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I 目 錄 摘要 .....................................................................................................I ABSTRACT.......................................................................................II 第一章 緒論 ........................................................................................1 1.1 研究的背景及意義 ...........................................................................1 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ................................................................................2 1.3 主要研究內(nèi)容 .......................................................................................2 第二章 雙軸式瀝青混凝土攪拌系統(tǒng)總體方案的分析 ..........................4 2.1 攪拌系統(tǒng)的介紹 .............................................................................4 2.2 攪拌系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設計 .............................................................5 2.3 攪拌功率的計算 .............................................................................7 第三章 攪拌系統(tǒng)的設計 ..................................................................8 3.1 攪拌系統(tǒng)簡介 .................................................................................8 3.2 攪拌系統(tǒng)的特點分析 .......................................................................8 3.2.1 混凝土的特點 .......................................................................8 3.2.2 攪拌生產(chǎn)設備 ............................................................................9 3.3 攪拌系統(tǒng)設計方案 ........................................................................10 3.3.1 攪拌的實質(zhì)分析 .......................................................................10 3.4 本章小結(jié) ................................................................................10 第四章 攪拌系統(tǒng)內(nèi)部零件的強度校核 ........................................12 4.1 軸承的校核 ...................................................................................12 4.1.1 鋼球最大載荷 ...........................................................................12 4.1.2 鋼球當量載荷 .........................................................................13 4.1.3 壽命計算 ..........................................................................13 4.1.4 最大接觸應力 ........................................................................13 4.2 螺栓強度校核 ...............................................................................14 4.3 軸的校核 ............................................................................................15 4.4 齒輪強的校核 ...............................................................................19 4.5 本章小結(jié) ......................................................................................22 結(jié)論和展望 ......................................................................................23 參考文獻 ..........................................................................................25 I 摘要 瀝青混凝土攪拌設備是生產(chǎn)瀝青混合料的主要設備，在路面施工中占有重要 的地位，所生產(chǎn)的瀝青混合料的質(zhì)量好壞，直接影響著瀝青路面的質(zhì)量。對瀝 青混凝土攪拌設備生產(chǎn)過程實現(xiàn)監(jiān)控與動態(tài)管理是非常必要的。因此，研究設 計基于 GPRS 網(wǎng)絡的瀝青混凝土攪拌設備的監(jiān)控系統(tǒng)具有廣泛的工程實用價值。 其中固一液兩相攪拌操作是最常見的操作，對固一液懸浮漿液池中的固液兩相 流場進行研究，進而討論固體濃度對漿液池內(nèi)液相流場的影響規(guī)律，是固一液 攪拌研究工作的重要組成部分。本文首先從混凝土生產(chǎn)特別是碾壓混凝土生產(chǎn) 的特點和影響混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的因素入手，設計出一種連續(xù)式攪拌設備的總體 研制方案，然后通過深入分析連續(xù)式碾壓混凝土攪拌機理和連續(xù)配料方案，提 出了采用皮帶重量連續(xù)配料方案和雙臥軸連續(xù)攪拌機設計方案。最后，通過試 驗驗證，說明連續(xù)式碾壓混凝土攪拌設備的生產(chǎn)的混凝土完全能滿足水工混凝 土規(guī)范的要求，連續(xù)式碾壓混凝土攪拌設備的設計正確，方案可行，同時由于 其具有的明顯優(yōu)勢，可以大量推廣。 關鍵詞：瀝青混凝土攪拌設備 結(jié)構(gòu)設計 人機界面等 II Abstract Asphalt mixing plant is a main equipment of the production of the asphalt— concrete，and plays an important role in the construction of road．The quality of the asphalt—concrete made from it has a direct impact on the quality of asphalt pavement．The monitoring and dynamic management of the asphalt mixing plant is very essential．Therefore， the research and design of the monitoring system for the asphalt mixing plant based on GPRS works with a vide range ofpractical value．The operation of blender relates to fluid flow，heat transfer and mass transfer, and other physical and chemical processes．Among them，solid-liquid two—phase mixing operation is the most common operation techniques．Study on solid—liquid two- phase field in solid-liquid suspension agitator Tank and discuss the influence law of solids concentration on the liquid flow field are important components in the solid- liquid mixing research．This thesis based on the concrete production,especially the feature of RCC production and the factors affecting concrete production quality,designed a overall development plan of continuous mixing plant，and then through in-depth analysis of continuous RCC mixing mechanism and way of continuous ingredients，proposed a scheme that using belt continuous weight measuring method and double axle continuous mixer．At last，through the test verification,illustrated the concrete produced by continuous concrete mixing plant which is designed and researched，Can completely meet the requirement of hydraulic concrete，simultaneously,because of its advantages，it Can promote widely． Key words： the asphalt mixing plant，structural design， ；human—machine interface 1 第一章 緒論 1.1 研究的背景及意義 瀝青混合料攪拌設備是一種用于生產(chǎn)高等級瀝青路面所需瀝青混合料的設 備，由于在野外作業(yè)，工作環(huán)境惡劣、氣溫變化幅度大、干擾源多等因素的影 響，給該設備控制系統(tǒng)的設計增加了很大的難度。特別是用于高等級公路的設 備，對瀝青、粒料、粉料和溫度的計量精度要求高，因此對該設備控制系統(tǒng)硬 件和軟件設計相對要求也較高，必須綜合考慮上述因素，采取必要的設計措施， 才能滿足高等級公路施工的要求。 它按照實際施工的需要，將粒料(又稱骨料)、粉料、瀝青等筑路材料按一 定的比例在一定的溫度下攪拌均勻. [1]。瀝青混合料攪拌設備是瀝青路面施工的 關鍵設備之一，其性能直接影響到所鋪筑瀝青路面的質(zhì)量 [2]。瀝青混凝土攪拌 設備按生產(chǎn)方式不同分為連續(xù)式瀝青混凝土攪拌設備和間歇式瀝青混凝土攪拌 設備。間歇式瀝青混凝土攪拌設備由于有振動篩的“二次篩分"及電子稱量系統(tǒng) 的“二次計量"，能更好的保證瀝青混合料的級配及油石比，因此在我國公路建 設及養(yǎng)護過程中，生產(chǎn)瀝青混合料時大都采用間歇式瀝青混凝土攪拌設備。 《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》明確要求瀝青混凝土攪拌設備必須配備打印機， 并實時打印相關數(shù)據(jù)，這對瀝青混合料質(zhì)量控制起到了重要的作用。但到目前 為止，除打印機外，國產(chǎn)及進口的瀝青混凝土攪拌設備都沒有實時在線數(shù)據(jù)處 理分析及監(jiān)測系統(tǒng)，這就使得瀝青混凝土攪拌設備拌合質(zhì)量的實時監(jiān)控十分困 難，某些情況下甚至嚴重影響了瀝青路面的路用性能。隨著我國水電建設的開 發(fā)程度的提高，我國的開發(fā)重點已轉(zhuǎn)移到西部，水電站大都建在高山峽谷之中。 受地形地質(zhì)條件的限制，攔河大壩主要采用面板堆石壩、碾壓混凝土壩和拱壩， 三種壩型各具特點，已基本形成三分天下的格局 [3]。 2 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 瀝青混凝土攪拌設備在道路工程中應用有著悠久的歷史，經(jīng)過長期發(fā)展， 工藝日趨成熟，設備的主要構(gòu)成已基本定型，特別是隨著電子技術的日益完善 以及計算機技術和信息處理技術的提高，已經(jīng)達到很高的技術水平。我國的瀝 青混凝土攪拌設備的研究起步較晚，但發(fā)展較快，一些企業(yè)通過引進國外的先 進技術使自身的研制水平得到很大的提高。西筑、遼筑、雪桃、徐工、錫通、 陸德等一批優(yōu)秀企業(yè)相繼研制開發(fā)了 5000 型瀝青混凝土攪拌設備，國內(nèi)的設備 制造商也已多達 60 多家，初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?。一些大中型企業(yè)不但面向眼 前的市場需要，更看重中遠目標的需求，有遠見的走上了自主開發(fā)新產(chǎn)品的道 路。與此同時，國外的一些知名品牌的瀝青混凝土攪拌設備制造企業(yè)也紛紛進 入中國，德國的邊寧荷夫、阿曼(AMMANN)，英國的 GENC OR 和日本的日工 (NⅡⅨO)等公司，都己在中國設立了辦事處。意大利的瑪連尼(Marini)、新加 坡的林泰格、加拿大的加隆(CA．LoNG)和香港的德基已經(jīng)在國內(nèi)建廠，就地制 造和銷售瀝青混凝土攪拌設備。目前我國大中型水電站建設對混凝土施工機械 的要求很高，基本是大方量、高強度并能生產(chǎn)多品種的混凝土攪拌樓，因此混 凝土攪拌樓的規(guī)模正向大型甚至超大型化方向發(fā)展。一般大中型水電站建設要 求單座樓的生產(chǎn)率為 110--一 240m3／h，配備的攪拌樓型號大多為自落式的 3x1．5m3、4x3m3、4x4．5m3 和強制式的 2×1．5m3、x3m3、2x4m3 及 2×6m3； 選用的攪拌機也在向大容量方向發(fā)展，從 1．5m3 擴大到 6m3。當然，各種骨料、 粉料、砂及外加劑的稱量值也相應增大，以滿足整機生產(chǎn)率的要求?，F(xiàn)在國內(nèi) 所使用現(xiàn)代化的攪拌設備絕大部分已實現(xiàn)國產(chǎn)化。大中型水電站建設，對水工 混凝土的質(zhì)量要求也很高，除常態(tài)常溫的混凝土外，還需要預冷混凝土、碾壓 混凝土等口羽口 9。。碾壓混凝土(RCC)筑壩新工藝近幾年在我國水電站施工中 得到廣泛應用。碾壓混凝土筑壩溫控措施簡單、水泥用量小，通過機械設備可 實現(xiàn)快速施工，大大縮短了水電站建設工期，節(jié)約了投資。本文所研究的連續(xù) 式攪拌設備就是為了滿足碾壓混凝土筑壩高速、連續(xù)、大強度特點的需要。 1.3 主要研究內(nèi)容 瀝青混合料攪拌設備作為瀝青路面機械化施工的關鍵設備，已經(jīng)被我國公 3 路建設部門所廣泛采用。目前國內(nèi)企業(yè)主要都是引進、消化和吸收國外的先進 攪拌設備技術，如徐工科技引進的是英國 ACP 公司技術、西安筑路引進的是英 國 Parker 公司和德國 Benninghoven 公司技術、南方路機則吸收了意大利和韓 國的技術。對于這些引進開發(fā)的攪拌設備以及已有的攪拌設備，其產(chǎn)品技術性 能以及質(zhì)量水平如何，都需要進行正確的判斷，而判斷所依據(jù)的手段和方法， 就是產(chǎn)品的性能評價。一個優(yōu)秀的產(chǎn)品設計離不開好的設計方法，也離不開對 產(chǎn)品性能的正確評價?？陀^、真實、科學地評價攪拌設備產(chǎn)品的技術與質(zhì)量水 平，不僅是正確認識和評價國產(chǎn)攪拌設備產(chǎn)品的技術性能水平，幫助企業(yè)提升 產(chǎn)品性能和質(zhì)量、增強產(chǎn)品競爭力的迫切需要，也是加強產(chǎn)品使用、管理和維 修水平的重要手段。本文主要是想設計一種雙軸式的攪拌系統(tǒng)，是攪拌更合理。 4 第二章 雙軸式瀝青混凝土攪拌系統(tǒng)總體方案的分析 2.1 攪拌系統(tǒng)的介紹 長期以來，均勻度是我國衡量混合料攪拌質(zhì)量的主要指標，這種規(guī)定是傳 統(tǒng)概念的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的攪拌理論認為，攪拌的主要任務是達到規(guī)定的均勻度。 因此，各式各樣的攪拌機的工作機構(gòu)，主要作用是使物料產(chǎn)生剪切、對流及擴 散的循環(huán)流動，在物料位置的頻繁遷移中達到各組分的均勻分布。為了獲得均 勻的混合料，必須研究混凝土形成過程中物料的運動規(guī)律，研究攪拌機工作機 構(gòu)與混合料間相互作用的關系。混凝土攪拌過程中伴隨著拌和與分離同時存在 的兩種現(xiàn)象，是一動態(tài)的發(fā)展和變化過程，這可用曲線來定性地描述，如下圖 所示。 圖 1 開始階段的拌和主要是靠物料的循環(huán)流動來實現(xiàn)(I 段)。此時攪拌過程在 宏觀水平進行。組分間的相界面小，因此各組分間的擴散現(xiàn)象不明顯，分離現(xiàn) 象的影響也較小，攪拌過程的發(fā)展速度主要取決于攪拌機中物流的運動特點。 5 混凝土是重要的建筑材料 提高攪拌質(zhì)量至為重要 為此 我國制定了混凝土 攪拌機等有關標準，將攪拌性能作為攪拌機性能評價的首要指標 標準規(guī)定 攪 拌機的攪拌性能以混凝土拌合物的勻質(zhì)性來評定 即以同一罐不同部位的混凝土 拌合物中砂漿密度的相對誤差和單位體積混凝土拌和物中粗骨料質(zhì)量的相對誤 差作為評定指標。 混凝土拌合物中砂漿密度按下式計算： （1） 2.2 攪拌系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設計 按國家標準或生產(chǎn)要求，給出攪拌的均勻度指標。若在攪拌室內(nèi)不同方位 達到給定均勻度的攪拌時間是相近的，那么這種攪拌機械不僅可保證攪拌質(zhì)量， 而且攪拌時間將最短，攪拌效率高。用數(shù)學關系式來表達： （2） 攪拌過程的模型化，為參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，并得到了攪拌機械工 作參數(shù)與幾何參數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)。但由于攪拌過程的復雜性，不可能采用常 規(guī)的機械工程優(yōu)化方法，必須依靠試驗研究來優(yōu)化并確定其參數(shù)。在圓柱空間 坐標系（x 、y、z）中，在不同的攪拌時間，按三維坐標方向測攪拌的均勻度 就可知道，在所有方向都達到給定均勻度的時間。一般來說，在 個方向同時達 到給定均勻度指標是不可能的，總有先有后。應根據(jù)試驗結(jié)果，朝著優(yōu)化目標 調(diào)整結(jié)構(gòu)及相應的參數(shù)，使得能夠在攪拌室內(nèi)所有方向都同時達到給定均勻度。 以立式單軸強制攪拌機為例，見圖 。設攪拌室工作容積為 ，圓柱殼體的 內(nèi)壁半徑為 ，安裝葉片的旋轉(zhuǎn)軸半徑為 ，取空間圓柱坐標系，其坐標原點 在 底面圓心處， 軸與圓柱殼體的幾何軸線重合，方向向上，則攪拌室工作腔的數(shù) 學描述為： 6 試驗的簡單作法是，在 3 個坐標方向按極限分布加料，在不同的攪拌時間 測相應的均勻度，就可發(fā)現(xiàn)難以達到均勻的方向和原因。攪拌水泥混凝土，可 按三種不同的方式布料： （1） 分層布料。將砂、水泥、石子分成 3 層，按層撒布，最后加水攪拌。 （2）按圓環(huán)形撒布。 （3）按扇形撒布。 按照這種試驗方法，對不同攪拌機構(gòu)進行試驗和改進，就可得到較優(yōu)的結(jié) 構(gòu)和參數(shù)。按仿真設計理論 ，推廣樣機或模型的試驗結(jié)果，可使要設計的機械 達到與試驗樣機或模型相同的攪拌效果，保證兩者在攪拌過程中混合料均勻度 的變化場完全相似。攪拌機的圓筒形結(jié)構(gòu)存在速度梯度問題 [4]，徑向尺寸越大， 這一問題越嚴重；而立軸式攪拌機在高度方向除葉片形成的翻拌作用外，由物 料重力形成的下落運動也較強，但高度太低。這是造成沿高度方向混合料很快 均勻而徑向卻相對很慢的主要原因。轉(zhuǎn)速的選擇與攪拌機類型有關。由于工作 原理的不同，自落式攪拌機的轉(zhuǎn)速與同容量的強制式肯定不同。另外， 由于工 作過程的差異， 類型相同而結(jié)構(gòu)不同的攪拌裝置的轉(zhuǎn)速也必然不同。對于目前 最常用的雙臥軸攪拌機來說，它的轉(zhuǎn)速與拌筒長寬比、 攪拌臂排列形式 （包 括單軸相位與排列、 雙軸相位與排列） 、 攪拌葉片安裝角、 攪拌葉片數(shù)量 等參數(shù)有關 [5]。 長寬比是攪拌機的基本幾何參數(shù)， 是設計機器時需要選定的首要參數(shù)，其取值 合理與否直接決定著攪拌質(zhì)量和攪拌效率。 由于攪拌過程的復雜性， 長期以 來國內(nèi)外都難以定量化，也無法仿真模擬和采用機械工程的常用方法來優(yōu)化 [6]. 人們在選定長寬比時就一直采用經(jīng)驗值， 缺乏令人信服的依據(jù)。雙臥軸攪拌機 是國內(nèi)外廣泛使用的機型， 下圖為其幾何示意圖。目前， 它的拌筒長寬比設 計有兩大類： 7 圖 2 一類是淺底窄長形， 像日本的日工， 其長寬比值為 1.05—1.2， 長徑比為 2 左右； 另一類是深底寬短形，如德國的 BHS 公司和我國的大多數(shù)廠家， 長寬比值為 0.7—0.9， 長徑比值為 1.2—1.4。 由此，攪拌系統(tǒng)長寬比的原則如下： （1） 攪拌機參數(shù)的優(yōu)化目標是 ，這也是評判長寬比 值選擇合理與否的原則。 （2） 長寬比的值與攪拌機類型、 運動參數(shù)、 結(jié)構(gòu)參數(shù)均有關，應綜合 考慮各因素對攪拌質(zhì)量和攪拌效率的影響。 對每一種機型， 長寬比的選 擇應按照優(yōu)化目標的要求， 通過多因素正交試驗研究來確定。 （3） 理論分析與試驗研究表明， 對目前國內(nèi)外普遍使用的雙臥軸攪拌機， 它的長寬比的選擇范圍為 0.7—1.3，推薦使用值為小于 1。 2.3 攪拌功率的計算 攪拌機有各式各樣的類型 但從定性分析和參數(shù)選擇來看 卻有許多共同之 處 它們都有物理的 運動的和幾何的 3 組基本參數(shù)，下面以振動攪拌機為例來 論述。振動機構(gòu) 攪拌工作機構(gòu)的運動和幾何參數(shù)影響攪拌過程的動力學特性。 此時，不同工作機構(gòu) 振動機構(gòu)與混凝土作用原理是不同的。若首先保證混合物 在宏觀上層流的對流移動，那么第二位的任務就是在混合物結(jié)構(gòu)，流變特性極 大變化狀態(tài)下，保證在微觀上的擴散混合，這樣的分析，揭示了攪拌過程的物 理本質(zhì)，便可簡化準則方程式。攪拌功率主要分為驅(qū)動葉漿軸的功率 N2和振動 8 功率 N1。 總的功率 N= N2+ N1 （3） 第三章 攪拌系統(tǒng)的設計 3.1 攪拌系統(tǒng)簡介 該系統(tǒng)的組成如圖 l 所示 系統(tǒng)后 方配上一臺 1 ． 5～ 2 ． 5 m 左右 的裝載機 裝料 。由于 目前工地大多使用袋裝 水 泥 故水泥的上料暫采 用 人工加料 方 式。該攪拌 系統(tǒng)可由 l～ 2 人操作 。 圖 3 攪拌系統(tǒng)主視圖 后方儲料系統(tǒng)由三個儲料斗按 L 型布置 ， 骨料按粗骨料 、中骨料、細 骨料順 序儲裝。如施工中采用一級配時，為了簡化結(jié)構(gòu) 、也可只用二個儲料 斗成一字形布置方式 ( 省去側(cè)斗)。儲料系統(tǒng)主要的性能指標是一次裝料 9 量．即裝料量越大越好在施工中除了合理的布置結(jié)構(gòu)外、有時可采用填高上料 臺的方法。 3.2 攪拌系統(tǒng)的特點分析 3.2.1 混凝土的特點 碾壓混凝土筑壩技術的基本特點是：使用硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)摻和料、 水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料拌制成無塌落度的干硬性混凝土，采用與 土石壩施工相同的運輸及鋪筑設備，用振動碾分層壓實。碾壓混凝土 [7]壩既具 有混凝土體積小、強度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點，又具有土石壩施 工程序簡單、快速、經(jīng)濟、可使用大型通用機械的優(yōu)點，是快速建壩的有效途 徑，目前己在國內(nèi)外混凝土筑壩技術中得到廣泛應用，特別是近幾年來，碾壓 混凝土筑壩技術在我國得到了飛速發(fā)展。 3.2.2 攪拌生產(chǎn)設備 混凝土生產(chǎn)設備按采用的攪拌主機的工藝特征又可分為自落式和強制式兩 大類。自落式攪拌設備由于攪拌質(zhì)量難以保證，已逐步退出市場，取而代之的 是強制式攪拌設備，攪拌劇烈，攪拌時間短，攪拌質(zhì)量好而得到廣泛應用。按 攪拌過程的生產(chǎn)方式分為周期式和連續(xù)式兩大類。周期式攪拌設備從進料、攪 拌到出料都是分機進行的。稱量，配料的精度都比較高。連續(xù)式攪拌設備是進 料、攪拌、出料過程都是連續(xù)進行的。因此對其必須配置精確的電子配料裝置， 才能生產(chǎn)出合格的混凝土。 由特大石、大石、中石、小石、砂組成骨料配料系統(tǒng)，由水泥、煤灰組成 的粉料配料系統(tǒng)；水、外加劑 l(減水劑)、外加劑 2(引氣劑)組成的液體料配料 系統(tǒng)；經(jīng)配料系統(tǒng)配置好的各種物料進入攪拌機攪拌，經(jīng)攪拌形成的混凝土進 入出料斗，由輸送裝置運送相應的地點。其工藝流程為貯料專投料一配料專運 料一攪拌一出料一條龍。碾壓混凝土的生產(chǎn)工藝也一樣?；炷辽a(chǎn)工藝見下 圖。 10 圖 4 3.3 攪拌系統(tǒng)設計方案 由于連續(xù)式攪拌設備的攪拌時間短，生產(chǎn)的混凝土成熟度不夠，外觀和工 作性能較差。為延長攪拌時間，有的采用兩級攪拌，有的采用預拌砂漿。采用 兩級攪拌或采用預拌砂漿，這兩種方案既使攪拌設備復雜化，又增加了設備成 本，與連續(xù)式簡單高效的特點相悖。為解決連續(xù)式攪拌設備攪拌時間短導致混 凝土質(zhì)量差的問題，本課題決定不采用預攪拌，骨料、水泥、煤灰、水、外加 劑同時進料，一次攪拌，為延長攪拌時間，攪拌機采用細長型，以保證混凝土 攪拌質(zhì)量。下面從攪拌的開始逐步研究。 3.3.1 攪拌的實質(zhì)分析 混合是通過攪拌把各組分的物料充分地分散，得到各組分濃度均勻的混合 物。在攪拌過程中，粒子群內(nèi)的不同組分的速度分布不同，各粒子相互滑動或 碰撞，形成剪切混合。剪切混合作用對象主要是粉體的凝集團?；旌狭现械乃?泥、煤灰與水接觸后，因其表面積大，液體的表面張力大，粉體的附著性大， 易凝集，非常容易聚成小團粒。在攪拌葉漿端部與機殼壁面之間的間隙小的部 位，剪切力、壓縮力使得粉體團顆粒碎裂，保證了粉狀物料在混合物中的分布 11 更均勻 [8]。 離析是混合的逆過程，妨礙混合進行完全，可以使已混合好的混合物重新 分層、凝集。物料組分的固粒物性以及攪拌方式、攪拌機的結(jié)構(gòu)都影響攪拌過 程的混合和離析的程度。 固粒物性包括：粒徑及其分布(級配)、形狀(針片狀比)、密度、凝集性、 流動性等?；旌狭现械母鹘M分的粒徑差、密度差越大、針片狀比越大，混合越 難，離析越容易。工程中常用的水泥混凝土、瀝青混凝土有較多比例的粉體 [9]， 粒徑差異非常大，混合過程是十分困難的．對其混合物均勻程度指標的測定和 評估又相當簡易，使得長期以來對攪拌設備的評價和選型 [10]、設計和開發(fā)處于 比較盲目的狀態(tài)陽。 3.4 本章小結(jié) 本章為連續(xù)式碾壓混凝土攪拌設備方案設計，重點介紹了配料方案和攪拌 機案。首先介紹了碾壓混凝土生產(chǎn)的特點和混凝土攪拌設備的基本概念 [11]，分 析比了間歇式與連續(xù)式碾壓混凝土攪拌設備的特點；接著對連續(xù)式攪拌設備三 種配方案進行了詳細分析，在分析比較皮帶秤體積連續(xù)配料、皮帶秤重量連續(xù) 配料減量秤重量連續(xù)配料的基礎上，提出了采用皮帶秤重量連續(xù)重量配料 [12]是 最優(yōu)方的觀點，并介紹了皮帶稱重量法連續(xù)配料方案設計與優(yōu)化；通過分析混 凝土攪實質(zhì)和連續(xù)攪拌機的特點，對解決攪拌時間短的問題提出了解決方案 [13]， 并詳細紹了連續(xù)混凝土攪拌機設計方案及優(yōu)化措施；最后介紹了連續(xù)式碾壓混 凝土攪設備的總體方案設計。 12 第四章 攪拌系統(tǒng)內(nèi)部零件的強度校核 4.1 軸承的校核 軸承壽命及最大接觸應力校核軸承設計參數(shù)為:內(nèi)徑 d = 2 142 . 344 mm; 外徑 D = 2 496 mm;球組節(jié)圓直徑 Dpw = 2 360 mm;內(nèi)圈溝曲率半徑 r i = 21 . 67 mm;外圈溝曲率半徑 r e = 22 . 29 mm;鋼球直徑 Dw = 41 . 275 mm;接觸 角 α= 45;鋼球數(shù)目 Z = 142。材料為 42Cr Mo 鋼。 4.1.1 鋼球最大載荷 軸向力偏心距為:e =M／Fa= 1 025 mm,又有 2e／D pw= 0 . 868 6（根據(jù) 2e／D pw值查表利用插值法求得） 。 載荷分布有關參數(shù)值為: ε 1 = 0 . 77，ε 2 = 0 . 23;J (ε 1 ) = 0 . 357 3, J (ε 2 ) = 0 . 183 4;JM (ε 1 ) = 0 . 254 6, JM (ε 2 ) = 0 . 169 1;J (ε 1 ,ε 2 ) = 0 . 326 5, JM (ε 1 ,ε 2 ) = 0 . 282 8。式中:ε 1 ,ε 2 分別為主、 輔溝 道的載荷分布范圍參數(shù); J (ε 1 ) , J (ε 2 )分別為鋼球在主、 輔溝道內(nèi) 的載荷積分; JM (ε 1 ) , JM (ε 2 )分別為鋼球在主、 輔溝道內(nèi)的力矩積 分; J (ε 1 ,ε 2 ) , JM (ε 1 ,ε 2 )分別為鋼球載荷和力矩分布積分。 13 主溝道上鋼球的最大載荷 Q1max 為: Q1max =Fa／Z sinα+（M／Dpw Z sinα·）×2 [1 - J (ε 1 ,ε 2 ) ]／JM (ε 1 ,ε 2 )+2 . 5Fr／Z cosα (4) 將各參數(shù)代入 (1)式得:Q1max = 14 . 6 kN。輔溝道上鋼球的最大載荷 Q2max 為: Q2max =M／Dpw Z sinα×2 [ (ε 2ε 1) 1 . 5+ J (ε 1 ,ε 2 ) ]／JM (ε 1 ,ε 2 )－Fa／Z sinα+2 . 5Fr／Z cosα (5) 將各參數(shù)代入 (2)式得:Q2max = 4 . 41 kN。 4.1.2 鋼球當量載荷 主溝道鋼球當量載荷為: Qe1 = Q∫ 1= J (ε 1 ) Q1max = 5 . 217 kN。 （6） 輔溝道鋼球當量載荷為: Qe≠ =Q∫ ≠ = J (ε 2 ) Q2max = 0 . 809 kN。 （7） 4.1.3 壽命計算 軸承的壽命為: L10 = [ (Le110 )- 10 /9+ (Le210 )- 10 /9+ (Li110 )- 10 /9+ (Li210 )- 10 /9]- 0 . 9, （8） Le110 = (Qce／Q e1)3, L∫1 10 = (Qc∫ ／Q ∫ 1)3, Le≠ 10 = (Qce／Q e≠ )3 （9） L∫≠ 10 = (Qc∫ ／Q ∫ ≠ )3 經(jīng)計算得: L10 = 6 . 13 × 10 6r。 該軸承按所要求的 20 年使用壽命計算,將其換算成轉(zhuǎn)數(shù)為: L = 1 . 05 × 106r。 顯然, L10 >L,所以軸承設計壽命滿足使用要求。 4.1.4 最大接觸應力 額定載荷系數(shù) γ [14]為: 14 γ=D w cosα／D pw= 0 . 012。 內(nèi)溝道主曲率和函數(shù) ∑ ρ i 為: ∑ ρ i = 1／Dw×{4 -1／fi+ 2 γ／(1 - γ )= 0 . 051。 內(nèi)溝道主曲率差函數(shù) F (ρ i)為: F (ρ i) =0 . 91。 外溝道主曲率和函數(shù) ∑ ρ e 為: ∑ ρ e= 1／Dw×{4 -1／fe+ 2 γ／(1 - γ )= 0 . 051。 外溝道主曲率差函數(shù) F (ρe )為: F (ρe )=0.861 軸承的最大接觸應力為: σmax = 1 . 5／（πe a eb）[(∑ ρ) 2Qmax]1／3 （10） 將相關參數(shù)值代入 (5)式得: σ1 imax = 1 976 . 9 MPa,σ2 imax = 1 326 . 4 MPa, σ1emax = 2 093 . 2MPa,σ2emax = 1 404 . 5MPa。 式中:σ1 imax ,σ2 imax ,σ1emax ,σ2emax 分別為主溝道內(nèi)圈、輔溝道內(nèi) 圈、 主溝道外圈和輔溝道外圈的最大接觸應力。綜上比較可得,軸承的最大接 觸應力在主溝道外圈上。該軸承用 42Cr Mo 鋼的最大許用接觸應力 [σmax ] = 3 . 85 GPa,軸承靜載荷安全系數(shù) fs = ([σmax ]／σmax) 3= 6 . 22 > 1 . 75,軸承安全。 4.2 螺栓強度校核 螺栓材料選用 45 #鋼,調(diào)質(zhì)后屈服極限 σT =640MPa,對稱循環(huán)疲勞極限 σ- 1 = 307MPa。受載最大螺栓上工作載荷 PL max 為:PL max =4M／d 1 n-Fa／n= 5 . 018 kN。 式中: d1 為內(nèi)圈安裝孔直徑; n 為安裝孔個數(shù)。螺栓預緊力 Py 為: Py = Ky PL max (1 - x) = 7 . 527 kN。 （11） 式中: Ky 為連接面緊密性安全系數(shù),取 Ky = 2; x 為 相對剛度系數(shù), x = 0 . 25。 螺栓小徑截面 A1 為: 15 A1 = 338 . 22 mm2。 則,螺栓預緊應力 σy 為: σy =P y／A 1= 22 . 253MPa。 應力比值 σ y／σ T= 0 . 035。 螺栓上最大許用計算載荷 P j為: Pj = Py + xPL max = 8 . 782 kN。 （12） 螺栓小徑斷面拉應力 σ 1為: σ 1 =Pj／ A1= 25 . 96MPa。 預緊時螺紋上的摩擦力矩 M p為: Mp≈0 . 12P y dn = 21 . 677 76 N·m。 式中: d n為螺栓公稱直徑。 螺栓小徑斷面切應力 τ 1為: τ 1 =Mp0 . 2d1／3 = 12 . 128MPa。 式中: d ′ 1為螺栓小徑。 螺栓承受拉扭組合力,根據(jù)第四強度理論,螺紋根部的最大合成應力 σ 1 s為: σ 1 s = σ 21 + 3τ 1 2 = 33 . 394MPa。 （13） 塑性變形安全系數(shù) n T為: nT =σ T／σ 1 s= 19 . 165 > 1 . 2,可用。 螺栓所受的循環(huán)應力 σa 為: σ a =xPL max／2A 1= 1 . 855MPa。 （14） 4.3 軸的校核 如下圖所示是攪拌系統(tǒng)的主軸。 16 圖 5 1) 判斷危險截面 截面 A,Ⅱ,Ⅲ,B 只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的 應力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為 寬裕地確定的，所以截面 A,Ⅱ,Ⅲ,B 均無需校核。 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應 力集中最嚴重；從受載的情況來看，截面 C 上 Mca1 最大。截面Ⅴ的應力集 中的影響和截面Ⅳ的相近，但截面Ⅴ不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故 不必作強度校核。截面 C 上雖然 Mca1 最大，但應力集中不大（過盈配合及 鍵槽引起的應力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大，故截面 C 也不 必校核。截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必校核。鍵槽的應力集中系數(shù)比過盈配合的 小，因而該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側(cè)即可。 2) 截面Ⅳ左側(cè) 抗彎截面系數(shù) （15） 17 抗扭截面系數(shù) （16） 截面Ⅳ左側(cè)的彎矩 M 為 （17） 截面Ⅳ上的扭矩 T3 為 T3=960000 N·mm 截面上的彎曲應力 （18） 截面上的扭轉(zhuǎn)切應力 （19） 軸的材料為 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由軸常用材料性能表查得 σB=640MPa，σ-1＝275MPa，τ-1=155MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù) ασ 及 ατ 按手冊查取。 因 ， ，經(jīng)插值后可查得 ， 又由手冊可得軸的材料的敏性系數(shù)為 ， 故有效應力集中系數(shù)為 ＝1.82 （20） （21） 由手冊得尺寸系數(shù) ；扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) 。 18 軸按磨削加工，由手冊得表面質(zhì)量系數(shù)為 軸未經(jīng)表面強化處理，即 ，則按手冊得綜合系數(shù)為 （22） （23） 又由手冊得材料特性系數(shù) ψσ=0.1~0.2, 取 ψσ=0.1 ψτ=0.05~0.1, 取 ψτ=0.05 于是，計算安全系數(shù) Sca 值，按公式則得 （24） （25） （26） 故可知其安全。 3) 截面Ⅳ右側(cè) 抗彎截面系數(shù) W 按表中的公式計算： 19 （27） 抗扭截面系數(shù) WT 為： （28） 彎矩 M 及彎曲應力為 ： 扭矩 T3 及扭轉(zhuǎn)切應力為 T3=960000 N·mm （29 ） 過盈配合處的 kσ/εσ 值，由手冊用插入法求出，并取 kτ/ετ=0.8kσ/εσ，于是得 ， 軸按磨削加工，由手冊得表面質(zhì)量系數(shù)為： 故得綜合系數(shù)為： 20 所以軸在截面Ⅳ右側(cè)的安全系數(shù)為： 4.4 齒輪強的校核 如下圖所示是系統(tǒng)的齒輪 圖 6 1.齒輪得材料及熱處理方法 小齒輪選用 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為 260HBS。大齒輪選用 45 鋼，調(diào) 質(zhì)處理，齒面硬度 220HBS，HBS 1-HBS2=260-220=40,合適。 查得 σ Flim1=240Mpa, σ Flim2=240Mpa,SF=1.3 21 故[σ F1]= = =129MpaFS1lim 7.0?3.2407? [σ F2]= = =195MpaF2li ..95 粗選 8 級精度 取小齒輪齒數(shù) Z1=17，則大齒輪 Z2=17×2.673=45.441，取 Z2=46，實際傳 動比 i = =2.706，與要求相差不大，可用。746 2.齒輪疲勞強度設計 查表，取載荷系數(shù) K=1.1，推薦齒寬系數(shù) Ψ R=0.25—0.3,取 Ψ R=0.3。 小齒輪上的轉(zhuǎn)矩 T1= = =1.7297×105N·mm （30）13095nP?3.2856095? 小齒輪齒數(shù) Z1=17 大齒輪齒數(shù) Z2=46 （1）計算分度圓錐角 δ 1=arctan = arctan =69.72° （31）21467 δ 2=90°-δ 1=90°-69.72°=20.28° （32） （2）計算當量齒數(shù) Zv1= = =18.12 1cos??28.07 （33） Zv2= = =132.71 2cos??7.694 （34） （3）計算模數(shù) 查的 YF1=3.02, YF2=2.16 22 因為 = =0.023， = =0.011][1FY?290.3][2FY?1956. ＞ ，故將 代入計算。][1F]2][1F mm≥ = =3.43 ][)5.0(421213FRFZuYKT????12973.0167. ).5(2943 ???? （35） （4）計算大端模數(shù) m = = =4.04R?5.01?3.0 4? 查表取 m=4.5 （5）計算分度圓直徑 d1=mZ1=4.5×17=76.50mm d2=mZ2=4.5×46=207.00mm (6)計算外距 R= = =109.16mm12?uZm1673.25.4?? (7)計算齒寬 b=Ψ RR=0.3×109.16=32.75mm 取 b1=b2=35mm (8)計算齒輪的圓周速度 齒寬中點處直徑 dm1=d1(1-Ψ R)=76.50×(1-0.5×0.3)=65.025mm 當量齒數(shù) Zv1=18.12 Zv2=132.71 模數(shù) mm=3.43 大端模數(shù) m=4.5 分度圓直徑 d1=76.50mm 23 d2=207.00mm 齒寬 b1=b2=35mm 則圓周速度 v = = =1.10m/s106?ndm?1063.25.? 由表可知，選擇 8 級精度合適。 3.驗算輪齒彎曲疲勞強度 σ F1= = =95.38Mpa 12ZbmYKTF175.4302.329.?? （36） [σ F1]=129Mpa, σ F1＜[σ F1]，故安全。 4.5 本章小結(jié) 瀝青混合料攪拌設備是瀝青路面機械化施工的關鍵設備和大型設備，其性 能直接決定著瀝青混合料的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，影響著所鋪筑路面的施工質(zhì)量和 速度。開展瀝青混合料攪拌設備性能評價研究，對從量化理性的角度正確認識 攪拌設備技術性能水平具有重要意義。由于攪拌設備區(qū)別與一般的工程機械產(chǎn) 品，其作業(yè)特點與要求都不盡相同，目前還沒有對攪拌設備性能的評價研究 [15]。 本文針對我國廣泛使用的間歇強制式瀝本章對混凝土攪拌系統(tǒng)的所有主要零件 [16]進行了校核，這樣就能保證系統(tǒng)在工作中正常運轉(zhuǎn)，經(jīng)校核所有零件都符合 設計的要求。 結(jié)論和展望 瀝青混凝土攪拌設備作為瀝青路面施工的關鍵設備，正在成為機電液信一 體化的現(xiàn)代施工設備。在瀝青混合料生產(chǎn)質(zhì)量動態(tài)管理的要求下，在自身的自 動化控制日益進步的同時，瀝青混凝土攪拌設備生產(chǎn)中的過程控制與遠程集中 監(jiān)控的要求也越來越迫切。本文在對現(xiàn)有瀝青混凝土攪拌設備生產(chǎn)過程存在問 題分析的基礎上，設計了基于 GPRS 技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)瀝青混 凝土攪拌設備生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控與動態(tài)管理 [17]。所做的工作和取得的結(jié)論如 24 下： 1、分析了瀝青混凝±攪拌設備的構(gòu)造及生產(chǎn)過程，按照瀝青混合料生產(chǎn)質(zhì)量動 態(tài)管理的要求，通過詳細說明 GPRS 技術的相關知識，在理論上論證了將 GPRS 技術用于瀝青混凝土攪拌設備監(jiān)控的可行性，提出了現(xiàn)場監(jiān)控加遠程監(jiān)控的總 體設計方案。 2、利用模塊化設計的思想，在軟硬件兩方面設計了現(xiàn)場監(jiān)控無線終端，主要包 括 CPU 控制系統(tǒng)、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) [18]、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾個主要部分，完成 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳌?3、按照系統(tǒng)的設計目標，設計了本系統(tǒng)的監(jiān)控中心，主要包括網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)兩個部分。其中，監(jiān)控中心與現(xiàn)場終端的網(wǎng)絡通信采用 Soeket 通信 技術，現(xiàn)場終端連接 GPRS 網(wǎng)絡時使用了動態(tài)域名技術；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由 VB6．0 與 Mirco SQLServer 2000 聯(lián)合開發(fā)。綜上所述，本文將 GPRS 技術用到 瀝青混凝土攪拌設備的監(jiān)控上，能夠解決瀝青混凝土攪拌設備工作環(huán)境偏遠， 分散布局監(jiān)控和管理困難的問題，對瀝青混合料生產(chǎn)過程的監(jiān)控和質(zhì)量動態(tài)管 理、節(jié)約成本、保證路面質(zhì)量上具有工程實用意義。由于個人時間及精力等原 因，本課題的研究還需要在以下幾個方面加以進一步完整． 1．由于使用 GPRS 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性需要進一步考證。 比如在安全性上 CDMA 技術要優(yōu)于 GPRS[19]，但由于其覆蓋范圍不如 GPRS 網(wǎng)絡， 所以本系統(tǒng)沒有采用。隨著網(wǎng)絡技術的進步，可以考慮將雙網(wǎng)優(yōu)勢互補同時用 于監(jiān)控系統(tǒng)，或者采用更高速、更安全、范圍更廣泛的網(wǎng)絡傳輸方式。 2．本系統(tǒng)僅將重量數(shù)據(jù)作為監(jiān)控的范圍，而且考慮到實時性的要求，篩分所涉 及到的級配曲線等問題由于需要生產(chǎn)現(xiàn)場的實驗配合所以本系統(tǒng)沒有涉及，等 到自動篩分性質(zhì)的裝置的研制，可以對系統(tǒng)進行擴展，也可以將自動控制或質(zhì) 量控制中所需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)擴展入系統(tǒng) [20]。 3．從數(shù)據(jù)的實時性與高效性考慮，數(shù)據(jù)庫的設計還不夠完善，監(jiān)控中心的設計 在據(jù)庫方面還有待改進。瀝青混凝土攪拌設備在自動控制和遠程監(jiān)控等 [21]方面 涉及到多學科的融合，實現(xiàn)其智能化的方式還很多，發(fā)展空間還很大，需要我 們?nèi)ミM一步探索。 25 參考文獻 [1] 馮忠緒．混凝土攪拌理論與設備[M]．北京：人民交通出版社，2001。 [2] 王國安．瀝青混凝土攪拌設備的發(fā)展動向、結(jié)構(gòu)特點和計算要點[J]．建設 機械．1994，(12)：30-34. 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