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混凝土攪拌運輸車
設(shè)
計
計
算
書
湖北匯合專用汽車有限公司
二〇一四年五月二十日
混凝土攪拌運輸車設(shè)計計算書
一.上車的設(shè)計計算。
1. 攪拌筒幾何容積的確定
根據(jù)中機函[2015]7號文件《關(guān)于規(guī)范混凝土攪拌運輸車《公告》管理要求的通知》中第1條1、2、3款要求:
1) 混凝土攪拌運輸車應(yīng)符合下表規(guī)定:
車型
最大總質(zhì)量(kg)
攪拌筒攪動容量(m3)
攪拌筒幾何容量(m3)
二軸混凝土攪拌運輸車
≤16000a
≤4
≤7.7
2) 混凝土攪拌運輸車的攪拌筒
2、填充率應(yīng)不小于51.5% (填充率定義:攪拌筒攪動容量與幾何容量之比,用百分比表示)。
3) 混凝土攪拌運輸車的攪動容量應(yīng)符合下式要求:
攪動容量≤載質(zhì)量(kg)/ 混凝土密度(kg/m3)×110%
注:混凝土密度采用GB/T 26408-2011《混凝土攪拌運輸車推薦的2400kg/m3。
根據(jù)上述要求:HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車攪拌筒幾何容積攪拌容積(攪拌容積=載質(zhì)量(kg)/ 混凝土密度(kg/m3))應(yīng)滿足如下要求:
Vd/ Vj ≥0.515
V≤Vd/1.1=3.6 m3
V——設(shè)計額定攪拌容積即裝載容積(m3)
Vd——混凝土攪拌運輸車攪動容量(m3)
3、
Vj ——攪拌筒幾何容積(m3)
HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車的攪拌容積選定為3.5 m3。
2.攪拌筒設(shè)計尺寸的計算
根據(jù)上述第一部分對HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車攪拌容積與攪拌筒幾何容積的確認(rèn),先對攪拌筒的設(shè)計尺寸進(jìn)行計算并進(jìn)行校核。
根據(jù)中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T5094-1997《混凝土攪拌運輸車》,攪拌筒的斜置角α的取值選為13.5o。
由于運輸車必須保證在坡度為14%的路面上行駛且出料口面對下坡方向時不產(chǎn)生外溢,故在計算攪拌罐的額定裝載容量時取混凝土與攪拌軸線的夾角
圖2.1攪拌罐體圖
攪拌筒目前一般采用梨形,底部(稱為前錐
4、)是較短的錐形,中部是圓柱形,上部(后錐)是較長的錐形,研究發(fā)現(xiàn):攪拌筒中下部的外形接近球體形狀為最佳,這時,不僅攪拌效果好,攪拌效率高,而且也因攪拌筒重心適當(dāng)前移,對合理分配運載底盤前后橋負(fù)荷,提高攪拌輸送車的裝載能力是有利的。因此,設(shè)計時,后錐加上前錐上封頭的長度基本等于中圓的半徑。具體參見圖2.1所示:
設(shè)前錐長為,中圓柱長為,后錐長為,中圓半徑r,則根據(jù)交通法規(guī)的要求攪拌筒的最大半徑,,取r為1.0m
2-1
2-2
根據(jù)《混凝土機械攪拌輸送車型式和基本參數(shù)》試行標(biāo)準(zhǔn)中要
5、求:c1取值范圍為1.4~1.8,c2取值范圍為0.7~0.97,結(jié)合我司制作前后錐的下料工藝,選取下料鋼板利用率最大時數(shù)值,取c1值為1.55,c2值為0.77,根據(jù)2-1、2-2公式計算L1長度為1550mm,L2長度為770mm。
圖2.1中r1為后錐后段安裝進(jìn)料口位置的半徑,r2為進(jìn)料口半徑,取值范圍250-310mm,選取為275mm,r3為前錐與封頭結(jié)合部位封頭的半徑。
r1=r- L1xtanα1 2-3
r3=r- L3xtanα2 2-4
6、根據(jù)《混凝土機械攪拌輸送車型式和基本參數(shù)》試行標(biāo)準(zhǔn)中要求后錐角α1取值范圍為14.2o~18.1o,前錐角α2取值范圍為15o~22o,結(jié)合我司制作前后錐的下料工藝,選取下料鋼板利用率最大時數(shù)值,
α1值為17o,α2值為21o,根據(jù)2-3、2-4公式計算r1半徑為530mm,r3半徑為700mm。
后錐角α1=17o ,前錐角α2=21o,由L1、L3、r、r1、r2、r3、α、α0等數(shù)據(jù),利用AUTOCAD和Pro/E軟件,作出攪拌筒各部分有效容積真實大小的三維實體模型,這樣就能測出其體積。
圖2.2后錐段的有效容積
由圖2.2測量可得攪拌筒后錐段的有效容積:V1 =1.0m
7、
圖2.3前錐段的有效容積
由圖2.3測量可得攪拌筒前錐段的有效容積:V3 =1.04m
根據(jù)上述第一部分確定的攪拌容積3.5m3可以得出中筒部分有效裝載容積應(yīng)該為:V2=V- V1- V3=1.46 m
圖2.4中筒段的有效容積示意圖
圓柱截段計算公式
由V2計算出L2長度為875mm。
綜上可以計算出攪拌筒的各部位尺寸如所示:
L1=1550mm,L2=875mm,L2=770mm,r=1000 mm,
r1=530mm,r2=275mm,r3=700mm,詳細(xì)尺寸見圖1.5攪拌筒
各部位尺寸尺寸示意圖:
圖2.5攪拌筒各部位尺寸尺寸示意圖
8、
攪拌筒幾何容積計算校核:
攪拌筒幾何容積計算公式:
Vj= πL3(r2+ r32+ r* r3)/3+πL1(r2+ r12+ r* r1)/3+πr2L2
代入以上數(shù)據(jù),得出HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車攪拌筒的幾何容積為:Vj=7.45 m。
校核HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車攪拌筒的填充率為:
Vd/ Vj=3.5*1.1/7.45*100%=51.67%>51.5%。
結(jié)論:綜上所述,HH5142GBJ型混凝土攪拌運輸車攪拌筒的設(shè)計符合國標(biāo)要求。
3.傳動系統(tǒng)的計算選擇
3.1設(shè)計輸入?yún)?shù)
根據(jù)客戶意見或產(chǎn)品改進(jìn)計劃提出產(chǎn)品的性能要求HH5142
9、GBJ型混凝土攪拌運輸車驅(qū)動系統(tǒng)需要滿足下表所示設(shè)計輸入?yún)?shù)要求。
表3.1 3.5方攪拌車驅(qū)動系統(tǒng)輸入?yún)?shù)
參數(shù)名稱
參數(shù)符號
單位
數(shù)值
備注
攪拌裝載方量
V
m3
3.5
攪拌桶最高轉(zhuǎn)速
ηj
R/min
14
發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速
ηm
R/min
2500
發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速
ηe
R/min
1900
混凝土密度
ρi
Kg/m3
2.45*103
3.2攪拌車工作狀況
如圖3.1所示:
0~1階段:攪拌筒加料工況;
1~2階段:攪拌筒運料工況;
2~3階段:攪拌筒卸料工況;
3~4階段:攪拌筒空筒返回工
10、況;
圖3.1 攪拌筒工況載荷曲線
由圖可見,攪拌筒在卸料初始階段,攪拌筒所需驅(qū)動扭矩最大,攪拌筒液壓系統(tǒng)設(shè)計時以滿足此階段超載時所需的驅(qū)動力來設(shè)計。
3.2參數(shù)計算
3.2.1最大阻力矩的確定
在超載且攪拌筒處于最高轉(zhuǎn)速的工況時,攪拌筒所受的阻力矩為最大阻力矩,目前工程計算阻力矩Mj主要有兩種方法:
(1) 經(jīng)驗公式
Mjs=2764.64+5336.36V (3-1)
式中V---攪拌筒混凝土裝載方量。
Vj=V(σj+1) (3-2)
式中
11、,σj----攪拌筒超載量,取10%;
將式中(2-2)代入式(2-1),得到式:
Mjs=2764.64+5336.36V(σj+1) (3-3)
此公式來源《混凝土攪拌輸送車攪拌筒驅(qū)動阻力矩和驅(qū)動功率的計算》,公式推導(dǎo)數(shù)據(jù)來源陜西中大機械集團(tuán)有限責(zé)任公司所提供實驗數(shù)據(jù),計算得到值為為穩(wěn)定狀態(tài)的1.2~1.4倍,并已考慮長時間行駛后(混凝土沉淀)攪拌筒啟動時的峰值?,F(xiàn)以Ks=0.8的系數(shù)對公式(3-3)進(jìn)行修正,得式(3-4):
Mj=KsMjs=2212+4269Vj (3-4)
式中Vj---攪拌筒超載
12、混凝土裝載方量。
Vj=V(σj+1) (3-5)
式中σj--攪拌筒超載量;
將式(3-5)代入(3-4),得到式:
Mj=2212+4269V(σj+1) (3-6)
將V=3.5帶入式(3-6),計算得到Mj=18647.65N.M。
3.2.2攪拌筒最大驅(qū)動功率的確定
最高轉(zhuǎn)速超載工況攪拌功率:
Pjm=2πXηjMj/60/1000 (3-7)
計算得到Pjm=27.33KW
3.3設(shè)計選型
設(shè)計思路:如圖3.2所示,攪拌筒必須滿足扭矩和轉(zhuǎn)速要求。其
13、中液壓馬達(dá)輸出扭矩并經(jīng)減速機放大滿足攪拌筒輸出扭矩要求;液壓油泵輸出流量驅(qū)動減速機,經(jīng)減速機滿足攪拌筒輸出轉(zhuǎn)速要求,其中減速機起轉(zhuǎn)速、扭矩傳遞作用。液壓馬達(dá)輸出扭矩的關(guān)鍵參數(shù)為壓力和排量;而液壓油泵輸出的關(guān)鍵參數(shù)為輸入轉(zhuǎn)速和排量。液壓馬達(dá)參數(shù)設(shè)計時,先預(yù)取發(fā)動機PTO口最大穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,然后計算液壓油泵最大排量,選型后驗證發(fā)動機PTO口最大穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。
圖3.2 設(shè)計思路
3.3.1減速機的選取
選擇減速機型號HL4F-B/P2300,i=103,最大扭矩2400N.M。滿足攪拌筒扭矩傳遞要求。
3.3.2液壓馬達(dá)的選取
初選系統(tǒng)最大工作壓力差△Pm=30MP。
馬
14、達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)速ηm為:
ηm=ηji (3-8)
計算得到ηm=14*103=1442r/min。
馬達(dá)最大輸出扭矩Mm=Mj/I (3-9)
計算得到Mm=18647.65/103=181.05N.M。
則馬達(dá)計算排量Vm=2πMm/(△P*ηmm) (3-10)
式中ηmm---液壓馬達(dá)機械效率,取值0.95。
計算得到Vm=6.28*181.05/(30*0.95)=39.89ml/r。
選擇海特克馬達(dá)HAA2FM45,排量為Vm=45ml/r,最高工作轉(zhuǎn)速3
15、200r/min,40MPa壓差作用下輸出扭矩258N.M。
海特克馬達(dá)HAA2FM45馬達(dá)最大工作壓力△Pm校核:
△Pm=2πMm/(Vm*ηmm) (3-11)
計算得到△Pm=6.28*181.05/(45*0.95)=26.59Pa。
查液壓馬達(dá)HAA2FM45樣本手冊,額度輸出扭矩為258N.m。所選用液壓馬達(dá)能滿足減速機驅(qū)動力設(shè)計要求。
3.3.3液壓泵的選取
選擇海特克油泵HP2VC45HW,確定,液壓泵的最大工作壓力差
△Pp≥△Pm+dp (3-12)
其中△
16、Pm為液壓馬達(dá)的最大工作壓力差,為30MPa,dp為油泵與馬達(dá)之間的壓力損失,取0.5MPa。計算的到△Pp≥30.5MPa。
液壓泵的流量按液壓馬達(dá)的最大輸入流量和泄露量來確定,液壓泵的最大流量Qp為:
Qp>Qm/ηpv (3-13)
計算得到Qm=1442*45/(1000*0.95)=68.31L/min。
代入式(3-13)中得到 Qp>68.31 L/min /0.95=71.91 L/min。
從而可得到油泵排量Vp>Qp/ηv (3-14)
式中 ηv---
17、為發(fā)動機在液壓系統(tǒng)最大載荷時的最高穩(wěn)定速度,查發(fā)動機萬有特性曲線,取值2100r/min,此轉(zhuǎn)速發(fā)動機最大扭矩1090N.M。計算得到>71.91 L/min *1000 ml / L /2100 r/min>34.24ml/r。
選擇海特克HP2VC45HW變量柱塞泵,高壓溢流閥設(shè)定壓力40MPa,最高工作轉(zhuǎn)速3600r/min,排量Vp=45ml/r。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2100r/min時,油泵流量滿足攪拌筒14r/min的最高轉(zhuǎn)速需求。
力士樂變量柱塞泵最大輸入扭矩為:
Mp=Vp△Pp/2πηpm (3-15)
式中ηpm為柱塞泵機械效
18、率,取值0.92。
計算得到Mp=45*30.5(2*3.14*0.92)=237.56N.m。
3.4 校核驗算
3.4.1減速機輸出軸校核
出于主軸軸承最大承壓能力限制,由PMP減速機樣本可以得到:HL4F-B/P2300減速機徑向最大承受載荷為:Frad=75KN,
HL4F-B/P2300減速機軸向最大承受載荷為:Fax=24KN,
根據(jù)3.5m3攪拌車的設(shè)計,攪拌筒加混凝土總重為9.96噸,則設(shè)計方案中:
滿載時P=9.96*9.8=97.61KN,α=13.5°b1=910.5mm b2=2124.5mm
F3=P/(1+b2/b1)cosα
19、 (3-16)
計算F3=30.25 KN
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<
20、24KN。 (3-20)
通過校核得知,HL4F-B/P2300減速機滿足攪拌筒工況設(shè)計要求。
3.4.2 發(fā)動機PTO輸出驗算
當(dāng)負(fù)載力矩大小相同時,液壓系統(tǒng)馬達(dá)排量小則系統(tǒng)壓力大,對發(fā)動機輸出扭矩的要求也大,以下將驗算發(fā)動機PTO口輸出扭矩要求。
發(fā)動機PTO口最大輸出扭矩MBO為:
MBO= Mp /ηeo (3-21)
式中ηeo為傳動軸機械效率,取值0.92;
計算得到MBO =526.35/0.92=572.11N.M。
發(fā)動機在PTO最大扭矩為572.
21、11N.M時,能穩(wěn)定輸出2100r/min的轉(zhuǎn)速。
發(fā)動機PTO輸出功率驗算:
最大負(fù)載時,液壓泵輸入功率Ppi為:
Ppi=VplηV△ pp1 /60ηp (3-22)
式中ηp為液壓泵總效率,取值0.9
計算得到Ppi=45*0.95*2100*30/(60*0.9)=49.88KW。
最大負(fù)載時,要求發(fā)動機輸入功率Pei為:
Pei=Ppi/ηeo (3-23)
計算的到Pei=49.88/0.92=54.21KW。
玉柴130匹馬力發(fā)動機額定功率94.89KW,能滿足攪拌筒旋轉(zhuǎn)最大功率需求。
3.5 總結(jié)
通過對攪拌筒負(fù)載分析計算,得到超載攪拌筒最高轉(zhuǎn)速時,3.4方攪拌車攪拌筒阻力矩為18647.65N.M。設(shè)計選型HL4F-B/P2300減速機,其設(shè)計最大輸出扭矩24000NM,能滿足系統(tǒng)扭矩傳遞要求,通過計算校核,得到減速機輸出軸滿足攪拌筒滿載時軸向、徑向載荷要求。
設(shè)計選型海特克油泵HP2VC45HW、海特克馬達(dá)HAA2FM45,其最大輸出扭矩分別為237.56和258NM,能滿足最大負(fù)載扭矩181.05NM的驅(qū)動能力要求。
專心---專注---專業(yè)