11 关于振动搅拌混凝土运输车的研究综述.docx
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11关于振动搅拌混凝土运输车的研究综述
东北大学
研究生考试试卷
考试科目:
机械振动理论基础及其应用
课程编号:
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考试日期:
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学号:
注意事项
1.考前研究生将上述项目填写清楚
2.字迹要清楚,保持卷面清洁
3.交卷时请将本试卷和题签一起上交
东北大学研究生院
关于振动搅拌混凝土运输车的研究综述
摘要:
目前国内的混凝土搅拌车是通过取力装置将汽车底盘发动机的动力取出并作为液压泵的动力输入,按“变量液压泵→定量马达→减速机→搅拌筒”的路径驱动搅拌筒,以完成混凝土的搅拌与出料。
结合混凝土搅拌车使用过程中出现的混凝土粘罐现象,假定在原有的基础上在搅拌桶底部安装一定数量的弹簧,利用振动和搅拌结合的方式从而提高混凝土搅拌车的搅拌质量。
关键词:
振动搅拌,动力学分析,动力学模型
Abstract:
Atpresent,theconcretemixertruckpowertakeoffdevicetoremovethecarchassis,enginepowerandasthepowerinputofthehydraulicpumpdrivereducer→mixingtube"path"variablehydraulicpump→Quantitativemotor→mixingtubetoconcretemixinganddischarge.Combinationoftheconcretemixerconcretestickycansintheprocess,assumedonthebasisoftheoriginalinthebottomofthemixingdrumtoinstallacertainnumberofsprings,theuseofvibrationandmixingthecombinationtoimprovethemixingqualityoftheconcretemixer.
Keywords:
vibrationstirring,dynamicanalysis,dynamicmodel
1绪论
学习了张义民教授讲述《机械振动》课程,张教授列举了大量关于机械振动原理的实例。
例如:
美国的塔科马海峡大桥在1940年因强风引起的桥身共振而坍塌;一位科学家在建筑物上安装激振器使得整幢大楼摇摇欲毁。
这些都是共振引起的破坏的例子,但是生活中也有很多利用共振的例子,再加上导师给我们开会讨论振动方面的问题,考虑混凝土搅拌车可以利用振动和搅拌结合的方式从而提高搅拌质量。
混凝土在搅拌过程中,其结构、状态、性能都在不断变化中。
长久以来,人们对这一复杂的过程很难有准确的描述,以至于有许多问题需要我们去探索研究。
现在我们对混凝土的均匀度仅限于传统意义上的概念,从分析一些有关混凝土的流变特性实验研究和理论可以知道,要想得到质量高的物料,必须将物料的循环运动和扩散运动完美的配合才能达到这一效果。
本文主要讨论利用路面不平而引起的振动所产生的激振力施加给搅拌筒,使车辆在搅拌的过程中又加以振动效果,使之在搅拌方面更均匀,更节约成本。
2混凝土搅拌车的基本组成及其工作原理
混凝土搅拌车是一种在运输过程中,或在施工场地上,不断地对所装运的混凝土进行慢慢搅拌的专用汽车,所以又称混凝土搅拌运输车[1]。
现代筑路和大型建筑工程中,为了保证混凝土的质量,提高工作效率,减少环境污染,常设有专门的混凝土搅拌厂(站),利用厂内的混凝土搅拌楼等专用设备生产混凝土,然后用自卸汽车送往施工场地,直接浇注。
但是,如果混凝土的运输距离和运输时间稍长,水泥将会沉淀而与水分离,破坏混凝土的均匀性;同时,沉积在车厢底部的水泥很难卸掉,既增加了货损,又减少了自卸汽车的实际装运量。
而混凝土搅拌车就克服了用一般自卸汽车运输混凝土的这一缺点,保证了混凝土的浇注质量。
2.1混凝土搅拌输送车基本组成
(1)取力装置
国产混凝土搅拌运输车采用主车发动机取力方式。
取力装置的作用是通过操纵取力开关将发动机动力取出,经液压系统驱动搅拌筒,搅抖筒在进料和运输过程中正向旋转,以利于进料和对混凝土进行搅拌,在出料时反向旋转,在工作终结后切断与发动机的动力联接。
(2)液压系统
将经取力器取出的发动机动力,转化为液压能(排量和压力),再经马达输出为机械能(转速和扭矩),为搅拌筒转动提供动力。
(3)减速机
将液压系统中马达输出的转速减速后,传给搅拌筒。
(4)操纵机构
a.控制搅拌筒旋转方向,使之在进料和运输过程中正向旋转,出料时反向旋转。
b.控制搅拌筒的转速。
(5)搅拌装置
它主要由搅拌筒及其辅助支撑部件组成。
搅拌筒是混凝土的装载容器,它是由优质耐磨薄钢板制成,为了能够自动装、卸混凝土,其内壁焊有特殊形状的螺旋叶片。
转动时混凝土沿叶片的螺旋方向运动,在不断的提升和翻动过程中受到混合和搅拌。
叶片是搅拌装置中的主要部件,损坏或严重磨损会导致混凝土搅拌不均匀。
另外,叶片的角度如果设计不合理,还会使混凝土出现离析。
(6)清洗系统
清洗系统的主要作用是清洗搅拌筒,有时也用于运输途中进行干料搅拌。
清洗系统还对液压系统起冷却作用。
2.2带有振动的搅拌筒工作原理
从搅拌筒的内部结构可知,搅拌输送车的双螺旋叶片是焊接在搅拌筒内部的,伴随着搅拌筒一起做回转运动,从而实现混凝土的搅拌和出料功能,搅拌筒的构造,特别是双螺旋线叶片的参数设置极大影响着搅拌和出料的性能[6]。
过搅拌筒轴线做一剖面图(如图1)可以看到,图中(a)、(b)分别是搅拌筒剖开的两个部分,图中的斜线表示螺旋叶片,
为螺旋升角,
为搅拌筒轴线与底盘平面夹角[8]。
工作时,搅拌筒绕其轴线旋转,筒壁和叶片对混凝土的摩擦力同时混凝土内在的粘着力而随着筒壁沿圆周转动起来,当混凝土达到一定高度后,因受重力作用使其克服上述摩擦力而向下翻跌和滑移。
由于搅拌筒连续的运动,混凝土在搅拌筒内形成一个不断的被提升然后不断的向下滑跌的循环过程,同时在筒壁和叶片的螺旋轨道的引导下,产生沿搅拌筒的切向和轴向复合运动,这样螺旋叶片把混凝土料一直向搅拌筒前端推送。
如果搅拌筒按图1(a)所示方向的“正向”转动,叶片会持续的将混凝土推送到搅拌筒的前端,当混凝土到达筒底时会受到搅拌筒的端壁顶推而滑落下来,这会促使混凝土沿轴向方向的翻滚运动,螺旋叶片对混凝土的这种强制推移翻转,属于半强制式搅拌。
若混凝土按图1(b)所示作“反向”转动,叶片的螺旋运动也相反,混凝土会随着螺旋叶片的导向向搅拌筒口方向运动动,直到混凝土从出料口卸出。
(a)正转
(b)反转
图1带有振动的搅拌筒工作原理图
从上述分析可以看出,螺旋叶片在搅拌筒带动下,产生的螺旋运动使混凝土既有“切向”运动又有“轴向”运动的复合运动,从而实现搅拌筒的搅拌和卸料的功能。
3振动混凝土搅拌车的动力学分析
3.1对搅拌车合理简化
机械振动系统在实际过程中通常是很复杂的,影响振动的因素也非常多。
对于混凝土搅拌车而言,它主要是由车体(架)、搅拌筒、弹性元件橡胶轮胎组成。
由很多研究已经证明,当钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧,还是空气弹簧等作为被动悬架的弹性元件时,在保证一定的精度下,可以把这个弹性元件简化为一个不计质量的线性弹簧;对于减振器,虽然在压缩行程的阻尼力小于在伸张行程的阻尼力,在建模时暂时认为压缩行程的阻尼与伸张行程的阻尼相等,因而可以简化为一个不计质量的线性阻尼元件;轮胎可以认为是一个质量弹簧系统。
对于车架,首先认为它是簧载质量的承担者,它是具有一定的扭转刚度与弯曲刚度的几何体。
因此,半挂车系统可看成一个质量—弹簧—阻尼系统。
3.2搅拌系统的动力学模型
传统上大型设备在运输前的装车,大都在设备底部放置枕木或垫铁,基本上可以认为只是考虑设备的稳定性和车辆行驶中的安全性,而很少考虑大型设备在运输途中的振动问题。
本文利用车辆在运行中的振动能量进行辅助搅拌混凝土。
为了研究问题的需要,对系统作以下假设:
1)牵引车与半挂车为刚性连接,将牵引车看作一副悬架(单车轴),半挂车的悬架部分也看作成一副悬架。
2)整车相对于纵垂面、横垂面完全对称(几何对称、质量分布对称),路面不平起伏过程是一个平稳周期性的过程。
3)悬架系统和轮胎的刚度看成是位移的线性函数。
4)将悬架系统和轮胎的质量都集中到车体上。
5)整车在不平路面上保持匀速直线行驶。
6)不考虑车体的角振动,车身质心在水平面内的振动忽略不计。
7)将设备和车体一同视为刚体。
将汽车视为彼此弹性相连的簧载质量(悬挂质量)与非簧载质量(非悬挂质量)所组成[13,14]。
建立混凝土搅拌运输车的振动模型。
图3.11/2车辆振动模型
车辆振动方程的建立及求解
对1/2车辆模型进行受力分析如图3.2所示
图3.21/2车辆模型受力分析图
3.3搅拌车的振动微分方程
1)系统弹簧的刚度的计算
根据受力分析图,建立系统的振动微分方程:
(3.1)
(3.2)
式中:
为装有混凝土的搅拌筒质量;
为后悬挂部分车架和轮胎的质量;
为支撑搅拌筒的弹簧刚度系数;
为汽车后悬架和轮胎的折合刚度系数;C2为支撑弹簧的阻尼系数;C1为汽车后悬架和轮胎阻尼系数;
为搅拌筒的垂直位移;
为车身的垂直位移;
为地面对车轮的激励[12,13]。
将代数式进行化简[13]:
,
,
,
,
用Fourier变换的方法求解式(3.1),式(3.2),其中Fourier变换的形式如下:
(3.3)
(3.4)
将式(3.1),式(3.2)进行适当地处理,然后关于时间
进行Fourier变换可得:
(3.5)
(3.6)
其中:
分别是
的Fourier变换解得:
,
其中:
(3.7)
(3.8)
(3.9)
由Fourier变换的微分性质可知搅拌筒的垂直振动速度为:
(3.10)
本文以某汽车为对象分析了车辆的振动水平,取1/4车辆模型计算,计算所需的有关参数如下:
kg,
N/mm,
Ns/mm
kg,
Ns/mm
由流体模拟得到
在
这个区间内搅拌效果最佳,对式(3.10)进行Fourier逆变换。
本文采用IFFT算法对其进行Fourier逆变换,得到了主振动弹簧的两个刚度值。
取一个中间值
N/mm。
文中,假设路面波形符合正弦函数
。
式中:
为正弦波型路面振幅;
其中:
为固有圆频率;
为正弦波路面波长(
,当
时为完全水平的理想路面);
为汽车行驶速度[13,14]。
本文为了简化了计算,分别计算在
m和
m时,车速为36km/h和72km/h下搅拌筒的振幅,从而对比振动搅拌效果,然后与普通搅拌进行对比分析。
表3.1几种路面不同车速下的振幅
波长(m)
车速(km/h)
振幅(mm)
3
36
150
3
72
75
6
36
300
6
72
150
2)系统弹簧的阻尼计算
阻尼振动是指振动系统受介质的粘滞阻力影响所产生的振动形式。
阻尼力的大小与速度大小成正比,与其方向相反,
(3.11)
式中,
为系统产生的阻尼力;
是阻尼系数;
把上面的阻尼力,加入到简谐振动的微分方程,得到阻尼振动的微分方程:
(3.12)
其中,
是振动系统的固有角频率,
(3.13)
是振动系统的刚度,
是振动系统的质量;
是振动系统的阻尼比,
(3.14)
阻尼较小时,
,方程的解为:
(3.15)
这种情况称为欠阻尼,阻力使周期增大;
阻尼较大时,
,方程的解为:
(3.16)
这种情况属于过阻尼,并无振动的发生;
若
,方程的解为:
(3.17)
这种情况属于临界阻尼,振动系统刚刚不能作准周期振动,而很快回到平衡位置。
因此,临界阻尼状态是机械运动系统有无周期性运动的临界点。
4总结和展望
介绍了大型设备的运输车辆,分析了设备在运输途中的振动产生原因。
对混凝土搅拌车进行了大胆的简化,合理的假设,从而建立了车载设备系统的动力学模型。
同时,计算搅拌车在不同路面条件下不同车速下的搅拌桶振幅。
混凝土搅拌车发展趋势是高附加价值化、智能化和系统化,比以往更加注重降低能耗,更加注重安全性、舒适性、维护和使用的经济性。
人们对生活质量要求越来越高,环境保护意识越来越强,那些高效、节能、低噪音、低污染、智能化的环保型设备也将受到人们的青睐。
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