混凝土搅拌车搅拌筒转速控制装置的改进

混凝土搅拌车在运送混凝土时，搅拌筒需要不停的转动，因此必须使用搅拌筒转速控制装置。

目前的搅拌筒转速控制装置有以下几个特点：第-，转速稳定。混凝土搅拌车在任何行驶工况下对搅拌筒的转速没有影响，其转速保持在调定范围内。

第二，功率消耗减少。减少搅拌筒功率消耗，有利于改善混凝土搅拌车的使用性能。与设有安装搅拌筒转速控制装置的混凝土搅拌车相比，其行驶功率高，而且燃料经济f 子，可节油10%左右。

第三，延长易损件的使用寿命。装有转速控制装置的搅拌筒，比安装前其总转数可减少30%左右；因此，搅拌简体、刮板及传动机构等寿命均有较大提高。

第四，搅拌质量可靠×拌筒的转速始终工作在选定的最佳范围内，混凝土不会发生搅拌不足或搅拌过度的现象，保证了混凝土的搅拌质量。

第五，减轻驾驶强度。在混凝土的运送过程中，搅拌筒的转速自动控制，可以减轻驾驶员的疲劳，有利于行车安全。

在实际运输过程中，搅拌筒的转速-般要受到发动机转速和汽车行驶条件的影响。混凝土搅拌车以匀速行驶时，发动机的转速-般能符合搅拌筒的需要。但在汽车起步或上坡时，发动机转速提高，液压泵即按比例增大供油量，搅拌筒的转速相应地提高，搅拌筒的磨损加快，功率消耗也增大，影响着混凝土搅拌车的行驶性能。当混凝土搅拌车制动停车时，发动机长时间以怠速运转，此时搅拌筒的转速远远低于正常值。本文针对以上几点进行改进，使搅拌筒转速控制装置的各项性能进-步提高。

-、 搅拌筒驱动力矩的计算机辅助计算计算搅拌筒驱动力矩，首先需要获得较准确的搅拌筒的搅拌容积与非承载条件下的重心位置。由于搅拌筒布置在货车底盘上，其轴线与昆凝土平面呈-夹角，这样-来使得搅拌筒的搅拌[基金项目]本文为湖北省人文社科重点研究基地--湖北技能型人才培养研究中心研究成果。

· 5·容积计算变得十分复杂，下面来具体分析这-几何问题。

将实际搅拌筒近似简化为-个三段式立体结构，如图1所示，搅拌筒两侧类似-个圆台，搅拌筒中段为-个圆柱体，圆柱体直径为搅拌筒最大直径处，设最大直径为D ，为简便起见，将三段尺寸参数化为主参数D 的函数lL1C1D2L1 C1D2D1 D2-L1tanc1D3 D2-L2tanc2式中，c 为常数，-般取 1.5-1.7；c：为常数，-般取为0.8～0.95； 。为圆台的宽度； ，为圆台的宽度；D。为圆台的小头半径；D。为圆台的小头半径；Or 为圆台的半锥角，取值为2O～25。； 为圆台的半锥角，取值为 l4-16。；Yo为进料I：1半径，取值范围为0.25～0.32m。

图1 三段式搅拌筒装结构计算简图下面来分析该三段式搅拌筒装载混凝土时的容积计算。

首先分析第-段圆台，从图中可以看出，混凝土静态容积从平面上看由两个关键的直线围成：第-条为圆台母线，第二条为混凝土上平面投影线▲行第-段圆台计算时，将坐标系原点定为圆台小端直径中点。在该坐标系中，点 A坐标为(0，- )，点B坐标为(-L1，- )。圆台母线的直线方程AB可以由两点式直接得出，为二 - 二 ! (1)，，2-yl 2- l代人A、B两点的坐标可以得到圆台母线 AB的直线方程为加 -由式(2)可以看出，圆台母线方程AB是变量的函数，同时可以理解为圆台任意截面的半径。

下面来计算混凝土上平面的投影线。混凝土上平面的投影线可以依据混凝土上平面与搅拌筒轴线的夹角 。和混凝土上平面的投影线在坐标 y轴上的截距 来确定，结合坐标轴方向可写为Yl-(tanco) -确定围成混凝土容积的两条关键直线后，下面应进行第-圆台沿 轴任-截面的混凝土面积的计算。由图2可知，混凝土面积为-弓形，但注意到由于第-圆台混凝土上平面的投影线与坐标轴有交点，这意味着在坐标 轴交点两侧的弓形面积分别小于和大于半圆面积，因此必须区别计算。

当弓形面积小于半圆时，弓形面积 (即图中阴影部分)等于对应扇形面积Js 减去三角形面积 s△，如图2所示。

// /图2(3) 三角形面积S 对应的圆心角为arccos㈡扇形面积为s，( )三角形面积为S△÷(2 lsinfl1)Y1将上三式代人式(3)，得Js2 arcos/Yhl/百R -2 (2，/ g 2 Yh， s· - - i -)，柚J当计算第-圆台混凝土上平面投影线与 Y轴交点左侧的混凝土容积时，此时弓形面积大于半圆，弓形面积Ss等于对应扇形面积 S，加上三角形面积S△，如图3所示。

图 35s2 s △三角形面积对应的圆心角为a s( )扇形面积为s ( 2三角形面积 为(4)S△：l(2R，sir81)y1设第-圆台混凝土上平面的投影线与 轴交点坐标为( ，O)，则第-圆台混凝土容积 为，0 -- ·dxJ S dx对于第二圆柱，计算相对简单，圆柱母线为R2： 02。 混凝土上平面的投影线利用直线的截距式”写出，但要将坐标原点移至这-段线段中点Yh2-(tanao) OD截距 01)由第-圆台混凝土上平面投影线得出，即 - 时，有OD L1tanao-Yo此时，弓形面积大于半圆，弓形面积 等于对应扇形面积S。加上三角形面积S ，计算方法为z J-对于第三圆台，同样需要计算两条关键的直线方程，将坐标系原点移至这-段线段中点，混凝土上平面的投影线利用直线的截距式”写出，为YJl3-(tanao) DEOE L2tana0第三圆台母线方程可由直线两点式得出，在该坐标系中点 的坐标为(。，- )，点N的坐标为(-L3，-利用 、Ⅳ两点坐标可以得到圆台母线 MN的直线方程为加 -S3S，5△， J-.s3dx混凝土搅拌容积由以上三部分容积组成，即 lt，2 I；3由上述理论分析可以看出，混凝土搅拌容积是-个关于的-元高次函数，计算量非常大，此时可借助 MATLAB的积分计算功能，大大简化计算过程，减小人工计算量。下面针对某型混凝土搅拌车进行实际仿真计算。某型混凝土搅拌筒几何参数见表1。

表 l 某型混凝土搅拌筒几何参数参数 数值常数c 1.7O/0 8。

进料口半径 0.28m第二圆柱长度 2.4m混凝土密度P 1760kg/m常数C 0.95第-圆台半锥角 。 15。

中间圆柱直径 D 2.15m第-圆台长度 Ll C1D2第三圆台长度 L3 C2D2搅拌筒转动阻力矩 4300N·m在利用 MATLAB进行积分计算时，可以调用int函数，其格式为int(表达式，变量，积分上限，积分下限)。

由于此函数为符号计算函数，必须先将积分变量定义为积分变量，即syms X，最后再使用符号数值转换函数double得到各段搅拌容积的数值。

运行程序可以得到三段式混凝土搅拌筒有效容积z，9.97m。

二、混凝土料重力及搅拌简驱动功率的计算机辅助计算以第-圆台为例，当任意截面均为弓形时，重心的位置为( ，Y)，其中 为该截面到坐标原点的距离，Y值为12d式中，d为载面处弓形的弦长；S 为截面处弓形的面积。

取 轴微元长度 为研究对象，则该长度为的微元质量体积对坐标原点的力矩为aM xSgdx对于长度为 的第-圆台整体来说有以下等效关系即 J.1 xS dx由于第-圆台混凝土截面积弓形有两种情况，故上式应具体分开写为X1vlfLlSgldx，xS，2dx即 1同理有y上 二 竺11( ，y1)为第-圆台重心G 的位置坐标，为第-圆台混凝土搅拌容积。

对于第二圆柱和第三圆台可以采用完全-样的方法进行处理。计算得到相应重心坐标 G( ， )、 ( ，y3)。

最后，在分别计算完三段容积的重心后，即可得到整个混凝土搅拌筒的重心坐标 G(X，Y)。

混凝土搅拌动力矩可以等效偏心阻力矩。与上面分析相似，在第-圆台上取 轴微元长度为研究对象，则该长度为 微元质量对 轴力矩可表示为v 1 2 2 t，3V1 秽2 V3y - 竺 ± ±1 2 3对于长度为 的第-圆台整体来说，偏心力矩为dM 9.8pSgdxH式中， 为任意截面的重心距 轴的距离。

Is 、 都是 的函数。这是-个关于 的-元高次方程，利用 MATLAB数值方法可以快速得到积分结果。整个混凝土搅拌筒搅拌动力矩为3M ∑M。

1： J得到混凝土搅拌筒搅拌动力矩 以后，就可以计算搅拌筒的驱动功率c( ，)P； 式中，C为过截系数，取1.2～1.4；蛑 为搅拌筒两端支撑的摩擦阻力矩，根据支撑条件和润滑条件可以取30006000N-m； 为机械效率，取0.85。

至此，完成混凝土搅拌筒的搅拌容积、驱动力矩、搅拌重心的全部计算分析，可以进行编程工作。

运行程序可以得到三段式混凝土搅拌筒各项参数：搅动力矩M47639.I8N·m驱动功率P041.59kW重心 坐标 ：-1.352m重心 ，坐标 Y：0.399m转速 n5.996r/min三、结束语本文通过对混凝土搅拌筒的几何结构进行了理论分析，建立了完整的数学计算模型，通过MATLAB强大的积分计算功能，分别得出了混凝土搅拌筒搅动力矩、驱动功率、有效容积、搅拌筒重心坐标，大大减少了技术人员的计算量，提高了计算速度与精度。本文所提出的计算机辅助计算方法为混凝土搅拌车搅拌筒转速控制装置实时控制和精确控制提供了方法依据。