風能混凝土攪拌機結(jié)構(gòu)設計【風力攪拌機的結(jié)構(gòu)設計】

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This idea comes from the practical working, designing the new idea with the theme of saving energy, utilizing environment and protecting environment effectively. The main content of this design includes the design of wind power receiver device, the design of middle transmission system, the design of concrete mixer, the analysis of the main assemblies and the force calculation. In this design, the wind power receiver device adopts windward, horizontal axial arrangements, NACA wing section and the wind power as mechanical force to transmit the power to mixer through transmission system. The middle transmission system adopts accelerating speed first, the aim is to improve the efficiency of the transmission, and then decelerating the transmission to reach the cylinder’s need. The mixer adopts taper reversing system, the cylinder adopts gear--gear transmission, the system of rising and falling adopts steel cable, discharging materiel with inclination after the concrete is mixed averaged. The design adds the essential speed governor and braking system namely changes the direction of aircraft nose with gear, vertices and parallels with the direction of wind in order to keep the stability of the cylinder. The most important feature of the design is to save energy and protect the environment. The structure is simple, easy to disassemble, easy to move, less investment and faster construction, which is of great significance to construction. Key words：Wind stirring; concrete; energy saving; environmental protection II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 風能概述 1 1.2 混凝土攪拌機概況 5 2 風力攪拌機的設計方案 8 2.1 風力機的設計方案比較 8 2.2 傳動系統(tǒng)的設計方案比較 9 2.3 混凝土攪拌機的選用 10 3 基本參數(shù)的確定 11 3.1 風力機參數(shù)選用 11 3.2 攪拌機的參數(shù)選用 14 4 風力攪拌機主要結(jié)構(gòu)設計確定 19 4.1 風輪的設計 19 4.2 傳動裝置的設計 20 4.3 攪拌機的設計 21 5 主要零部件的設計計算 23 5.1 軸的剛度驗算 23 5.2 軸承壽命計算 27 6 攪拌機的安裝和使用 28 6.1 攪拌機的安裝 28 6.2 混凝土攪拌機的使用 29 結(jié)論 30 參考文獻 31 致謝 VIII 1 緒論 在人類社會發(fā)展過程中，出現(xiàn)了資源枯竭與環(huán)境惡化等問題，人們認識到環(huán)境對制約著人類的發(fā)展。因此，走可持續(xù)發(fā)展的道路已經(jīng)成為國際公認的發(fā)展目標。中國實施可持續(xù)發(fā)展對全人類的發(fā)展都具有重要的意義。 越來越多的數(shù)據(jù)表明，作為世界上主要能源的化石燃料的長期使用已經(jīng)嚴重損害了環(huán)境，并造成全球氣候的變暖。當前的現(xiàn)實是，化石燃料也是一種不可持續(xù)的能源，也并不可能無限使用。也就不可避免的在將來采取替代的能源供應方法采用新型能源，我們必須要對可持續(xù)的新型能源的開發(fā)與研究進行大量的投資，才能實現(xiàn)可循環(huán)能源的大規(guī)模使用。 經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基本條件是環(huán)境保護和能源供應。21世紀我們用的能源是什么？從能源的角度來看，有許多專家和機構(gòu)分析表明，我們只有優(yōu)先發(fā)展可再生能源，下個世紀我們才會不因為缺乏能源而導致全球能源危機【1】。從環(huán)保角度說，能源消耗所帶來的環(huán)境問題是清晰可見的，在過去20年，全世界能源消耗增長了50％，再往后的五年，全球的能源消耗還將增長50％到100％，由此排放的能造成溫室效應的氣體將會增加45％到90％，這會造成很嚴重的后果，而我國目前同樣面臨著資源、能源和環(huán)境的壓力【2】。 著眼現(xiàn)實，風能對于農(nóng)村和邊遠地區(qū)來說，使他們?nèi)粘Ｉ钏枘茉吹闹匾揽?。對大多?shù)發(fā)展中國家來說，需要因地制宜地開發(fā)與發(fā)展新能源。中國一個是人口眾多的發(fā)展中國家，能源問題十分顯著，我們更需要合理開發(fā)與利用新能源和可再生能源來彌補常規(guī)能源的不足。毫不夸張地說，新能源將在我國經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越大的作用。 1．1 風能概述 1.1.1 風的來源 氣體流動產(chǎn)生的動能即是風能。風能是由于太陽輻射不均勻，導致地球表面加熱不均勻，使大氣壓力分布也不均勻，從而產(chǎn)生的氣體流動。風能利用的意思主要是將風能轉(zhuǎn)換成其它形式必須電能、機械能等能量?？諝獾乃竭\動產(chǎn)生的風，由于地球的緯度受到太陽輻射強度的不同，從而產(chǎn)生的空氣運動。低緯度的地區(qū)因為太陽高度角更大，所以日照時間更長，太陽輻射強度更強，導致大氣和地面接受的熱量較多，溫度較高；在高緯度的地區(qū)由于太陽高度角小，所以日照時間短，導致大氣和地面接受的熱量少，溫度較低【3】。因此南北氣壓的不同梯度是由于緯度的高低所產(chǎn)生的溫差導致的。空氣水平運動，風應沿水平壓力梯度方向吹，即從高壓到低壓垂直于等壓線。大氣的真實運動還受到一種叫做地轉(zhuǎn)力的影響。事實上，地面風不僅僅受到這兩種力的影響，還在在一定程度上受到海洋與地形的影響，它們也可以改變氣流運動的方向，也可以使風速，丘陵、山區(qū)摩擦大使風速減小，孤立的山峰由于高空風速增大。風也有很多種類型。比如季風、海風、陸風等。季風的形成時由于不同的季節(jié)海陸的溫差所帶來的不同影響。海風與陸風的形成時由于白天是陸地溫度更高導致高層風從大陸吹向海洋，地層風從海洋吹向大陸。海風即為夜間時還用溫度高所形成的相反的風向。 1.1.2 風能簡介 風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它具有做功的能力是一種很有開發(fā)價值的潔凈的可再生的又可就地取用的自然能源。公元前的時候人們就已經(jīng)開始利用風能了，但幾千年來，由于人們并沒有認識到風能的重要性，導致風能技術發(fā)展緩慢。但由于1973年世界石油危機，人們認識到常規(guī)能源的不足，風能作為新能源的一部分，越來越受到人們的重視。風能是一種可再生且無污染的新型能源，具有非常大地發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對于一些沿海城市、海島和一些交通不便的偏遠地區(qū)、地廣人稀的草原牧場等地區(qū)，作為解決人們生產(chǎn)生活能源的一種可靠途徑，具有十分重要的意義【4】。目前即使在一些發(fā)達國家，分能也越來越受到人們的重視。 空氣流動所產(chǎn)生的動能即為風能。大風具有著很大的能量 ，如果我們可以充分利用起來，對我們的生產(chǎn)生活都會有很大的幫助。風速為20m / s的9級風，吹在物體表面的力，可達到50公斤/平方米面積。臺風的速度竟然可達到50 甚至60m / s，它對物體竟然可以產(chǎn)生超過200公斤沒平方米的壓力。在海邊生活或者去沿海城市旅游的時候，會看到?jīng)坝康暮＠耍酗L引起的海浪會對海岸有很大程度的影響，它的壓力可高達30t每平方米。風不僅可以產(chǎn)生能量，它也在自然界中扮演著很重要的角色。它可形成風海流，造成沙漠，使山巖發(fā)生侵蝕，強大的空氣流還可以在地面輸送水分，來影響氣候，造成旱季和雨季。有數(shù)據(jù)表明，風中含有的能量，超過了目前為止人類所能控制的所有能量。由此可見，風能作為新型能源，對我們的發(fā)展會有多么重要的作用。 我國季風強盛。風能總儲量每年17億kw，目前也可開發(fā)1.7億kw左右。。每個區(qū)域的風所提供的能量主要取決于該區(qū)域的風持續(xù)時間與風力強度的多少。所以在研究本課題之前要了解風的一些特性，比如風速、風級、風能密度等。 風力等級 如下表所示，世界氣象組織將風力分成十三個等級，在沒有風速計的時侯可以根據(jù)它來粗略估算風速。 表1.1 氣象風力等級表 級別 風速 [m/s] 陸地 ?海洋 浪高[m] 0 小于0.3 靜煙直上 ?無 ?0 1 0.3-0.6 煙能表示風向，但風標不能轉(zhuǎn)動 出現(xiàn)魚鱗似的微波，但不構(gòu)成浪 0.1 2 1.6-3.4 人的臉部感到有風，樹葉微響，風標能轉(zhuǎn)動 小波浪清晰，出現(xiàn)浪花，但并 不翻滾 0.2 3 3.4-5.5 樹葉和細樹枝搖動不息，旌旗展開 小波浪增加，浪花開始翻滾， 水泡透明看起來像玻璃，并且到處出現(xiàn)白浪 0.6 4 5.5-8.0 沙塵風揚，紙片飄起，小樹枝搖動 小波浪增長，白浪增多 1 5 8.0-10.8 有樹葉的灌木搖動，池塘內(nèi)的水面起小波浪 波浪中等，浪延伸更清楚，白 浪更多（有時出現(xiàn)飛沫） 2 6 10.8-13.9 大樹枝搖動，電線發(fā)出響聲，舉傘困難 開始產(chǎn)生大的波浪，到處呈現(xiàn) 白沫，浪花的范圍更大（飛沫更多） 3 7 13.9-17.2 整個樹木搖動，人迎風行走不便 浪大，浪翻滾，白沫象帶子一 樣隨風飄動 4 8 17.2-20.8 小的樹枝折斷，迎風行走很困難 海浪越來越長，浪花出現(xiàn)在水霧的頂端，泡沫像膠帶一樣在風中清晰地飄動 5.5 9 20.8-24.5 建筑物有輕微損壞（如煙囪倒塌，瓦片飛出） 有很大的波浪，氣泡被厚厚的皮帶隨風移動，波浪向前，翻滾，倒卷，泡沫擋住了視線 7 10 24.5-28.5 陸上少見，可使樹木連根拔起或?qū)⒔ㄖ飮乐負p壞 海浪得變更長，形成更大的波浪，大片的泡沫像白色的緞帶在風中飄動，整個大海都是白色的，波浪翻滾 9 續(xù)表1.1 氣象風力等級表 11 28.5-32.7 陸上很少見，有則必引起嚴重破壞 海浪很高(中小型船只有時被海浪遮住，看不到)，海水被隨風流動的氣泡覆蓋。 11.5 12 32.7以上 破壞極大? 空氣中充滿水泡與飛沫，視野變成一片白色，基本看不清東西。 14 ? 風能與傳統(tǒng)的化石燃料比較，其優(yōu)點是： （1） 能源取之不盡； （2） 分布于各地，可以自由利用； （3） 不污染環(huán)境； （4） 不存在燃料費用等； （5） 不存在燃料費用等； 風能的缺點是： （1） 空氣稀薄，能源密度小； （2） 風向時常變化，不易獲得穩(wěn)定的能量； （3） 在年平均風速較小的地區(qū)，能源成本較高等。 1.1.3 風力發(fā)動機的原理 風力機的風輪是由輪轂和安裝在輪轂上的槳葉組成，每個槳葉需要按照槳葉自身軸心線給點的角度按同一旋轉(zhuǎn)方向，即讓每個葉片的翼弦和風輪旋轉(zhuǎn)平面成一個角度，這個角度叫做槳距角。下圖為風力機啟動時的受力圖 圖1.1 槳葉受力圖 假設中心距的位置和風向相同，當速度為的氣流經(jīng)過風輪是，在槳葉Ⅰ和Ⅱ會產(chǎn)生氣動力和。將和分解成垂直氣流方向的分立和以及沿著氣流方向的分力和，其中沿著氣流方向的力為阻力，垂直氣流方向的力為升力。阻力形成對風輪地正面壓力，升力對風輪中心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，進而讓風輪轉(zhuǎn)動。 1.1.4 風力發(fā)動機的組成和分類 風力發(fā)動機又稱為風力機，是風能轉(zhuǎn)換為機械能或動能的機械，是風能系統(tǒng)中必不可少的、最重要的機械。它由三大部分組成：風能收集裝置、傳動系數(shù)，能量輸出系統(tǒng)。 風力發(fā)動機的分類： 1. 按功率分 （1） 微型 1千瓦以下。 （2） 小型 1～10千瓦。 （3） 中型 10～100千瓦。 （4） 大型 100～1000千瓦。 2．按風輪軸空間位置分 （1） 水平軸 （2） 垂直軸 3. 按葉片數(shù)量分 （1） 少葉式（或高速風力機） 三葉片及以下。 （2） 多葉式（或慢速風力機） 四葉片以上。 4.按用途分 （1） 直接發(fā)電。 （2） 直接驅(qū)動其他機械 1．2 混凝土攪拌機概況 1.2.1 簡介 機械既是用來減少人工勞動和提高生產(chǎn)力的工具，也是衡量社會生產(chǎn)發(fā)展的重要標志，建筑業(yè)是世界上不可缺少的大工業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。機械在施工中的使用，可以顯著節(jié)約勞動力，減少重體力勞動，并可以提高工程質(zhì)量和加快工程進度，如一臺400 l混凝土攪拌機可以代替數(shù)十人的重拌工作，因此，在施工中，合理使用各種機械，實現(xiàn)最大程度的機械化作業(yè)，是適應和加快我國四化進程所必需的。 混凝土是當前建筑工程中應用非常廣的一種基礎材料，對我們的經(jīng)濟，生活中都有很重要的作用?；炷潦且运酁樵牧?，把水泥和砂等和水、添加劑按一定比例配合、攪拌而成的物質(zhì)。因近年我國對混凝土的需求量越來越大，導致混凝土機械技術與設備發(fā)展迅速，但有一些在需在現(xiàn)場的攪拌裝置，機械化程度依然很低，生產(chǎn)效率低，浪費許多人力物力，而且占地面積大。因此，許多國家都改變了這種做法，集中在工廠生產(chǎn)混凝土，把混凝土作為商品提供給施工現(xiàn)場，集中生產(chǎn)混凝土的工廠設備先進，并能及時向訂貨現(xiàn)場供應各種混凝土。 1.2.2 混凝土攪拌機的工作原理和分類 混凝土攪拌機按攪拌原理可分為自落式和強制式兩大類。 自落式和強制式又分很多種類型，具體分為以下幾種： 鼓筒式（已被淘汰） 自落式 錐形反轉(zhuǎn)出料式 錐形傾翻出料式 雙錐形 混凝土攪拌機 梨形 渦漿式 單臥軸式 強制式 雙臥軸式 行星式 定盤行星式 轉(zhuǎn)盤行星式 各種混凝土攪拌機的工作原理與類型如下： 1） 錐形反轉(zhuǎn)出料式 在工作過程中，攪拌機的攪拌桶中心周線始終處于水平，他的葉片在桶內(nèi)的排列方式成交叉狀，出料端伴有一對螺旋出料葉片，在攪拌機正轉(zhuǎn)的時候，桶內(nèi)交叉的一片一個將物料提起在讓其下落，同時另外一個葉片使物料進行軸向移動，從而攪拌物料；當桶反轉(zhuǎn)時，葉片迫使混凝土排出機器。他的應用范圍為：普通混凝土、高塑性半干硬性混凝土。 2） 錐形傾翻出料式 他的主要特點是攪拌機的進、出料合為一個口，攪拌時錐形攪拌筒具有約15°仰角，出料時攪拌筒向下旋轉(zhuǎn)50°—60°。這類攪拌機具有生產(chǎn)率高，卸料便捷，速度快，可攪拌大骨料等特點，應用范圍：在混凝土攪拌站作主機。 3） 立軸強制式（渦漿式） 它是依賴攪拌筒內(nèi)的渦漿式葉片的旋轉(zhuǎn)對物料進行強制攪拌對，具體過程為：先對物料進行擠壓、帶動物料翻轉(zhuǎn)、最后拋出物料，這種方式具有攪拌均勻、時間短、密封性好的特點，應用范圍：干硬性混凝土、輕質(zhì)混凝土的攪拌。 4） 臥軸強制式 它結(jié)合餓了自落式和強制式兩種的優(yōu)勢，即攪拌質(zhì)量好，耗能少，生產(chǎn)率高，能攪拌塑性、干硬性、輕骨料混凝土及各類灰漿、砂漿等混合物，是一種多功能的攪拌器械。 5）行星式 他的攪拌能力很強，非常適合對低水灰比的干混混凝土進行攪拌。 1.2.3 攪拌機的選擇 表1.2 攪拌機的特點 考慮方面 混凝土特點 攪拌機選擇 工程量和工期方面 混凝土量大、工期長 宜選用中型或大型固定混凝土攪拌機組或攪拌站 混凝土工程量小、工期短 應選用小型移動式攪拌機 設計的混凝土性質(zhì) 混凝土為塑性或半塑性 宜選用自落式攪拌機 混凝土為高強、刺目或輕質(zhì)混凝土 宜選用強制攪拌機 混凝土組成特性和稠度方面 稠度小且骨料粒度大 宜選用容量大的自落式攪拌機 稠度大而骨料粒度也大 宜選用攪拌筒轉(zhuǎn)速較快的自落式攪拌機 稠度和骨料粒徑較小 宜選用強制式攪拌機或中、小容量圓錐形倒排攪拌機 使用要求方面 攪拌機的數(shù)量至少等于同時攪拌的混凝土品種數(shù)，對同一品種混凝土而標號相差懸殊時 應盡量選用同一規(guī)格型號的攪拌機，每組攪拌機的 布置數(shù)以2～3臺為宜 風力攪拌機的結(jié)構(gòu)設計 2 風力攪拌機的設計方案 2.1 風力機的設計方案比較 風力機的設計總要求是：整機效率高，操作簡單，維修方便，安全可靠，價格便宜。 2.1.1風輪設計 風輪的作用是把空氣流動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槭癸L輪旋轉(zhuǎn)的機械能，為了活動較佳的機組性能，在設計風輪之前要考慮工作機的特性。一般風力機的風輪由若干個葉片構(gòu)成，葉片的多少視負載的性質(zhì)決定。由于該設計需要較大的起動扭矩，所以選擇多葉式風輪。另外，多葉式風輪還有一大優(yōu)點，起動風速低，這樣就擴大了風力機的使用范圍。 葉片的材料由木質(zhì)、玻璃鋼、尼龍、鍍鋅鋼板、聚乙烯單面復合片等等，在此，我選用整體澆鑄成型的聚乙烯復合材料，因為它具有良好的機械性能，耐腐蝕，比重小，材料利用率高，成本低等一系列優(yōu)點，特別適合小型風力機。 綜上所述，該設計中風輪選用聚乙烯復合材料的多葉式風輪。 2.1.2 限速、安全機構(gòu) 調(diào)速裝置的目的是使風力機在處于高于額定風速額的風況下運行時不使它的轉(zhuǎn)速和功率超過太多。安全裝置的作用是當風速過大時，風力機可以停止運行來保護風力機整機。 風力機風輪的轉(zhuǎn)速和功率是與風速成正比的，當風速增大時，轉(zhuǎn)速和功率也上升，當風速超過額定值時，過高的轉(zhuǎn)速和超負荷將影響風力機的壽命甚至造成破壞，因此需要加以控制，使風力機在一定的風速范圍，風輪的轉(zhuǎn)速基本不變。在我國研制的風力機所采用的限速方式主要有以下幾種：①風輪側(cè)偏式；②風輪上仰式；③漿葉變距式；④空氣制動式；⑤阻尼式。前兩種方式的機理都是使風輪在高于額定風速的情況下改變風輪迎風面，使它偏離風向，從而避免風輪的超速運轉(zhuǎn)。使風輪側(cè)偏的方法很多，例如風輪軸側(cè)偏布置，風輪一側(cè)安置側(cè)葉等。當風速超過額定風速時，可以通過變漿距改變?nèi)~片的角度，從而控制風輪的功率和轉(zhuǎn)速。采用阻風板進行空氣制動等限速方式在我國研制的風力機中很少應用。利用阻尼器自動調(diào)整風輪旋轉(zhuǎn)阻尼。具體調(diào)速方式有四種：（1）機械彈簧調(diào)節(jié)；（2）側(cè)葉配重調(diào)節(jié)；（3）通過機械離心1／3 葉片和副葉片進行調(diào)節(jié)；（4）液壓調(diào)節(jié)。除限速裝置外，還設有特殊的制動裝置，保證風速過大事風力機的安全。小型風力機多數(shù)采用報剎風輪軸制動的方法時風力機停止運行。 以上五種方案中，變漿距的方法是使葉片旋轉(zhuǎn)而改變受風面積，這樣葉片與風輪軸不是一體的，其穩(wěn)定性不好，故不采用此方式。后兩種方法因為技術要求比較高，使用比較復雜，所以在現(xiàn)在還很少使用，在該設計中，我的設計要求是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的，所以，在以上所說四種方案中，我選擇第一種，即通過風輪側(cè)偏改變風輪迎風方向，從而達到限速的目的。 2.2傳動系統(tǒng)的設計方案比較 方案一 只通過錐齒輪傳動達到變向、變速的目的。 圖2.1 齒輪傳動方案一 方案二 在錐齒輪傳遞的前后均加一對增速直齒輪。 圖2.2 齒輪傳動方案二 方案三 上面加一個增速齒輪，下面加一個減速齒輪。 圖2.3 齒輪傳動方案三 以上三種方案中，第一種沒有增速機構(gòu)，只通過錐齒輪自身改變轉(zhuǎn)速是遠遠不夠的，而且由于轉(zhuǎn)速慢，傳動效率太低，能量損耗大。第三種方案的構(gòu)想是好的，先提高轉(zhuǎn)速，是傳動效率加強，但是由于風力機的轉(zhuǎn)速太小，如果下面加減速裝置的話，攪拌筒運轉(zhuǎn)會比較困難，所以只有第二種方案是最合適的，即上下均有增速齒輪的傳動系統(tǒng)，這樣才既能保證傳動效率，又能保證攪拌機的正常運轉(zhuǎn)。 2.3混凝土攪拌機的選用 目前，攪拌機的種類只有自落式和強制式兩種。 本次設計中的動力來源于風力機，因為目前風能利用技術還不成熟，風能轉(zhuǎn)換率不是很高，即額定功率小，所以要選擇一個功率消耗少的攪拌機。另外，因為本次設計是為了給小型施工獨立使用的單機或作為小型工廠用，要求攪拌機的結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，所以選擇自落式攪拌機更為合理。 3 基本參數(shù)的確定 3.1 風力機參數(shù)選用 表3.1 風力機參數(shù) 名稱 參數(shù) 風輪直徑 6米 葉片數(shù) 12片 葉片材料 鍍鋅鋼板 葉片翼型 NACA型 迎風方式 上風式 風輪中心高 10米 設計風速 6米/秒 額定風速 12米/秒 工作風速范圍 3~18米/秒 風能利用系數(shù) 0.36 3.1.1風能利用系數(shù)的確定 變?yōu)轱L輪機械能的風能與通過風輪漿葉面的風能的比值,叫做風輪的風能利用系數(shù),通常以CP表示。 無論多么優(yōu)良的風輪，也不可能將全部風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，根據(jù)貝茨理論，CP的極限值為0.593，也就是說，對于一個理想的風輪，也只能把59.3%的風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。我國傳統(tǒng)風車的風能利用系數(shù)一般不超0.2，我國原軟布葉片風力機的風輪利用系數(shù)最大值不超過0.24，但現(xiàn)代風力機的利用系數(shù)可達到0.4以上，由于考慮到成本低，重量輕，故雖然采用了最先進的NACA翼型，但是最大風能利用系數(shù)應在0.26≤Cp≤0.4，所以該設計取Cp＝0.36。 3.1.2設計風速的確定 設計風速是指使風輪的功率－轉(zhuǎn)速曲線與攪拌機功率－轉(zhuǎn)速曲線產(chǎn)生的最佳匹配的風速，在此風速下風輪的風能利用的效果最佳。 通常，風力機的設計風速應等于使用地區(qū)的年平均風速，因為本設計的風力機是為我國內(nèi)蒙等內(nèi)陸地區(qū)設計的，這些地方大部分屬于Ⅰ－Ⅱ類風能區(qū)，年平均風速為6－7米/秒，因此確定本風力機的設計風速為6米/秒。 3.1.3額定風速的確定 這里所說的額定風速就是風力機的調(diào)速風速，當外界風速超過該風速時，調(diào)速機構(gòu)開始工作，風輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以保持功率和轉(zhuǎn)速不再增加。 荷蘭風能專家P·T·Sawlders根據(jù)多年的研究經(jīng)驗認為：一般來說，風力機的額定風速應等于當?shù)啬昶骄L速的兩倍。即根據(jù)當?shù)氐哪昶骄L速、空氣密度等來確定風力機的額定風速。根據(jù)調(diào)查，我國內(nèi)陸地區(qū)的年平均風速在6－7米/秒左右，空氣密度為0.127kg/m3,適合風力機工作的風速的小時數(shù)（3－18米/秒）約占全年小時數(shù)的50%左右。因此，綜合看來，風力機的額定風速定為12米/秒比較合理。 3.1.4 工作風速范圍的確定 我國內(nèi)蒙古地區(qū)是內(nèi)陸風能最豐富的地區(qū)，其有效風能密度一般超過200瓦/米2，3－20米/秒風速的有效風力出現(xiàn)頻率達70%，全年在6000小時以上。一般來說，當風速≥3米/秒時就有開發(fā)利用價值，而且如果開始工作風速太低，也會給機組配件帶來不利影響，所以風力機的工作風速定在3－18米/秒。 3.1.5 風輪的設計計算 不同風速的空氣流,吹到風力機風輪上的葉輪上,單位時間內(nèi)通過風輪漿葉掃掠面的全部風能,既風能的理論功率為: N=vF （3-1） 式中 ρ-空氣密度(標準狀況下ρ=0.127kg/m3)； v—風速(m/s)； F—風輪掃掠面積(m2)。 風輪的掃掠面積與有如下關系 F=0.875D （3-2） 式中 D—風輪的直徑(m)。 將上面兩式合并得 (kw) （3-3） 由上式可見,風輪的直徑越大,他的受風面積越大,通過風輪的能量也越大。但是,變?yōu)闄C械功的能量卻只是這能量的一部分。 風能利用系數(shù)CP=0.36 則風輪的實際功率 V=6 (m/s) P= CP =0.36=1.346 (kw) V=9.5(m/s) P= CP =5.342 (kw) V=12 (m/s) P=0.36=10.767 (kw) 但這并不能誤認為是風力機的功率.而風能利用系數(shù)和風力機的效率也是截然不同的概念。風力機的效率是風力機輸出的有用效率和風輪實際功率之比,根據(jù)經(jīng)驗,μ=0.8 風力機輸出功率 葉片受力情況: 風輪葉片有升力型和阻力型兩種,在該設計中采用升力型,具體分析見第四章。 阻力 X=CA （3-4） 升力 Y=CA （3-5） 只考慮升力 F升=CA 升力系數(shù)的理論最大值為CL=2sin, 為攻角,即平板與流體相對速度的夾角。正常情況下,應達到理論值的90%,攻角不應超過250。 則 CL=2sin(0) =1.94 CL實=1.940.9=1.746 求平均扭矩:取單葉片長2.5m, L =1.75m, 平面積為0.5m, 則有 T1=F.L=(1.7460.50.127)1.7512=41.9 N·m T2=F.L=(1.7460.50.127)1.7512=105.06 N·m T3=(1.7460.50.127)1.7512=167.6 N·m 風輪轉(zhuǎn)速n n1=P=1.0768=245.4 (r/min) n2=P=4.27=388.1 (r/min) n3=P=8.6136= 490.8 (r/min) 3.2 攪拌機的參數(shù)選用 表3.2攪拌機參數(shù) 名稱 參數(shù) 進料容量 500 (L) 出料容量 300 (L) 生產(chǎn)率 12 (m3/h) 拌筒速度 15 (r/min) 骨料最大顆粒 60 (mm) 額定功率 4 (kw) 外型尺寸 L×B×H 3000×2900×3600 (mm) 自落式混凝土攪拌機基本參數(shù)計算 3.2.1攪拌筒的轉(zhuǎn)速 當攪拌筒轉(zhuǎn)動時，物料將隨著筒一起轉(zhuǎn)動，攪拌桶的轉(zhuǎn)速不能過高，轉(zhuǎn)速過高使，物料會落在壁桶上不會落下。但是，攪拌筒的轉(zhuǎn)速也不應過低，過低則生產(chǎn)率太低。 一般攪拌筒內(nèi)的葉片均為徑向布置。當受力情況滿足下式時,物料可自動從葉片上落下,產(chǎn)生攪拌作用。 （3-6） 式中: G---料粒的重力; α---葉片的傾角; P---離心力; F---摩擦力; 又知: （3-7） F =f Gcosα （3-8） 式中: g ---重力加速度; γ---料粒距回轉(zhuǎn)中心的距離,取等于攪拌筒的半徑 R,m; n---攪拌筒轉(zhuǎn)速,r/min; f---摩擦系數(shù),f取0.6。 將P、F代入上式并簡化： （3-9） 在上式中，當α略大于30°時，攪拌機的轉(zhuǎn)速n接近零，這就是說，如果讓物料沿著30°角下滑時，攪拌機的轉(zhuǎn)速接近于零。這一工況當然是不好的。因為在這一工況下，轉(zhuǎn)速低、生產(chǎn)率低、物料的落差H小，攪拌作用差。如果讓物料沿著接近90°角下滑，這時效果也不好。因為這時物料的落差也很小，同時循環(huán)次數(shù)也少，關于循環(huán)次數(shù)的計算如下： 在現(xiàn)有設計中常采用α角等于45°，這時： 則在該設計中的攪拌筒的轉(zhuǎn)速為 所已此攪拌筒的轉(zhuǎn)速定為15r/min。 3.2.2 攪拌機功率 自落式攪拌機運轉(zhuǎn)時，其功率主要用于克服物料所產(chǎn)生的阻力矩。為了簡化計算，假定物料在筒內(nèi)的縱向平行于攪拌筒的縱軸線。根據(jù)這一假設，可列出計算物料所產(chǎn)生的阻力矩的公式： （3-10） 式中：----攪和料的重力，kN； S----弓形面積S的計算。 在計算弓形面積時，攪和料的體積按出料容量計算，其容重為2200kg/m3。 在雙錐形攪拌機中由于兩端為圓錐形，所以在計算兩端弓形面積和S值時應如圖所示，其中l(wèi)為一變量： （3-11） 式中：R----錐底的半徑，m； ----角度; 所以在雙錐形攪拌機中，應分別計算中部圓柱體、兩端兩錐體的S值，然后分別求出阻力矩值。 在求得阻力矩M以后，按下式計算功率N： （3-12） 式中：n----攪拌筒轉(zhuǎn)速，r/min ； ----考慮支承裝置的效率，取0.97-0.98。 綜合我的設計,其中出料容量設為300L=0.3m3 ,容重 ,其它見圖上標示。 假設兩邊錐形相同 則 即 設混凝土在攪拌筒中高為 則又 將左右兩邊近似看成錐形 則其體積 錐=2 中間部分體積 柱= 由泰勒公式 （3-13） 可得 即 柱 根據(jù)近似公式 （3-14） 得 柱= 又 得 m m 根據(jù)材料力學的形心公式柱體形心 （3-15） == 錐體形心在距其表面的處 所以有 又 則扭矩 功率 4 風力攪拌機主要結(jié)構(gòu)設計確定 4.1風輪的設計 4.1.1 風輪葉片 通過實驗人們發(fā)現(xiàn)，當沖角一定時，Y值的大小主要取決于薄板的斷面形狀、表面光滑度和其在氣流中的位置。 圖4.1 薄板受力 上圖示出當沖角相同時，在三種不同斷面形狀薄板上產(chǎn)生的升阻力情況。顯然，流線型斷面薄板的升力比平板的升力要大的多。由于飛機機翼也是利用上訴原理設計的，所以一般把確定其斷面型式的一組通過大量實驗得出得數(shù)據(jù)稱為翼型，如常用的美國NACA系列翼型和蘇聯(lián)?cцepo翼型。風力機葉片設計目前還沒有專用翼型，通常是借用飛機翼型數(shù)據(jù)。另外，每一葉片從根部到尖端需要有一定的扭曲度，使各個葉片都可以在最佳條件下運行。 所以本風力機的葉片選擇NACA翼型。葉片形狀如下圖所示。 圖4.2 NACA翼型 圖4.3 螺旋槳實圖 4.1.2 機頭 它是風輪、增速箱、尾翼等上部結(jié)構(gòu)的支撐裝置，機頭整體通過回轉(zhuǎn)體可以作3600旋轉(zhuǎn)。 4.1.3尾翼 由于自然界產(chǎn)生的風的速度和方向隨時都在變化，應使風力機風輪經(jīng)常對準風向。除了下風式風力機外，一般風力機都是利用尾翼來控制風輪的迎風方向。尾翼通常采用鍍鋅鋼板，一般都設置在風輪的尾端，這樣可以減少風輪尾流對它的影響。 4.1.4 塔架 塔架是整個風力機的支撐裝置。為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，便于搬遷，采用以角鋼為構(gòu)件組成的珩架式結(jié)構(gòu)件為塔架。 4.2 傳動裝置的設計 該風力攪拌機的傳動部分分為兩部分: 4.2.1 風力機部分 風輪的傳動見圖如下所示： 圖4.4 風輪的傳動圖 從圖中可以看出,風輪迎風后,風輪轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生扭矩,先增速,在通過錐齒輪變向、調(diào)速,再增速,將動力傳遞給攪拌機,達到傳動、變向、變速的問題。 4.2.2 攪拌機的傳動部分 為了提高傳動效率,所以風力機傳動部分采用增速裝置,但是由于攪拌筒的轉(zhuǎn)速要求很低,所以需要減速裝置,故在攪拌機的變速箱采用減速設置,如下所示: 圖4.5 攪拌機的傳動圖 4.3 攪拌機的設計 4.3.1 攪拌筒的設計 左圖是攪拌筒葉片的示意圖,當物料進入 攪拌筒,攪拌葉片將將其提起、落下,并 迫使物料軸向竄動,另有螺旋葉片翻轉(zhuǎn)出 料。 4.3.2 手柄的設計 在圖中有兩處用到手柄,均為控制離合器。把操縱桿打到上升位置,離合器合上,兩處表現(xiàn)分別為：風力攪拌機開始工作；鋼絲繩開支卷動,吊輪拉動料斗進料,進料完成后,離合器將自動脫開,手柄還原?？刂撇倏v桿,風力攪拌機停止工作；料斗靠本身的自重下落,落地時將操縱桿打到停止的位置。 5 主要零部件的設計計算 5.1 軸的剛度驗算 1.軸的彎曲變形的條件和允許值 各類軸的撓度和裝齒輪軸承處的傾角應小于彎曲剛度的許用值即y≤[Y]；q≤[q],理論上要求滿足[Y]＝(0.01~0.03)mn(其中mn指齒輪的模數(shù))，mn=4 ， [Y]=0.12 ； 在變形部位裝軸承處[q]＝0.0025，裝齒輪處[q]＝0.001 1.軸的彎曲變形計算 計算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的撓度及傾角時，一般常將軸簡化為集中載荷下的簡支梁，然后參照機械工程手冊中有關公式進行計算。 當軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看作是等徑軸，取第三根軸為研究對象，受力分析如圖所示： a=100mm, b=172mm, c=128mm，l=400mm 在B處Q x=2Mn/d, Mn=97400N h/nj, Q x=2×97400×4.27×0.9÷80÷120＝78N Q Y=1/2 Q x=39 N 在C處P x=2Mn’/d, Mn’=97400hN h/nj, P x=2×97400×4.27×0.98×0.9÷72÷120＝85N P Y=1/2P x=42.5N E=2.1×10MPa （1）當Q單獨作用時， 在B點處有： yx= Q x·(b+c)·a·[l-( b+c)-a]/6E·I·L =78×300×100×（400－300－100）/(6×2.1×10×12.56×10 ×400) ＝0.022mm yy=1/2yx=0.011mm 在C點處有： yx=Q x·a·c·[l-c-a]/6E·I·L =78×100×128×（400－128－100）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝0.02mm yy=1/2yx=0.01mm 在A點軸承處有： qx=－Q x·(b+c)·[l-( b+c)-3x]/6E·I·L =－78×300×（400－300－3×0）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.000258（rad） qy=1/2qx=－0.000129（rad） 在B點處有： qx= Q x·(b+c)·[l-( b+c)-3x]/6E·I·L ＝Q x·(b+c)·[l-( b+c)-3a]/6E·I·L =78×300×（400－300－3×100）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝0.000148（rad） qy=1/2qx=0.000074（rad） 在C點處有： qx= Q x·a[l-a-3c]/6E·I·L =78×100×（400－100－3×128）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝0.00012（rad） qy=1/2qx=0.00006（rad） 在D點處有： qx= －Q x·a[l-a]/6E·I·L =－78×100×（400－100）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.000184（rad） qy=1/2qx=-0.000092（rad） （2）當P單獨作用時： 在B點處有， yx= －P x·c·a·[l-c-a]/6E·I·L =－85×128×100×（400－128－100）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.022mm yy=1/2yx=－0.011mm 在C點處有： yx= －P x·(a+b)·c·[l-c-(a+b)]/6E·I·L =－85×272×128×（400－128－272）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.0326mm yy=1/2yx=－0.0163mm 在A點軸承處有： qx=P x·c·[l-c-3x]/6E·I·L =85×128×（400－128－3×0）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝0.000246（rad） qy=1/2qx=0.000123（rad） 在B點處有： qx=－P x·c·[l-c-3a]/6E·I·L =－85×128×（400－128－3×100）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.000126（rad） qy=1/2qx=－0.000063（rad） 在C點處有： qx=－P x·(a+b)·[l-(a+b)-3c]/6E·I·L =－85×272×（400－272－3×128）/(6×2.1×10×12.56×10×400) ＝－0.000134（rad） qy=1/2qx=－0.000067（rad） 在D點處有： qx=P x·(a+b) [l-(a+b)-0]/6E·I·L =85×272×（400－272）/(6×2.1×10×12.56×10×400)＝0.000314（rad） qy=1/2qx=0.000157（rad） 現(xiàn)將所求得的值列表如下： 表5.1撓度傾角計算表 撓度y（mm） 坐標方向 由作用在B點的力產(chǎn)生的撓度 由作用才C點的力產(chǎn)生的撓度 疊加后的撓度 合成后的撓度 計算值 允許值 Q1 X 0.022 -0.022 0 0 0.12 Y 0.011 -0.011 0 P1 X 0.02 -0.0326 -0.0126 0.014 0.12 Y 0.01 -0.0163 -0.0063 傾角q（rad） 坐標方向 由作用在B點的力產(chǎn)生的傾角 由作用才C點的力產(chǎn)生的傾角 疊加后的傾角 合成后的傾角 計算值 允許值 Q2 X 0.000148 0.00012 0.000268 0.0003 0.001 Y 0.000074 0.00006 0.000134 P2 X -0.000126 -0.000134 -0.00026 0.00036 0.001 Y -0.000063 -0.00067 -0.00013 續(xù)表5.1撓度傾角計算表 傾角q（rad） 坐標方向 由作用在A點的力產(chǎn)生的傾角 由作用才D點的力產(chǎn)生的傾角 疊加后的傾角 合成后的傾角 計算值 允許值 Q3 X -0.000258 -0.000184 -0.000442 0.0006 0.0025 Y -0.000129 -0.000092 -0.000221 P3 X 0.000246 0.000314 0.00056 0.00076 0.0025 Y 0.000123 0.000157 0.00005 由此得知，該軸滿足要求。 5.2軸承壽命計算 由軸承壽命計算公式可知：Lh=·其中深溝球軸承e＝3，n=720rpm且該軸承主要承受徑向力Fa=0 ； P=fP·（x·Fr+Y·Fa） 因為載荷系數(shù)fP在受中等沖擊或中等慣性力時取值范圍fP=1.2～1.8，本設計中取fP=1.8 ； 因為Fa=0，查表知x＝1， Y＝0 所以P=1.8×（1×122.94＋0×0）=221.3 N 查設計手冊知對于61808C深溝球軸承C=33400 N 預選軸承壽命Lh’=100000h 所以有Lh=·＝·＝8.1×10 h 由此可知該軸承安全。 6 攪拌機的安裝和使用 6.1 攪拌機的安裝 6.1.1 安裝 攪拌機需安放在堅實、平整的場地位置。不同類型的JZ型攪拌機有不同的安裝方法,有的在支腿調(diào)節(jié)件有兩件前后可同時頂起，支腿每到一個孔距用插銷插好，再頂起另兩個支腿;帶一個安裝調(diào)整裝置，使用時在地盤標記“↑”位置頂起，并將調(diào)整裝置頂部的圓柱部分，插入底盤槽鋼孔內(nèi)，支腿每到一個孔距插銷插好，再將另一端頂起，且不得在一端頂起過高。有的四個支腿均裝有螺桿，螺母，可方便地進行調(diào)整。有的應打混凝土基礎。有的在整機安裝就位后，將上料架上軌道安裝好，并檢查或連上下限開關。 6.1.2 試運轉(zhuǎn)前的檢查的準備工作 (1)檢查變速箱潤滑油位和油質(zhì)，應及時補充和更換。 (2)在各潤滑點注潤滑油。 (3)檢查各個緊固件的緊固情況，擰緊松動件。 (4)檢查鋼絲繩是否緊排在卷筒上，若有松散混亂應重新繞好。 (5)接通水路前，應先須滿清水的容器，至于水泵附近，將水閥放入容器內(nèi)。 6.1.3 空載試運轉(zhuǎn) (1)開動風力攪拌機，檢查拌筒旋轉(zhuǎn)方向。 (2)使拌筒作正、反向旋轉(zhuǎn)，每兩分鐘一個循環(huán)，反復運轉(zhuǎn)15min，察看風力機，變速箱及拌筒個部件是否正常，應無異常噪聲及沖擊現(xiàn)象。 (3)操作進料斗升、降，檢查升降過程及上下限為是否可靠。 6.2 混凝土攪拌機的使用 6.2.1 每次使用前的檢查內(nèi)容 機器是否平穩(wěn)，支腿是否牢固；水泵供水否正常；拌筒及進料級構(gòu)空運轉(zhuǎn)是否正常。 6.2.2 操作注意事項 (1)每次加入拌筒攪拌的物料質(zhì)量不得超過允許值的10%。 (2)進料斗只能在拌筒出料完畢，恢復正轉(zhuǎn)后方能提升上料。 (3)進料斗正常條件下不得下放，出現(xiàn)特殊情況時下放時必須帶剎車且要緩慢下降。 (4)為減少料斗粘料現(xiàn)象，向料斗加料的順序應是：石子、水泥、砂或者是砂、水泥、石子。 (5)在上料過程中要及時加水，否則會導致攪拌時間過長以及塵土飛揚 (6)料斗升起后，嚴謹任何人在都下停留?？斩废路艖徛? (7)嚴禁非本機司機隨意操作手柄及按鈕。 (8)注意電器安全，防止電器元件、電線受潮及損傷。 (9)停電時，可利用曲柄搖桿搖動皮帶輪，應及時更換和修復。 6.2.3 使用后維護保養(yǎng) (1) 停機前，應放入適量石子和水，攪料3--5min，反轉(zhuǎn)放出，這樣反復數(shù)次清除半筒內(nèi)的積渣。 (2)清除整機積灰和粘附的混凝土， (3)寒冷季節(jié)應將供水系統(tǒng)內(nèi)的剩水排凈。 (4)檢查各潤滑點，酌情注油 6.2.4 拖行注意事項 (1)檢查行走系統(tǒng)的緊固件，應防止松動。并將其用鐵絲固定。 (2)施行速度不得超過20km/h.