.1所示：

设前锥长为

，中圆柱长为

，后锥长为

，中圆半径r，则根据交通法规的要求搅拌筒的最大半径，

，取r为1.0m

2-1

2-2

根据《混凝土机械搅拌输送车型式和基本参数》试行标准中要求：

c1取值范围为1.4~1.8，c2取值范围为0.7~0.97，结合我司制作前后锥的下料工艺，选取下料钢板利用率最大时数值，取c1值为1.55，c2值为0.77，根据2-1、2-2公式计算L1长度为1550mm，L2长度为770mm。

图2.1中r1为后锥后段安装进料口位置的半径，r2为进料口半径，取值范围250-310mm，选取为275mm，r3为前锥与封头结合部位封头的半径。

r1=r-L1xtanα12-3

r3=r-L3xtanα22-4

根据《混凝土机械搅拌输送车型式和基本参数》试行标准中要求后锥角α1取值范围为14.2o~18.1o，前锥角α2取值范围为15o~22o，结合我司制作前后锥的下料工艺，选取下料钢板利用率最大时数值，

α1值为17o，α2值为21o，根据2-3、2-4公式计算r1半径为530mm，r3半径为700mm。

后锥角α1=17º，前锥角α2=21º，由L1、L3、r、r1、r2、r3、α、α0等数据，利用AUTOCAD和Pro/E软件，作出搅拌筒各部分有效容积真实大小的三维实体模型，这样就能测出其体积。

图2.2后锥段的有效容积

由图2.2测量可得搅拌筒后锥段的有效容积:

V1=1.0m

图2.3前锥段的有效容积

由图2.3测量可得搅拌筒前锥段的有效容积:

V3=1.04m

根据上述第一部分确定的搅拌容积3.5m3可以得出中筒部分有效装载容积应该为：

V2=V-V1-V3=1.46m

图2.4中筒段的有效容积示意图

圆柱截段计算公式

由V2计算出L2长度为875mm。

综上可以计算出搅拌筒的各部位尺寸如所示：

L1=1550mm，L2=875mm，L2=770mm，r=1000mm，

r1=530mm，r2=275mm，r3=700mm，详细尺寸见图1.5搅拌筒

各部位尺寸尺寸示意图：

图2.5搅拌筒各部位尺寸尺寸示意图

搅拌筒几何容积计算校核：

搅拌筒几何容积计算公式：

Vj=πL3（r2+r32+r*r3）/3+πL1（r2+r12+r*r1）/3+πr2L2

代入以上数据，得出HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌筒的几何容积为：

Vj=7.45m

。

校核HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌筒的填充率为：

Vd/Vj=3.5*1.1/7.45*100%=51.67%＞51.5%。

结论：

综上所述，HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌筒的设计符合国标要求。

3.传动系统的计算选择

3.1设计输入参数

根据客户意见或产品改进计划提出产品的性能要求HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车驱动系统需要满足下表所示设计输入参数要求。

表3.13.5方搅拌车驱动系统输入参数

参数名称

参数符号

单位

数值

备注

搅拌装载方量

V

m³

3.5

搅拌桶最高转速

ηj

R/min

14

发动机最高转速

ηm

R/min

2500

发动机额定转速

ηe

R/min

1900

混凝土密度

ρi

Kg/m³

2.45*10³

3.2搅拌车工作状况

如图3.1所示：

0~1阶段：

搅拌筒加料工况；

1~2阶段：

搅拌筒运料工况；

2~3阶段：

搅拌筒卸料工况；

3~4阶段：

搅拌筒空筒返回工况；

图3.1搅拌筒工况载荷曲线

由图可见，搅拌筒在卸料初始阶段，搅拌筒所需驱动扭矩最大，搅拌筒液压系统设计时以满足此阶段超载时所需的驱动力来设计。

3.2参数计算

3.2.1最大阻力矩的确定

在超载且搅拌筒处于最高转速的工况时，搅拌筒所受的阻力矩为最大阻力矩，目前工程计算阻力矩Mj主要有两种方法：

（1）经验公式

Mjs=2764.64+5336.36V（3-1）

式中V---搅拌筒混凝土装载方量。

Vj=V（σj+1）（3-2）

式中，σj----搅拌筒超载量，取10%；

将式中（2-2）代入式（2-1），得到式：

Mjs=2764.64+5336.36V（σj+1）（3-3）

此公式来源《混凝土搅拌输送车搅拌筒驱动阻力矩和驱动功率的计算》，公式推导数据来源陕西中大机械集团有限责任公司所提供实验数据，计算得到值为为稳定状态的1.2~1.4倍，并已考虑长时间行驶后（混凝土沉淀）搅拌筒启动时的峰值。

现以Ks=0.8的系数对公式（3-3）进行修正，得式（3-4）：

Mj=KsMjs=2212+4269Vj（3-4）

式中Vj---搅拌筒超载混凝土装载方量。

Vj=V（σj+1）（3-5）

式中σj--搅拌筒超载量；

将式（3-5）代入（3-4），得到式：

Mj=2212+4269V（σj+1）（3-6）

将V=3.5带入式（3-6），计算得到Mj=18647.65N.M。

3.2.2搅拌筒最大驱动功率的确定

最高转速超载工况搅拌功率:

Pjm=2πXηjMj/60/1000（3-7）

计算得到Pjm=27.33KW

3.3设计选型

设计思路：

如图3.2所示，搅拌筒必须满足扭矩和转速要求。

其中液压马达输出扭矩并经减速机放大满足搅拌筒输出扭矩要求；液压油泵输出流量驱动减速机，经减速机满足搅拌筒输出转速要求，其中减速机起转速、扭矩传递作用。

液压马达输出扭矩的关键参数为压力和排量；而液压油泵输出的关键参数为输入转速和排量。

液压马达参数设计时，先预取发动机PTO口最大稳定转速，然后计算液压油泵最大排量，选型后验证发动机PTO口最大稳定转速。

图3.2设计思路

3.3.1减速机的选取

选择减速机型号HL4F-B/P2300，i=103，最大扭矩2400N.M。

满足搅拌筒扭矩传递要求。

3.3.2液压马达的选取

初选系统最大工作压力差△Pm=30MP。

马达最大输出转速ηm为：

ηm=ηji（3-8）

计算得到ηm=14*103=1442r/min。

马达最大输出扭矩Mm=Mj/I（3-9）

计算得到Mm=18647.65/103=181.05N.M。

则马达计算排量Vm=2πMm/（△P*ηmm）（3-10）

式中ηmm---液压马达机械效率，取值0.95。

计算得到Vm=6.28*181.05/（30*0.95）=39.89ml/r。

选择海特克马达HAA2FM45，排量为Vm=45ml/r，最高工作转速3200r/min，40MPa压差作用下输出扭矩258N.M。

海特克马达HAA2FM45马达最大工作压力△Pm校核：

△Pm=2πMm/（Vm*ηmm）（3-11）

计算得到△Pm=6.28*181.05/（45*0.95）=26.59Pa。

查液压马达HAA2FM45样本手册，额度输出扭矩为258N.m。

所选用液压马达能满足减速机驱动力设计要求。

3.3.3液压泵的选取

选择海特克油泵HP2VC45HW，确定,液压泵的最大工作压力差

△Pp≥△Pm+dp（3-12）

其中△Pm为液压马达的最大工作压力差，为30MPa，dp为油泵与马达之间的压力损失，取0.5MPa。

计算的到△Pp≥30.5MPa。

液压泵的流量按液压马达的最大输入流量和泄露量来确定，液压泵的最大流量Qp为：

Qp＞Qm/ηpv（3-13）

计算得到Qm=1442*45/（1000*0.95）=68.31L/min。

代入式（3-13）中得到Qp＞68.31L/min/0.95=71.91L/min。

从而可得到油泵排量Vp＞Qp/ηv（3-14）

式中ηv---为发动机在液压系统最大载荷时的最高稳定速度，查发动机万有特性曲线，取值2100r/min，此转速发动机最大扭矩1090N.M。

计算得到＞71.91L/min*1000ml/L/2100r/min＞34.24ml/r。

选择海特克HP2VC45HW变量柱塞泵，高压溢流阀设定压力40MPa，最高工作转速3600r/min，排量Vp=45ml/r。

当发动机转速为2100r/min时，油泵流量满足搅拌筒14r/min的最高转速需求。

力士乐变量柱塞泵最大输入扭矩为：

Mp=Vp△Pp/2πηpm（3-15）

式中ηpm为柱塞泵机械效率，取值0.92。

计算得到Mp=45*30.5（2*3.14*0.92）=237.56N.m。

3.4校核验算

3.4.1减速机输出轴校核

出于主轴轴承最大承压能力限制，由PMP减速机样本可以得到：

HL4F-B/P2300减速机径向最大承受载荷为：

Frad=75KN,

HL4F-B/P2300减速机轴向最大承受载荷为：

Fax=24KN,

根据3.5m3搅拌车的设计，搅拌筒加混凝土总重为9.96吨，则设计方案中：

满载时P=9.96*9.8=97.61KN,α=13.5°b1=910.5mmb2=2124.5mm

F3=P/（1+b2/b1）cosα（3-16）

计算F3=30.25KN

F1=P-F3cos（α）=97.61-30.25*cos13.5.°=68.03KN（3-17）

F2=F3sin（α）=30.25*sin13.5°=12.35KN（3-18）

Frad=F1sin（α）+F2cos（α）=Psin（α）=97.61*sin13.5°

=39.85KN＜75KN（3-19）

Fax=F1cos（α）-F2sin（α）=Pcos（α）-F3=97.61*cos13.5°-30.25=20.38KN＜24KN。

（3-20）

通过校核得知，HL4F-B/P2300减速机满足搅拌筒工况设计要求。

3.4.2发动机PTO输出验算

当负载力矩大小相同时，液压系统马达排量小则系统压力大，对发动机输出扭矩的要求也大，以下将验算发动机PTO口输出扭矩要求。

发动机PTO口最大输出扭矩MBO为：

MBO=Mp/ηeo（3-21）

式中ηeo为传动轴机械效率，取值0.92；

计算得到MBO=526.35/0.92=572.11N.M。

发动机在PTO最大扭矩为572.11N.M时，能稳定输出2100r/min的转速。

发动机PTO输出功率验算：

最大负载时，液压泵输入功率Ppi为：

Ppi=VplηV△pp1/60ηp（3-22）

式中ηp为液压泵总效率，取值0.9

计算得到Ppi=45*0.95*2100*30/（60*0.9）=49.88KW。

最大负载时，要求发动机输入功率Pei为：

Pei=Ppi/ηeo（3-23）

计算的到Pei=49.88/0.92=54.21KW。

玉柴130匹马力发动机额定功率94.89KW,能满足搅拌筒旋转最大功率需求。

3.5总结

通过对搅拌筒负载分析计算，得到超载搅拌筒最高转速时，3.4方搅拌车搅拌筒阻力矩为18647.65N.M。

设计选型HL4F-B/P2300减速机，其设计最大输出扭矩24000NM,能满足系统扭矩传递要求，通过计算校核，得到减速机输出轴满足搅拌筒满载时轴向、径向载荷要求。

设计选型海特克油泵HP2VC45HW、海特克马达HAA2FM45，其最大输出扭矩分别为237.56和258NM，能满足最大负载扭矩181.05NM的驱动能力要求。