基于UG的混凝土運(yùn)輸車攪拌葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)*

楊 筍

（河南省經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校 河南南陽473000）

攪拌葉片是混凝土攪拌車上非常重要的部件，直接影響混凝土攪拌的均勻性。如果攪拌葉片的角度設(shè)計(jì)不合理，混凝土可能會出現(xiàn)離析狀態(tài)。

在攪拌筒外殼尺寸確定后，攪拌葉片的曲線特性和螺旋角直接決定了攪拌筒的出料性能和攪拌性能。目前的攪拌葉片常用兩種螺旋曲線形式：對數(shù)螺旋曲線和阿基米德螺旋曲線[1]。

對數(shù)螺旋曲線的螺旋升角始終不變，其螺距與攪拌筒直徑變化成正比關(guān)系，卸料區(qū)段的葉片間距比攪拌區(qū)的小，如果設(shè)計(jì)適當(dāng)不會影響卸料功能。

阿基米德螺旋曲線的攪拌葉片在軸線方向上間距保持固定值，其螺旋升角與攪拌筒橫斷面的直徑變化成反比關(guān)系。當(dāng)螺旋升角按攪拌區(qū)段的工作要求選定時(shí)，在進(jìn)入卸料區(qū)段后，葉片的螺旋升角隨攪拌筒斷面的直徑縮小而變大，影響卸料性能；若螺旋升角按卸料區(qū)段的工作要求選定時(shí)，攪拌區(qū)段的螺旋升角將過小，影響攪拌質(zhì)量[2]。

因此，選擇對數(shù)螺旋曲線的葉片和適中的螺旋升角，能夠兼顧攪拌和卸料的功能[3]。

1 螺旋角的確定

本文研究的為雙螺旋曲線攪拌葉片，采用4毫米厚的寶鋼產(chǎn)B520JJ鋼板，由11副模具沖壓成11副葉片，然后焊接而成。攪拌葉片總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

對數(shù)螺旋線攪拌葉片在前錐和后錐處采用對數(shù)螺旋線，中節(jié)段采用圓柱螺旋線。因?yàn)槁菪呛吐菪桥c出料性能和攪拌性能關(guān)系密切，因此，在螺旋角確定時(shí)要考慮三個方面[4]：

(1)前錐螺旋葉片實(shí)現(xiàn)攪拌功能，為避免后錐段積料，應(yīng)盡量加大螺旋升角，改善出料性能。

(2)中節(jié)段是攪拌和出料的過渡，應(yīng)使螺旋葉片直紋與攪拌筒軸線有一定夾角，應(yīng)適當(dāng)提高螺旋葉片頂端螺旋升角，提高攪拌性能和出料性能。

(3)后錐螺旋葉片主要實(shí)現(xiàn)快速卸料兼有一定攪拌功能，越靠近出口的位置要選用越大的螺旋角，即小的螺旋升角，避免出料時(shí)出現(xiàn)離析。

2 對數(shù)螺旋線的設(shè)計(jì)

混凝土運(yùn)輸車攪拌筒的結(jié)構(gòu)如圖2所示，a1和a2不是獨(dú)立變量[5]，可用拌筒尺寸參數(shù)表示為：

以底面圓心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，攪拌筒軸線為Z軸，以底面為XOY面建立柱坐標(biāo)系，攪拌筒上任意點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y，z)，螺旋線上任意點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1，z1)。

2.1 前錐面和對數(shù)螺旋線方程

?為任意橫截面的高度，θ為轉(zhuǎn)角，則攪拌筒前錐參數(shù)方程為：

對數(shù)螺旋線方程為：

其中a，p為待定常數(shù)，前錐側(cè)面上螺旋線參數(shù)方程為：

式中θqlmax、a和p為待求參數(shù)，與攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)和螺旋角有關(guān)，如圖3所示。

由此可得：

式中β為螺旋角，α1為前錐錐頂角。

將攪拌葉片的螺旋線參數(shù)用攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)，能夠通過邊界條件求得。螺旋線是緊密的附在拌筒前錐之上的，邊界條件表示為：

在前錐小端：

在前錐大端：

將上述兩個邊界條件代入前錐面和對數(shù)螺旋線方程可得前錐大端位置時(shí)螺旋線最大轉(zhuǎn)角θqlmax和螺旋線系數(shù)a，p：

代入式（5），可將螺旋線參數(shù)方程用攪拌筒設(shè)計(jì)參數(shù)表示為：

式中 a、p 和θqlmax由式（7）求得。給出前錐設(shè)計(jì)參數(shù)和螺旋角條件后，錐體和螺旋線可通過式（3）和（8）設(shè)計(jì)出來。

2.2 拌筒中部螺旋線參數(shù)方程

式中θqlmax由式（7）可得，θzlmax為中部螺旋線旋至z=L1+H處(即中部與后錐結(jié)合部)的轉(zhuǎn)角，其表達(dá)式為：

2.3 后錐螺旋線的參數(shù)方程

式中系數(shù)為：

3 螺旋線參數(shù)化實(shí)現(xiàn)

根據(jù)對數(shù)螺旋線參數(shù)方程，通過UG軟件包中的UG/OPEN GRIP模塊進(jìn)行編程，同時(shí)要考慮三段曲線的光順連續(xù)條件[6]，程序經(jīng)過編譯、鏈接之后生成*.grx文件，結(jié)合其中的參數(shù)進(jìn)行螺旋線程序的開發(fā)。

主要程序段如下：

ax=LINE/(pt0(1)=POINT/0,0,0),(pt0(2)=POINT/0,0,600)

g(1)=LINE/(pt(1)=POINT/r(1),0,0),(pt(2)=POIN T/r(2),0,h(1))

……

m(1)=REVSRF/g(1),AXIS,ax,0,360

……

a1=ATANF((r(2)-r(1))/h(1))

……

p1=(r(2)-r(1))/h(1)*COSF(a1)*COSF(bt(1))/SIN F(bt(1))

……

stm(1)=LOGF((r(2)-r(1))/r(1)+1)/p1

……

i=1

STR1:

st=(i-1)*stm(3)/1000

IFTHEN/st<=stm(1)

xc=r(1)*EXPF(p1*st)*COSF(st*180/3.14159)

……

ELSEIF/stm(1)

xc=r(2)*COSF(st*180/3.14159)

……

ELSEIF/stm(2)

xc=r(2)*EXPF(p3*(st-stm(2)))*COSF(st*180/3.1 4159)

……

ENDIF

程序經(jīng)過編譯、鏈接之后生成UG可執(zhí)行的*.grx文件，UG直接調(diào)用之后出現(xiàn)如圖4所示的對話框：

在設(shè)計(jì)參數(shù)輸入對話框輸入相關(guān)的數(shù)值，即可生成一系列的點(diǎn)，利用UG中的樣條曲線命令，通過所有點(diǎn)可得到相互成180°的螺旋線，如圖5所示。

分析對數(shù)螺旋線的曲率，使用曲率梳檢測曲率變化情況，如是否存在突變點(diǎn)[7]。經(jīng)分析，曲線上的曲率梳沿曲線上每個點(diǎn)的法向呈放射狀分布，可見螺旋線的曲率變化是連續(xù)的，沒有突變點(diǎn)，如圖6所示。

4 攪拌葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)

攪拌葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)要保證連續(xù)光順、沖壓加工性能和葉片不同部位的工作性質(zhì)差異[8]。

4.1 構(gòu)建葉片各截面輔助面

分析攪拌筒與葉片螺旋線的空間位置和葉片的工作性質(zhì)，建立各截面所在平面的輔助軸，再確定輔助面，設(shè)計(jì)螺旋葉片。

4.2 確定各截面圖形

葉片各個位置的截面圖形，對葉片的形狀起著很大的影響，是參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，具體包括：建立新的草圖；指定草圖平面即輔助面，在輔助面上繪制圖形；添加尺寸約束和位置約束條件。生成的各截面圖形如圖7所示。

4.3 生成葉片

攪拌葉片是直紋螺旋面，可通過構(gòu)造曲線網(wǎng)格生成。首先生成攪拌葉片的葉頂螺旋線和葉根螺旋線兩條引導(dǎo)線；再由構(gòu)造出來的網(wǎng)格曲線生成攪拌葉片。該方法能調(diào)節(jié)控制螺旋線的光滑度，保證整個葉片形狀的幾何連續(xù)性[9]。生成的攪拌葉片曲線網(wǎng)格和曲面如圖8所示。

5 攪拌葉片的設(shè)計(jì)方案

螺旋線的螺旋角對攪拌筒的攪拌性能及出料性能起著決定性的作用，螺旋升角與混凝土性質(zhì)和攪拌筒斜置角度等因素有著密切的關(guān)系，為保證攪拌質(zhì)量和卸料性能，本項(xiàng)目中選擇三個不同螺旋升角：10°、17°、24°，對應(yīng)的螺旋角為：80°、73°、66°。

截面圖形對葉片的形狀起著很大的影響，是葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。通過螺旋葉片設(shè)計(jì)計(jì)算圖可以得到葉片各個位置的截面圖形，選擇如圖9所示的螺旋葉片設(shè)計(jì)計(jì)算圖，葉片的寬度設(shè)計(jì)為430mm[10]。通過在葉片內(nèi)邊緣加焊高強(qiáng)度耐磨合金鋼絲加強(qiáng)葉片邊緣的抗磨性。

6 結(jié)語

本文對攪拌葉片螺旋角和對數(shù)螺旋線進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，通過軟件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模，同時(shí)利用尺寸驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對各葉片截面形狀的實(shí)時(shí)修改。本文的設(shè)計(jì)方法能夠準(zhǔn)確地有效地指導(dǎo)攪拌葉片的設(shè)計(jì)與制造，通過UG軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)很好地解決了葉片的光順問題，能夠提高焊接后的葉片質(zhì)量。