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≤7.72)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≥0.515V≤Vd/1.1=3.6m3V——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0arctan(0.14)8α201αα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1L，中圆柱长为2L，后锥长为3L，中圆半径r，则根据交通法规的要求搅拌筒的最大半径，1.25rm，取r为1.0m11Lcr2-132Lcr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-L1xtanα12-3r3=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=1.0m3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=1.04m3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=1.46m3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=7.45m3。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Vm³3.5搅拌桶最高转速ηjR/min14发动机最高转速ηmR/min2500发动机额定转速ηeR/min1900混凝土密度ρiKg/m³2.45*10³3.2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=27.33KW3.3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=2124.5mmF3=P/（1+b2/b1）cosα（3-16）计算F3=30.25KNF1=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：P