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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◦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
w16000a
W4
w7.7
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w载质量(kg)/混凝土密度(kg/m3)X110%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(搅拌容积二载质量(kg)/混凝土密度(kg/m3))应满足如下要求:
Vd/Vj>0.515
V V――设计额定搅拌容积即装载容积(m3) V――混凝土搅拌运输车搅动容量(m3) V――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3.5m'。 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a的取值选为13.5°。 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''arctan(0.14)8 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: 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,「3为前锥与封头结合部位圭寸头的半径。 r1=r-L1xtana12-3 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ai取值范围为14.2。 〜18.10,前锥角a2取值范围为15°〜220 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, a1值为仃0,a2值为21°,根据2-3、2-4公式计算-半径为530mmr3半径为700mm。 后锥角a[=仃°,前锥角a2=21°,由L1、L3、r、r1、r2、r3、 a、a0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V=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=1.04m3 根据上述第一部分确定的搅拌容积3.5m可以得出中筒部分有效装 载容积应该为: 3 V2=V-V1-V3=1.46m L2 图2.4中筒段的有效容积示意图 圆柱截段计算公式 询之妁。 fr3(cota0*l2-l)+arccos(1-cotClo*Ls)+③“加哝吐出*(匚曲吮乜)£C^taT^TTcotao 3V 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: V=nL3(r2+r32+r*r3)/3+nL1(r2+r12+r*r1)/3+nr2L2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: V=7.45m3。 校核HH5142GBJ型混凝土搅拌运输车搅拌筒的填充率为: >51.5% VVj=3.5*1.1/7.45*100%=51.67%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 搅拌桶最咼转速 nj R/min 14 发动机最咼转速 nm R/min 2500 发动机额疋转速 ne R/min 1900 混凝土密度 pi 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; 搅拌简軀动独題N. 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 321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((Tj+1)(3-2) 式中,Tj----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(tj+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((Tj+1)(3-5) 式中Tj~搅拌筒超载量; 将式(3-5)代入(3-4),得到式: Mj=2212+4269V(Tj+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=2nXnjMj/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。 搅拌筒 转速 111 舷机艇机 褴由泵 11 厂~1 压力](排量 Ra转速 1扌幢 J1 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nm为: nm=nji(3-8) 计算得到nm=14*103=1442r/min。 马达最大输出扭矩Mm二Mj/I(3-9) 计算得到Mm=18647.65/103=181.05N.M。 则马达计算排量Vm=2nMm/(△P*nmm)(3-10) 式中nmm---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=2nMm/(Vm*nmm)(3-11) 计算得到厶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/npv(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/nv(3-14) 式中nv---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/2nnpm(3-15) 式中npm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, 则设计方案中: 满载时P=9.96*9.8=97.61KN,a=13.5°b仁910.5mmb2=2124.5mm F3=P/(1+b2b1)cosa(3-16) 计算F3=30.25KN F1=P-F3cos(a)=97.61-30.25*cos13.5.°=68.03KN(3-17)F2=F3sin(a)=30.25*sin13.5°=12.35KN(3-18) Frad=F1sin(a)+F2cos(a)=Psin(a)=97.61*sin13.5°=39.85KNV75KN(3-19) Fax=F1cos(a)-F2sin(a)=Pcos(a)-F3=97.61*cos13.5°-30.25=20.38KNV24KN。 (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Mb。 为: Mbo=Mp/neo(3-21)式中neo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: 式中np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/neo(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。
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