重型混凝土攪拌運輸車的總體設(shè)計和分析

鄭 平

本文根據(jù)混凝土攪拌運輸車的實際工作狀況，設(shè)計出一款攪拌筒容積為8 m3的重型混凝土攪拌運輸車，并對其底盤選擇、總體布置和參數(shù)的確定進行探討，且繪制完成重型混凝土攪拌運輸車的總體布置設(shè)計圖。

1 前言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)力度不斷加大，無論用于運輸還是施工作業(yè)，專用汽車都直接參與著國家經(jīng)濟建設(shè)。“十一五”中后期，我國專用汽車行業(yè)迎來了一個小“高潮”；進入“十二五”，預(yù)計我國專用汽車將以平均每年9%的速度增長。這種增長將不僅體現(xiàn)于產(chǎn)銷量的提高，也體現(xiàn)于產(chǎn)品品種的日趨豐富、合理和產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)水平的提高。

在國家積極推進基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大環(huán)境下，混凝土機械幾乎無處不在。城市房屋建設(shè)中不允許使用粘土磚，使得水泥用量加大，這為混凝土機械帶來了廣闊的市場。國家禁止城市使用袋裝水泥，混凝土攪拌站建設(shè)密度也有所限制，而混凝土攪拌運輸車可以靈活機動地完成混凝土從攪拌站到建筑現(xiàn)場的運輸，滿足工程建設(shè)中對混凝土質(zhì)量的要求，減輕勞動強度，降低成本，這些優(yōu)越性使其成為發(fā)展較快的專用汽車品種之一，許多生產(chǎn)企業(yè)加大了對混凝土攪拌運輸車的重視。作為專用汽車向重型化發(fā)展的體現(xiàn)，隨著工程量的加大、產(chǎn)品技術(shù)的成熟，重型混凝土攪拌運輸車的市場需求不斷擴大，混凝土攪拌筒的容積也逐步升級，由5、6 m3到8、9 m3甚至向10、12 m3拓展。

本文主要以8 m3的混凝土攪拌運輸車設(shè)計為例，對其底盤選擇、總體布置和參數(shù)的確定進行探討。

2 設(shè)計分析

混凝土攪拌運輸車的主要用途是將攪拌站的混凝土運至施工工地，同時確保對混凝土進行不停地攪拌，避免造成混凝土的凝固。因此必須做到車停而攪拌不停，所以驅(qū)動罐體旋轉(zhuǎn)的取力部位改由發(fā)動機飛輪直接取力，經(jīng)由傳動軸傳至液壓油泵，油泵輸出高壓液體驅(qū)動罐體底部的液壓馬達再通過減速機完成罐體的旋轉(zhuǎn)。

混凝土攪拌車的基本構(gòu)成是：專用底盤、發(fā)動機取力器、液壓系統(tǒng)、減速機及罐體等。

3 主要參數(shù)確定

3.1 主要尺寸參數(shù)

3.1.1 軸距

軸距對整車的最小轉(zhuǎn)彎半徑、縱向通過角、罐體長度都有影響。目前，國內(nèi)使用的6×4混凝土攪拌車軸距多為3 600～3 800 mm。根據(jù)設(shè)計的系列性和通用性原則，本文設(shè)計的攪拌車選擇3 600 mm軸距。

3.1.2 前/后輪距

輪距大可以增大上裝部分的寬度，提高整車的橫向穩(wěn)定性；但是輪距也不能過大，因為它直接影響著整車的寬度，國家標準規(guī)定整車寬度不能超過2.5 m。因此，根據(jù)所選用的前后橋、輪胎規(guī)格和輪輞偏距，確定前輪距B1=2 048 mm，后輪距B2=1 860 mm。

3.1.3 前/后懸

前懸，根據(jù)駕駛室前端面到前橋中心的距離確定為L1=1 455 mm。一般攪拌車的后懸較長,有利于減輕前橋的重量,同時便于罐體、泵、減速機等的空間布置，取底盤后懸L2=1 370 mm。

3.1.4 整車外形尺寸

根據(jù)設(shè)計目標及作業(yè)系統(tǒng)的布置，結(jié)合罐體容積尺寸，確定該攪拌車的外形尺寸：長×寬×高為8 600×3 840×2 495 mm。

3.2 主要性能參數(shù)

3.2.1 最高車速

混凝土攪拌車一般是短途運輸，路面狀況較好，但是考慮到罐體始終在旋轉(zhuǎn)，為確保穩(wěn)定性，取Vmax=80 km/h。

3.2.2 工作速度

表1 MF23液壓馬達主要參數(shù)

表2 PV23液壓泵主要參數(shù)

混凝土攪拌車在行駛時罐體的旋轉(zhuǎn)速度一般為3～5 r/min，罐體在進料攪拌時最大轉(zhuǎn)速12～18 r/min。

3.3 主要總成件的選擇

3.3.1 液壓元件的選擇

目前，國產(chǎn)混凝土攪拌車的液壓元件均為進口，使用品牌較多的有美國伊頓、意大利邦飛利、德國力士樂等。根據(jù)罐體有效容積8 m3、混凝土密度2 400 kg/m3、裝載質(zhì)量m=8×2 400=19 200 kg，液壓馬達通常選用MF23(主要參數(shù)見表1)，液壓泵通常選用PV23(主要參數(shù)見表2)，減速機通常選用PM90(速比130：1)。

3.3.2 發(fā)動機的選擇

3.3.2.1 發(fā)動機用于罐體旋轉(zhuǎn)消耗的扭矩

由于車輛行駛時攪拌筒一直處于工作狀態(tài)，因此發(fā)動機的選擇不僅要考慮最高車速的需要，還要考慮罐體在旋轉(zhuǎn)過程中消耗的扭矩。

由于減速機的效率較低，取η減速機=0.6；罐體轉(zhuǎn)動時所需轉(zhuǎn)矩M罐=M馬達×η減速機×減速機速比=282.3×0.6×130=2 020 Nm；車輛行駛時，取罐體轉(zhuǎn)速為4 r/min：罐體轉(zhuǎn)動時所消耗功率：P罐=M罐n罐/9 550=9.22 kW；液壓系統(tǒng)總效率η=傳動軸機械效率×液壓泵總效率×液壓馬達總效率×減速機效率=0.98×0.9×0.9×0.6=0.476。則取力器消耗的功率P取=P罐/η=19.25 kW；取力器消耗的轉(zhuǎn)矩M取=9 550P取/130n罐==353.53 Nm。

3.3.2.2 發(fā)動機用于行駛時最大功率：

式中：

①ηt，傳動系效率，取ηt=0.9×0.92×0.98=0.81(8擋以上變速器×雙級主減速器×傳動軸)；

②ma，汽車總質(zhì)量，按裝載8 m3混凝土計算，上裝質(zhì)量按4 500kg計算，則ma=19 200+4 500+9 000+165=32 895 kg；

③f，滾動阻力系數(shù)，f值：斜交胎0.010～0.012，子午胎0.007～0.008，取f=0.011；

④CD，空氣阻力系數(shù)，一般為0.5～0.65，此處取CD=0.65；

⑤A，通風(fēng)面積，A=貨車可取前輪距×總高。

則Pmax=138.87 kW。

以上計算未將罐體旋轉(zhuǎn)所消耗功率計算在內(nèi)。

否則Pmax=138.87/0.9=154.3 kW。

3.3.2.3 發(fā)動機實際功率

M發(fā)實=M發(fā)總-M取力器，其中：M發(fā)實，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩；M發(fā)總，發(fā)動機總轉(zhuǎn)矩；M取力器，取力器輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)功率和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換關(guān)系，考慮到該發(fā)動機系列的繼承性，主要取向是濰柴發(fā)動機。

由于取力器最大可消耗發(fā)動機扭矩的50%，WD615.44最大功率235 kW，最大轉(zhuǎn)矩1 250 Nm ，現(xiàn)取力器消耗發(fā)動機轉(zhuǎn)矩僅為其28%，因此選用濰柴WD615.44的發(fā)動機可以滿足行駛要求的。

同時在液壓泵與液壓馬達的排量相等時，則罐體可最大旋轉(zhuǎn)數(shù)nmax=2 200/130η=15.2 r/min，滿足罐體在進料攪拌時最大轉(zhuǎn)速12～18 r/min的要求。

3.3.3 變速器的選擇

由于混凝土攪拌車的罐體轉(zhuǎn)動時消耗的轉(zhuǎn)矩353 Nm，則發(fā)動機WD615.44的最大轉(zhuǎn)矩減去罐體消耗掉的轉(zhuǎn)矩后，得896 Nm用于行駛。則變速器的轉(zhuǎn)矩大于896 Nm,即可滿足要求。

根據(jù)汽車設(shè)計中汽車動力性計算公式，結(jié)合產(chǎn)品的系列化、通用性、繼承性原則，來確定變速器的型號。

3.4 軸荷分配和質(zhì)心計算

按照國家建筑行業(yè)標準JG/T 5094《混凝土攪拌運輸車》，根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，確定罐體與水平面的夾角為13.5°，同時根據(jù)總成配置及布置，計算出整車的質(zhì)心和軸荷分配，見表4。

3.5 穩(wěn)定性校核

主要考慮質(zhì)心位置對行駛穩(wěn)定性的影響，當混凝土攪拌運輸車下坡時，質(zhì)心前移，不會產(chǎn)生傾覆，只要注意前輪不超過輪壓允許值范圍；當上坡行駛時，質(zhì)心后移，前輪的法向反作用力為0時，會導(dǎo)致攪拌運輸車的縱向翻車。為了安全起見，翻車前使車輪產(chǎn)生滑移的條件為：

式中：b，滿載整車質(zhì)心至后軸中心的水平距離；hg，滿載質(zhì)心至地面的高度；ψ，路面附著系數(shù)，一般取值0.4～0.7；α，縱傾穩(wěn)定角。

則tgα=b/hg=(3 600+1 350/2-3 365)/1 915=0.47，繼而得出α=25.4°。

發(fā)生橫向翻車前的側(cè)滑條件為：

式中：B，前輪距。

則tgβ=B/2/hg=2 048/2/1 915=0.53，繼而得出β=27.9°。

通過計算知，坡道不能太大，否則易發(fā)生傾翻；但上述取值可以滿足混凝土攪拌車的工況要求。

表3 濰柴WD615.44外特性參數(shù)表

4 總布置設(shè)計原則

在確定了總成件的選配后，根據(jù)其安裝配合尺寸進行總體布置。

4.1 發(fā)動機和泵的布置

由于混凝土攪拌車的取力方式是直接從發(fā)動機飛輪上直接取力，取力器通過小傳動軸與液壓泵連接，為了保證動力傳遞的平穩(wěn)性，取力器端與工作裝置端萬向節(jié)夾角的最大偏差值為1?，萬向節(jié)凸緣的最大傾角8?±2?，傾角過大，會導(dǎo)致傳動軸振動，產(chǎn)生噪聲，嚴重時會損壞附加裝置。

在整車設(shè)計中，發(fā)動機中心線與水平基準線夾角通常取3?，則泵的高度位置應(yīng)考慮到傳動軸的角度，且傳動軸不宜過長，通常400～700 mm，這就限制了發(fā)動機與泵之間的距離。

4.2 橋和懸架的布置

混凝土攪拌車由于罐體傾斜，且上裝作業(yè)系統(tǒng)都集中在前端，因此前橋負荷較大。根據(jù)軸荷分配，我們選擇8 t前橋，同時將前板簧加強。布置時應(yīng)保證整車姿態(tài)角前低后高，通常取1°左右。減振器應(yīng)盡量布置成垂直狀態(tài)，以最大限度地利用其有效行程和減少偏差。注意減振器上下行程的分配，不能發(fā)生上下頂死現(xiàn)象。

4.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置，主要是保證駕駛員操縱輕便、舒適，并使汽車具有較高的機動性和靈敏度，轉(zhuǎn)彎時減少車輪的側(cè)滑，減輕轉(zhuǎn)向盤上的反沖力和有自動回正作用。

轉(zhuǎn)向系布置的關(guān)鍵是要保證轉(zhuǎn)向傳動裝置及拉桿系統(tǒng)有足夠的剛度和較小的傳動比變化量。

拉桿必須有足夠的剛度，特別是彎拉桿，要保證沒有彈性變形。在前輪左右最大轉(zhuǎn)角區(qū)間內(nèi)，各節(jié)點不能出現(xiàn)發(fā)卡，磨擦現(xiàn)象，拉桿之間不能出現(xiàn)死角，在轉(zhuǎn)向過程當中傳動比的變化應(yīng)盡量小。

4.4 作業(yè)系統(tǒng)的布置

作業(yè)系統(tǒng)主要包括供水系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、進出料裝置。

供水系統(tǒng)：水箱布置在側(cè)面，由底盤儲氣筒經(jīng)減壓閥供給空氣，將水壓出?？刂乒┧拈_關(guān)裝置相應(yīng)地設(shè)在主控制操縱系統(tǒng)位置附近，以便隨時都能控制水箱用水。

操縱系統(tǒng)：一般采用液壓傳動，通過手柄的運動可以控制罐體的正反轉(zhuǎn)、啟動、停止、變速等一系列動作。為操作方便，最少設(shè)置2個操作點，1個在駕駛室內(nèi)駕駛員位置旁邊，通常在左側(cè)，另1個在車尾罐體的后支座，2個操縱位置的控制桿采用連動，從而無論從哪個位置都可以方便自如地操作。

進出料裝置：由進料斗、卸料斗、卸料溜槽、卸料溜槽升降機構(gòu)等組成。進料斗安裝在罐體口后端上面，進料出口通過進料導(dǎo)管與罐口相接，斗的形狀便于進料；卸料斗安裝在罐口下面，卸出的混凝土經(jīng)此斗流入卸料槽中。卸料溜槽和加長溜槽通過掛鉤相互連接在一起，水平方向可在180?范圍內(nèi)擺動，撥動止動手柄可使縮桿在罐體內(nèi)移動，以改變卸料溜槽和加長溜槽與地面傾斜的角度。

4.5 罐體布置

罐體即攪拌筒，采用梨形結(jié)構(gòu)，中部為直筒，葉片采用雙螺旋曲面葉片，罐口朝向汽車的后方傾斜放置，混凝土從車尾部裝進和卸出。根據(jù)整車質(zhì)心的計算確定罐體的位置。

筆者考慮以上原則，完成重型混凝土攪拌運輸車的總布置設(shè)計，如圖1所示。

[1] 蔣崇明，何明輝. 專用汽車設(shè)計.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社. 1994.

[2] 張洪欣，汽車設(shè)計. 吉林：機械工業(yè)出版社. 1990.