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湖南農(nóng)業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
混凝土攪拌站輸送攪拌系統(tǒng)設(shè)計
學 生：
指導老師：
(湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙 410128)
摘 要:混凝土攪拌站主要由稱量系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、貯存系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，本次設(shè)計目標是設(shè)計出一種雙缸雙軸式攪拌機和一個相匹配的輸送機。通過對生產(chǎn)率的要求來設(shè)計輸送系統(tǒng)，再通過計算出來的相關(guān)數(shù)據(jù)確定攪拌系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從而進行設(shè)計。通過查閱資料，在設(shè)計過程中有詳細的計算設(shè)計，讓攪拌站各個系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
關(guān)鍵詞:混凝土攪拌站；雙缸雙軸攪拌機；帶式輸送機
The Design of Conveyor Systems and Mixing Systems of
Concrete Mixing Plant
Student:Zhang Lijuan
Tutor:Quan Lazhen
(College of Engineering , Hunan Agricultural University, ChangSha 410128)
Abstract: Concrete mixing plant consists of weighing system, conveyor system, mixing system, storage system and a control system. The design is to be aimed at creating two-cylinder two axle mixer and matching belt conveyor. The conveyor system design is based on the requirement of productivity, and the mixing system is based on data which is calculated from relevant statistics got from the former steps. By consulting sources, the whole design derives from sophisticated calculation to make sure that systems in the mixing plant are working in coordination.
Key words: Concrete mixing plant; Double-horizontal-shaft concrete mixer; Belt conveyor
1 前言
1.1 發(fā)展歷史及其國內(nèi)外發(fā)展狀況
第一座混凝土攪拌站由德國于1903年建立，此后，商品混凝土便作為獨立的產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，隨后美國、法國分別于1913年、1933年建立了自己的攪拌站。二次世界大戰(zhàn)后，尤其在20世紀60年代到70年代，由于戰(zhàn)后重建工作，各國急需混凝土，使混凝土攪拌站迎來了一個黃金發(fā)展時期。目前德國、美國、日本等國在混凝土攪拌技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，而我國的混凝土機械發(fā)展在解放前是一片空白，即使在解放初也只是仿造國外落后的攪拌機。1951年，上海市建筑機械廠生產(chǎn)了JG250型混凝土攪拌機，它成為我國早期建設(shè)的主力軍；1978年后，我國采取以經(jīng)濟建設(shè)為中心的方針，這一措施促進了工程建設(shè)的發(fā)展，同時使發(fā)展混凝土機械成為一項重要任務，我國花重金引進多套攪拌站設(shè)備并組織多家領(lǐng)頭機械廠對攪拌站進行攻關(guān)、研發(fā)，取得了一定的成就。隨后我國在不斷引進外國攪拌站技術(shù)的同時，加大自身對混凝土攪拌站的研發(fā)，到21世紀我國的攪拌站技術(shù)已較為先進。
由于我國的城市化進程不斷向前推進，預拌混凝土在全國大中城市得到了迅速發(fā)展和推廣應用，混凝土攪拌站也得到了高速發(fā)展。目前我國混凝土攪拌站生產(chǎn)企業(yè)眾多，產(chǎn)品已形成系列化，但技術(shù)水平參差不齊，只有部分產(chǎn)品接近國際先進水平，有些技術(shù)已經(jīng)超過進口混凝土攪拌站的水平，其中部分產(chǎn)品具有自動化程度高、生產(chǎn)能力高、稱量精度高、投資少、攪拌質(zhì)量好，能實現(xiàn)多倉號、多配合比、不間斷地連續(xù)生產(chǎn)以及主機及其主要元器件的國產(chǎn)化程度高等優(yōu)點，但我國的混凝土攪拌站還存在著整體技術(shù)含量不高、普及率不高、地區(qū)差異較大、智能化程度不高和環(huán)保性能不高等缺點。
1.2 發(fā)展趨勢及其研究意義
近年來隨著我國城市基礎(chǔ)建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)業(yè)的迅猛發(fā)展，推動了混凝土生產(chǎn)產(chǎn)量的迅速提高。混凝土生產(chǎn)是改變傳統(tǒng)的現(xiàn)場分散攪拌混凝土的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)建筑工業(yè)化的一項重要改革?；炷恋纳唐坊a(chǎn)因其生產(chǎn)的高度專業(yè)化和集中化等特點大大提高了混凝土工程質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減少環(huán)境污染而使人類受益。我國的混凝土攪拌站雖然已取得了很大的成就，但與發(fā)達國家的攪拌技術(shù)還存在很大的差異，我國的混凝土發(fā)展道路還很長，總體發(fā)展方向是實現(xiàn)混凝土攪拌站的智能化、環(huán)保化、高精度化、標準化、國產(chǎn)化、中小型化、普及化。
混凝土攪拌站主要由攪拌主機、物料稱量系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、物料貯存系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等5大系統(tǒng)和其他附屬設(shè)施組成。國外在攪拌主機的質(zhì)量和物料稱量系統(tǒng)的精確度上的研究更加趨于完善，這兩個方面的技術(shù)水平相比于國內(nèi)高出不少。從整體上看，混凝土攪拌站在向著結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、噪音小、無污染、使用方便、自動化程度高、生產(chǎn)效率高等方面發(fā)展。
2 混凝土攪拌站整體結(jié)構(gòu)分析
本次對混凝土攪拌站的設(shè)計主要包括兩個系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)。
不同的物料需要不同的輸送設(shè)備，除了水還有其他液體添加劑需要通過泵輸送外，還需要另外兩套輸送設(shè)備，其中一套用來輸送骨料，主要有皮帶運輸機、拉鏟、裝載機、提升斗；另一套用來輸送水泥等粉料物質(zhì)，主要有螺旋運輸機、斗式提升機、氣力輸送設(shè)備等。皮帶運輸機是最常用的物料輸送設(shè)備，它的運輸速度快，工作連續(xù)，輸送平穩(wěn)，沒有噪音，消耗功率小，工作可靠；拉鏟結(jié)構(gòu)簡單，使用方面；裝載機常用于移動式和拆遷式攪拌站，其運輸量比較大，速度較快，自裝自卸，使用非常方便；提升斗常用于二次提升。螺旋輸送機式輸送水泥的理想設(shè)備，其料槽是封閉的，因此可以減少對環(huán)境的污染；斗式提升機常用于垂直方向輸送水泥，其占地面積小，輸送能力大、輸送高度高、密封性較好；氣力輸送設(shè)備具有占地面積小、容易布置、速度快、輸送量大、沒噪音的優(yōu)點，但它能量消耗大。
攪拌系統(tǒng)則是將有一定配合比的骨料、水和粉料攪拌均勻，成為混凝土熟料。攪拌機是混凝土攪拌站中的重要設(shè)備，攪拌機以作業(yè)方式來劃分可分為周期式和連續(xù)式兩類攪拌機以攪拌原理來劃分可分為強制式和自落式兩類。強制式的罐體不動，攪拌軸旋轉(zhuǎn)，通過攪拌臂帶動攪拌葉片對罐體內(nèi)的物料進行強制導向攪拌；自落式拌筒旋轉(zhuǎn)，借助安裝在拌筒內(nèi)的攪拌葉片，使物料抬起，物料靠自身重力跌落，并產(chǎn)生軸向串動，從而實現(xiàn)攪拌效果。兩者相比，強制式的攪拌作用強烈，一般在30-60秒的攪拌時間就可將混合物拌成勻質(zhì)性混凝土，制備專用或特種混凝土時，則需較長時間；自落式的攪拌時間需翻倍甚至更長，攪拌特種混凝土困難甚至不可能。在相同的攪拌容量下，強制式與自落式相比攪拌機的驅(qū)動功率較大，相應的設(shè)備裝機總功率及配電設(shè)施要增加，但是工作周期較短，所以生產(chǎn)混凝土的單位能耗增加不大。以雙臥軸強制式與錐形傾翻出料自落式為例兩者相比，攪拌機的驅(qū)動功率約為2.4倍，單位能耗則約為1.3倍。綜合攪拌的效率、功能、質(zhì)量、能耗各方面因素，攪拌站應選擇強制式攪拌機作為主機，只有在骨料采用較大粒徑如150㎜以上的碎石時才優(yōu)先選用自落式攪拌機。
強制式攪拌機按結(jié)構(gòu)型式區(qū)分為兩類，一類是立式攪拌軸，有渦漿式和行星式兩種，另一類是臥式攪拌軸，有單臥軸和雙臥軸兩種。立軸與臥軸型式的攪拌效果都很良好，兩者相比立軸型式的功率消耗要高于臥軸型式，同一規(guī)格機型的攪拌額定功率一般要高20﹪。對骨料粒徑的適應范圍立軸型式最大粒徑一般為60㎜，規(guī)格1500L以上為80㎜，臥軸型式最大粒徑一般為80㎜，規(guī)格1500L以上可達100㎜，增大驅(qū)動功率時可達120-150㎜。立軸型式的規(guī)格最大可達4m3,受拌筒直徑運輸尺寸的限制，大規(guī)格的機型應用較少。臥軸型式的規(guī)格最大可達6m3,雙臥軸甚至做到9m3。兩者的結(jié)構(gòu)特點，立軸攪拌機的上蓋部位受驅(qū)動裝置安裝位置與維修條件的限制，用作攪拌站的主機，不利于骨料投料裝置和粉料計量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而臥軸攪拌機的驅(qū)動裝置在罐體旁側(cè)位置，罐體上方可合理布置骨料投料和粉料計量裝置，驅(qū)動裝置的維護保養(yǎng)工作也更方便。綜合各方面因素，臥軸攪拌機更適合用作攪拌站主機。雙臥軸與單臥軸型式相比，攪拌葉片的線速度低，耐磨損；罐體各部位襯板的磨損程度比較接近，襯板的使用壽命長，經(jīng)濟性好；驅(qū)動裝置可采用雙套同步運行，更有利于大規(guī)格機型的配套條件和產(chǎn)品系列化發(fā)展，因此，雙臥軸攪拌機成為應用最廣泛的攪拌站主機。
雙臥軸攪拌機由罐體、攪拌軸裝置、軸端密封和支承裝置、驅(qū)動裝置、卸料門裝置和上蓋等組成。雙臥軸攪拌機采用整體的罐體結(jié)構(gòu)，鑄鋼的攪拌臂、座與方管狀攪拌軸螺栓聯(lián)接，相鄰攪拌臂夾角90°，大尺寸攪拌葉片的歐式攪拌罐結(jié)構(gòu)形式，對混凝土坍落度和骨料粒徑的適應范圍大。
考慮到攪拌完成后需要卸料到混凝土攪拌車上，當今混凝土攪拌車普遍高度在3.6到3.8米，故卸料高度需要4米，攪拌機的高度約為1.3到2米，普通帶式輸送機的輸送傾角最大為20°，所以要將骨料輸送到高于5米以上的地方，帶式輸送機帶長需要12米以上。據(jù)此，對混凝土攪拌站有如圖1所示的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。骨料從A出開始運輸，到B處進入攪拌機C，在攪拌機中完成攪拌，成為混凝土熟料后，經(jīng)過卸料裝置進入混凝土攪拌車。
圖1 混凝土攪拌站結(jié)構(gòu)
Fig1 The structure of concrete mixing plant
3 混凝土攪拌站輸送系統(tǒng)設(shè)計
3.1 方案比較與選擇
方案一：料斗提升，其優(yōu)點是占地面積下，機構(gòu)簡單。
方案二：皮帶輸送，其優(yōu)點是輸送距離大、效率高、故障率低、結(jié)構(gòu)簡單、耗能低，輸送平穩(wěn)，物料與輸送帶沒有相對運動，能夠避免對輸送物的損壞。
從物料的性質(zhì)、環(huán)保、節(jié)能及性價比等方面考慮，本設(shè)計選用帶式輸送機作為骨料的輸送設(shè)備。
3.2 帶式輸送機工作原理及結(jié)構(gòu)組成
帶式輸送機是以無極撓性輸送帶載運物料的連續(xù)輸送機械。輸送帶即是牽引機構(gòu)又是承載機構(gòu)，用旋轉(zhuǎn)的托輥支撐，運行阻力較小。主動滾筒在電動機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，通過主動滾筒與輸送帶之間的摩擦力帶動帶及帶上的貨載一同連續(xù)運行，當貨載運動到端部后，由于輸送帶換向而卸載。
帶式輸送機主要由輸送帶、滾筒、托輥、張緊裝置、驅(qū)動裝置機架等組成。輸送帶是承載和牽引構(gòu)件由上下托輥支承，繞過頭部、尾部滾筒形成閉合環(huán)路，借助傳動托輥同于輸送帶間的摩擦傳遞動力，實現(xiàn)物料的連續(xù)輸送。
輸送機可以根據(jù)地形和工藝要求進行布置，一般可布置成水平輸送、向上直線輸
送、向上凸弧輸送、向上凹弧輸送和向下輸送等多種形式。因該帶式輸送機應用于混凝土攪拌站中對于骨料的輸送部分，故選擇單電動機、單滾筒凸凹弧的典型布置方式，如圖2所示。
圖2 帶式輸送機布置圖
Fig2 The dispose of belt conveyor
3.3 帶式輸送機的設(shè)計及計算
3.3.1 輸送能力計算
（1）
式中：Q——————輸送機的輸送能力，t/h；
q——————單位長度輸送質(zhì)量，kg/m；
S——————輸送帶上物料的最大橫截面面積，m2；
v——————輸送機運行速度，m/s；
k——————傾斜輸送機面積折減系數(shù)；
ρ——————被輸送散裝物料的堆積密度，kg/m3。
由設(shè)計要求可知，最大塊度為amax=120mm，查表初選帶寬B=650mm,帶速V=1m/s。
根據(jù)查《帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范》表3.1.3可得運行堆積角θ=15o，查《帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范》表A.1可得S=0.03763m2。輸送機在輸送方向的傾斜角度可取δ=20o，根據(jù)《帶式輸送機工程設(shè)計規(guī)范》表1，查得ρ=1200kg/m3。查表1，可得k=0.81。
帶入數(shù)據(jù)可得：
Q=3.6×0.03763×1×0.81×1200=132.72t/h
混凝土熟料的密度一般可取ρ=1.5t/m3，生產(chǎn)率的要求為120m3/h，故每小時可生產(chǎn)180t混凝土熟料,而混凝土中骨料比重占80%以上，故可視輸送機輸送骨料質(zhì)量小于但接近于170t。由此可以發(fā)現(xiàn)輸送能力不符合要求，故需調(diào)整所選數(shù)據(jù)。選取帶寬B=800mm，帶速V=1.6m/s故可查得S=0.05890m2，帶入數(shù)據(jù)可得：
Q=3.6×0.05890×1.6×0.81×1200=329.76t/h>240t/h
故帶寬B=800mm，是符合設(shè)計要求的[1][2][3]。
3.3.2 輸送帶的選用及其張力的計算
輸送帶的選用：
輸送帶作為承載構(gòu)件及牽引構(gòu)件，它不僅要具有足夠的承載能力，而且要具有足夠的抗拉強度。輸送帶由帶芯和覆蓋層組成。輸送帶的壽命由輸送帶的物料和使用條件決定，對輸送帶的要求是：
（1） 具有足夠的抗張強度和模量、伸長率低；
（2） 強度和寬度要滿足需要；
（3） 要有柔性，但伸長率有一定限制；
（4） 承載的覆蓋膠能滿足沖擊負荷的沖擊和耐磨性好，耐疲勞性高。
由此可見，選擇輸送帶的骨架層為帶式輸送機最關(guān)鍵的一步，對帶式輸送機的功能起著決定性的作用。輸送帶的類型主要有四種：普通輸送帶、鋼繩芯輸送帶、鋼絲繩牽引輸送帶及擋邊帶。此次設(shè)計選用的是普通輸送帶。
輸送帶張力的計算：
輸送帶的張力在整個長度上是變化的，其影響因素有很多，為保證其正常運行，運輸帶的張力需滿足以下兩個條件：
（1）輸送帶張力在任何負載作用下，作用到滾筒上的圓周力是通過摩擦力傳遞到輸送帶上，且保證輸送帶與滾筒間不打滑；
（2）作用到輸送帶上的張力應使輸送帶在兩組托輥間的垂度小于一定值。
為限制輸送帶在兩組托輥間的下垂度，應使作用在輸送帶上的最小張力滿足下式
(2)
其中：為托輥間距（單位：m)；
為輸送帶每米質(zhì)量；
為每米輸送物料的質(zhì)量；
g為重力加速度，取9.81N/kg；
輸送帶容許的最大下垂度應滿足h/a=0.01；
輸送帶每米質(zhì)量=[布層數(shù)×每層質(zhì)量+（上膠厚+下膠厚）×每毫米厚膠料質(zhì)量]×帶寬，即：
每米輸送物料的質(zhì)量：
(3)
（1）圓周驅(qū)動力Fu的計算
傳動滾筒上所需圓周驅(qū)動力Fu為所有阻力之和，可按以下公式計算
= (4)
當輸送機傾角=時，
對于長距離帶式輸送機，附加阻力明顯小于主要阻力，可引起系數(shù)C，來考慮阻力，它取決于輸送機的長度：
式中：C----系數(shù)，按TSO5048式（6）計算或按《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選
用手冊》表18進行查取，取C=2.4
f----模擬摩擦系數(shù)，根據(jù)工作條件及制造、安裝水平選取，參見《DT_Ⅱ型固
定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》表19進行查取，取0.022
L----輸送機長度，L=1.43m
g----重力加速度，g=9.8
---承載分支托輥每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m，見《DT_Ⅱ型固定式帶式輸
送機_設(shè)計選用手冊》第二部分型譜表6.1,6.2,經(jīng)計算，
= =18.9kg/m
---回程分支托輥每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，kg/m，見《DT_Ⅱ型固定式帶式輸
送機_設(shè)計選用手冊》第二部分型譜表6.1,6.3,6.4，經(jīng)計算，
----每米長輸送帶質(zhì)量，kg/m,取8.36kg/m
----每米長度輸送物料質(zhì)量，取=57.16kg/s
----主要阻力，N
----附加阻力
----特種主要阻力，即托輥前傾摩擦阻力及導料槽摩擦阻力，N，參見《DT_
Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》表21，計算得：=4083N
----特種附加阻力，即清掃器。卸料器及翻轉(zhuǎn)回程分支輸送帶的阻力，N，見
《DT_ Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》表21，計算得：=3360N
----傾斜阻力，N，，計算得：=3249N
所以：
=10766.7N
（2）輸送帶工作時不打滑需保持的最小張力
由《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》的公式（15）得：
(5)
按《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》公式（28）來啟動時，傳動滾筒最大圓周力：
其中取1.5
計算得：
由《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》的表22查得：
由《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》的表23查得：
所以輸送帶最大張力為：
3.4 輸送部分主要部件的選用與計算
3.4.1 驅(qū)動裝置及減速器的選取
根據(jù)帶寬和帶速在傳動滾筒可取直徑范圍內(nèi)，選取傳動滾動直徑D=800mm，查《DTII型固定式帶式輸送機設(shè)計選用手冊》得驅(qū)動裝置組合139，該組合中電動機型號Y180M-4，聯(lián)軸器 。該電動機額定轉(zhuǎn)速1470r/min，額定功率18.5kw。
帶速v=1.6m/s，又傳動滾筒的直經(jīng)D=800mm，所以可算出傳動滾筒轉(zhuǎn)速為39r/min。故傳動比約為36。查 《DTII型固定式帶式輸送機設(shè)計選用手冊》可選用三級硬齒面圓錐圓柱齒輪減速器DCY180。改減速器傳動比為37.5，公稱輸入轉(zhuǎn)速1500r/min，公稱輸出轉(zhuǎn)速42r/min。
3.4.2 托輥選擇與計算
托輥是帶式輸送機的重要部件， 托輥組的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了輸送帶和托輥所受載荷的大小和性質(zhì)。托輥在輸送機中起著支撐的作用，托輥能夠隨著輸送帶的運行而轉(zhuǎn)動，可以降低輸送機的運輸阻力。
托輥通常用無縫鋼管制成外殼，其壁厚為0.1mm，軸為20-45鋼制成，但也有使用PVC管材、玻璃鋼、橡膠、陶瓷管做外殼，后幾種的好處是耐腐蝕，不生銹，密度小。托輥軸注入長效潤滑油，保證修理前的使用期達到3年或18000h，與軸承的壽命相當。
托輥直徑的大小與帶寬及被運送物料的松散比重和塊度有關(guān)。被運物料的松散比重和塊度越大，托輥的直徑也越大。托輥直徑增大，其重量也相應增大，打同時使輸送帶的運轉(zhuǎn)條件改善，促使輸送帶的運行阻力系數(shù)減小。高速輸送機用托輥的直徑應適當增大，使托輥的轉(zhuǎn)速和震動減小，以避免軸承過早的損壞。
托輥布置的原則是使輸送帶在托輥間距所產(chǎn)生的撓度盡可能的小。一般情況下，用于輸送散狀物料的帶式輸送機，其承載段的托輥間距一般為0.8~1.5m，空載段的托輥間距一般為2~3m。并且在輸送機的特殊部位間距需要根據(jù)具體情況另外考慮，如在輸送機頭部和尾部可以安裝一組過度托輥，用來減少過渡段膠帶邊緣的應力，從而降低對膠帶邊緣的損害；另外在受料處承載托輥間距應為正常間距的二分之一，或者安裝緩沖托輥，其間距應該根據(jù)物料的松散密度、粒度及落料高度而定，一般按承載分支托輥間距的，當松散密度較大、落差較高時可取間距。
根據(jù)帶速查表，可以選取φ108mm的托輥。上側(cè)負載托輥選用35o槽式托輥，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。下側(cè)空回選用平行下托輥[4][5]。。根據(jù)輸送機長度及相關(guān)因素考慮，查表取上托輥間距l(xiāng)1=1m,下托輥間距l(xiāng)2=2m。因只有上側(cè)托輥有在和作用，故只需對上側(cè)托輥進行載荷計算并校核。
圖3 托輥形式
Fig3 Style of tuogun
上托輥所受靜載荷：
（6）
式中： a0——————托輥間距，m；
e——————輥子的載荷系數(shù)；
V——————帶速，m/s；
qB——————每米輸送帶的質(zhì)量，kg/m；
——————輸送帶的輸送能力，kg/s。
查表可得e=0.8，托輥間距為1m，帶入數(shù)據(jù)得
上側(cè)托輥所受動載荷：
(7)
式中：fs——————運行系數(shù)；
fd——————沖擊系數(shù)；
fa——————工況系數(shù)。
查表可得fs=1.1,fd=1.02,fa=1.1。帶入公式可計算得P=427N。
上托輥選用φ108mm的的槽型托輥，輥長L查《DTII型固定式帶式輸送機設(shè)計選用手冊》可知為315mm，軸承4G204，此型號軸承為舊標準，它對應的新標準為6024/C4，承載能力為2340N，遠大于理論計算載荷，故托輥的直徑選擇沒有問題。
3.4.3 滾筒選擇與計算
電動滾筒是一種將電動機和減速器共同至于滾筒體內(nèi)部的新型驅(qū)動裝置。主要應用固定式和移動式輸送機。
傳動滾筒的表面形式有鋼制光面滾筒、鑄膠滾筒等，鋼制光面滾筒主要缺點是表面摩擦系數(shù)下，所以一般用在周圍環(huán)境濕度小的短距離輸送機上。鑄膠滾筒的主要優(yōu)點是表面摩擦系數(shù)大，適用于環(huán)境濕度大、運距長的運輸機[7]。根《DTII型固定式帶式輸送機設(shè)計選用手冊》 ，此次設(shè)計的傳動滾筒直徑選用D=800mm，改向滾筒直徑選用d=400mm。由?電動滾筒設(shè)計與選用手冊?表6-3，
選電動滾筒壁厚為7mm，
滾筒直徑的驗算:
根據(jù)滾筒表面的壓強進行滾筒直徑的驗算,限制傳送帶下垂度的最小張力：
由《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》中公式（16）得承載分支：
（8）
取,
則：
由《DT_Ⅱ型固定式帶式輸送機_設(shè)計選用手冊》中公式（17）得回程分支：
其中
（9）
式中：Fmax——————最大拉力，N；
[σ]—————平均接觸面壓，對于織物帶芯取[σ]≤0.4MPa。
故取0.4MPa
帶入數(shù)字得：
故可知傳動滾筒選擇800mm是符合要求的。
3.4.4 拉緊裝置
拉緊裝置的作用是張緊輸送帶，限制輸送帶在各支撐托輥間的垂度和保證膠帶有必要的張緊力，使輸送帶與驅(qū)動裝置之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，以保證能正常進行牽引工作。
拉緊裝置有三種形式：螺桿拉緊裝置、墜重拉緊裝置及自動拉緊裝置。常用的是前兩種，這里選用墜重拉緊裝置。
拉緊力的計算：
（10）
計算得：F=4200N，由F=G=mg,則有配重重量為420kg。
3.4.5 清掃裝置
輸送帶清掃器的作用是清除輸送帶上的粘附物質(zhì)，如果不能清掃干凈輸送帶上的粘附物料，這些物料在經(jīng)過回程托輥時會被碰落并堆積，當堆積高度過高時，會與輸送帶回程所接觸，造成停機事故，同時，物料被帶到回程段時，會引起輸送帶的強烈磨損。對清掃器的要求.
（1） 能夠有效的清掃粘附物質(zhì)，不影響輸送機的正常工作；
（2） 能承受高溫且對輸送帶的損傷較??；
（3） 能夠確保與輸送帶橫截面各點相接觸。
（4） 使用簡單、維修方便；
因此，為保證帶式輸送機正常運轉(zhuǎn)，在進入增面輪之間，必須將輸送帶上的附著物清掃干凈。輸送帶清掃器安裝位置應方便使輸送帶上清掃下料溜槽來的物料能入卸內(nèi)或能方便收集起來進行處理[9]。
3.4.6 制動裝置
對于傾斜輸送物料的帶式輸送機，其平均傾角大于4o時，當滿載停車時會發(fā)生上運物料時帶的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而引起物料的堆積、飛車等事故，所以應設(shè)置制動裝置。
輸送機向上運輸時，在停車時需防止輸送帶的反向倒退，此時的制動一般稱為逆止，必須設(shè)置逆止裝置和制動裝置。傳動滾筒所需的逆止力（制動力）應按輸送機的最不利逆止工況計算。本次設(shè)計選擇制動器型號為YWZ5-250/30。
4 混凝土攪拌站攪拌系統(tǒng)設(shè)計
在此次設(shè)計中，混凝土攪拌站攪拌系統(tǒng)選用雙臥軸攪拌機。攪拌機主要由攪拌裝置、拌缸、驅(qū)動系統(tǒng)、機架等部分組成。其中攪拌裝置由兩根臥軸、攪拌臂、攪拌槳葉等部分組成，如圖4所示。拌缸由殼體、襯板、蓋板等部件組成。進料口設(shè)置在拌缸一端蓋板的上部，卸料口可設(shè)置在拌缸另一端的下部或端部[10]。
圖4 攪拌裝置
Fig4 Mixing equipment
4.1 攪拌機主要技術(shù)參數(shù)確定
4.1.1 拌缸橫截面流量
攪拌機工作時，混合料在攪拌裝置的作用下，不斷翻動、摻和，其流態(tài)非常復雜，但從宏觀上分析，由于攪拌機是連續(xù)工作的，根據(jù)連續(xù)性原理，拌缸內(nèi)各橫截面積的流量相等。其計算公式為：
（11）
式中：Q進——————進料口流量，t/h；
C———————混合料密度，t/m3；
q液——————加入拌缸的液體質(zhì)量，t/h。
假設(shè)骨料在混凝土所占比重為80%，由于攪拌機生產(chǎn)率為120m3/h，故Q進約為144t，混合料密度即為混凝土熟料密度，取C=1.5t/m3，q液約為26t，帶入數(shù)據(jù)得Q=113.3m3/h。
4.1.2 攪拌缸的有效容積
G是指在攪拌機工作時，攪拌槳葉能夠翻動、攪拌到的那部分混合料所占有的體積。此體積與拌缸的大小、槳葉結(jié)構(gòu)尺寸和安裝角度以及槳葉線速度等密切相關(guān)，不易計算。初步設(shè)計時[14]，可按下式計算：
（12）
式中：Q——————拌缸橫截面流量，m3/h；
t——————攪拌時間，h。
根據(jù)查閱資料，水泥混凝土t=40~60s，當Q大時（大于150m3/h）取大值，Q小時取小值。根據(jù)之前計算的Q值，這里t取40s，帶入公式計算得：G=1.26m3。
4.1.3 槳葉線速度
根據(jù)國內(nèi)外產(chǎn)品的經(jīng)驗，攪拌機葉片頂部線速度V應為1.5~1.7m/s。當V大于此經(jīng)驗速度時，攪拌機襯板和槳葉端部的間隙中將產(chǎn)生大量的碎石楔住現(xiàn)象，這不僅增加功率消耗和槳葉、襯板的磨損，而且會不適當?shù)姆鬯槭希档突旌狭系馁|(zhì)量。
4.2攪拌機主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1 攪拌葉片幾何尺寸計算
參考相關(guān)資料，通過計算可以確定作用于每根槳葉上的壓強為25000，G=PS=1500N。槳葉各幾何尺寸按如下公式計算：
攪拌槳葉最大旋轉(zhuǎn)半徑R
（13）
式中：W——————殼體系數(shù)；
B——————充滿系數(shù)；
W=1.1~1.4，當拌缸橫截面為雙圓弧形時，W取小值。通常B=0.8~1.0，當槳葉安裝角在40o~45o時，B取小值；其他角度時，B取大值。故W=1.1，B=0.8，帶入數(shù)據(jù)計算得：R=0.52m。
槳葉寬度W
W=(0.4~0.57)R （14）
槳葉寬度根據(jù)液體噴灑壓力取值，當噴入拌缸的液體壓力在1.5~2MPa時，W取大值；當液體自流和小壓力噴入拌缸時，W取小值[15]。本次設(shè)計中，取W=0.5R=0.26m。
槳葉高度b
b=（0.15~0.2）W （15）
b的取值方法與W相同。本次設(shè)計中，取b=40mm。
兩軸中心距a
a=R×cotA （16）
式中，A為攪拌軸中心和槳葉最大旋轉(zhuǎn)半徑焦點的聯(lián)線與攪拌軸中心水平線的夾角。查資料可知，通常取A=34o~40o。取35o，帶入數(shù)據(jù)計算得a=0.74m。
將b分為四等份，在第一、三兩根等分線上分別攻出兩個螺紋孔，孔徑為24mm，兩孔中心距52mm,對稱布置,如圖所示：
圖5 槳葉示意圖
Fig5 Stirs the leaf blade
4.2.2 拌缸幾何尺寸計算
根據(jù)設(shè)計要求，攪拌應該盡量均勻，且攪拌量應達到2，攪拌缸體采用雙缸雙軸的形式，每個缸體采用復合缸體，即由兩個圓弧形的攪拌筒和矩形支架復合，這樣既保證了攪拌的均勻性，又保證了缸體的強度、剛度。缸筒的圓弧半徑為520mm，因為骨料最大顆粒徑為120mm，攪拌主軸的半徑為100mm，若缸體半徑取太小，則對攪拌均勻度影響較大，攪拌質(zhì)量迅速下降。
(1)進料口尺寸M和N
進料口尺寸應與送料機械的卸料口相匹配。當送料機械為皮帶輸送機時，可初定N=B=0.8m，然后按下式計算M：
M=（2-4）h
式中h為輸送機橫截面料高，當皮帶機為槽型托輥時， ，其中a為槽型托輥傾角，由帶式輸送機的設(shè)計可知a=30o，帶入數(shù)據(jù)計算得：M=0.48m。
（2） 出料口尺寸E和F
如圖5所示，當攪拌機出料口設(shè)置在拌缸端部下面時，尺寸E的大小對攪拌時間有一定的影響，因此在保證出料順暢的情況下，E應盡量小。參照水力學的有關(guān)知識，E與物料粒度有關(guān)，初步設(shè)計時，按下式計算：
E=（2.5-3.5）d
式中，d為物料最大粒徑,經(jīng)計算可得E=0.36。
尺寸F的計算公式為：
F=a+2R×sinN （17）
式中：N——————物料安息角；
a——————兩軸中心距,m；
R——————槳葉最大旋轉(zhuǎn)半徑，m。
查表得混凝土熟料的安息角為30o-40o，帶入數(shù)據(jù)計算可得F=1.24m。
（3） 拌缸長度L
(18)
式中：G——————拌缸有效容積；
S1——————混合料在攪拌軸以上占有的截面面積，m2；
S2——————在攪拌軸以下混合料占有的截面面積，m2；
S1=H（2R+a），其中H是攪拌過程中，假設(shè)混合料在攪拌軸以上占有的平均高度，查資料有H=（0.25~0.4）R；故經(jīng)計算可得S1=0.28m2。當A=34o~40o時，S2=（2.94~3）R2，計算可得S2=0.8m2。則帶入全部數(shù)據(jù)，L=1.565m。根據(jù)缸體強度、剛度要求取壁厚為50mm，則缸筒總長為1.665m。
（4） 拌缸寬度K
K=a+2×R+2×C （19）
式中，C為槳葉頂部與拌缸襯板表面的間隙；根據(jù)實際應用經(jīng)驗，C=5~8mm，K=1.780m，再加上缸筒壁厚，則缸筒總寬為1880mm。
為了避免攪拌過程阻力過大，以及泄露等問題，每次攪拌不可能將缸體全部裝滿。攪拌主軸、攪拌桿、攪拌葉片等需要占用一定空間，還有兩個缸體重疊部分對體積的影響，設(shè)計缸體高為1090mm，再加上缸體底座與缸體蓋，整個攪拌機高為1392mm。
4.4.3 攪拌臂在攪拌主軸上的布置與連接
攪拌臂在主軸上若呈一字排列，容易導致應力集中，且攪拌不均勻。故讓攪拌臂在主軸上呈螺旋線排列，之前對于拌缸的設(shè)計數(shù)據(jù)可知，長寬比為0.886，長高比為1.2，屬于明顯的短寬型拌缸。經(jīng)過資料的查閱，知對于此類拌缸，單軸相鄰攪拌臂相位角取90o，雙軸攪拌臂排列形式為正正組合，攪拌臂合理數(shù)目是5個。
攪拌臂和主軸怎樣連接，一種方法是在攪拌軸上開通孔，但這樣會大大削弱軸的強度，且連接也不容易。可以把攪拌臂的一端以兩個半圓抱住攪拌桿，其中一個半圓鑄造在攪拌臂體上，另一個半圓分開鑄造，用螺栓將這兩個半圓連接，使之固定在攪拌主軸上。攪拌主軸與攪拌臂連接部位直徑設(shè)為200mm，旁邊部位直徑設(shè)為226mm，這樣就防止攪拌臂在主軸上的軸向竄動。
4.2.4 攪拌臂的設(shè)計
攪拌桿上的力對攪拌桿的作用有彎曲和剪切兩種。由前述條件可知，作用于攪拌臂上的力F=1500N，T=420，即力矩最大處=420。由于攪拌臂相當于懸臂梁，故彎曲剪力：
(20)
同時考慮彎曲作用，螺孔對桿強度的削弱作用，攪拌桿的寬度取為b=150mm，厚度h=30mm.缸的半徑為R=520mm，石子粒徑最大為D=120mm，攪拌軸軸徑為200mm,據(jù)此確定攪拌桿長度L=R-D-d/2=520-120-200/2=300mm。攪拌桿通過末端兩個半圓抱住攪拌主軸。攪拌主軸粗200mm，故實際安裝部位軸徑為200mm，確定兩個半圓內(nèi)徑均為100mm，外徑可憑經(jīng)驗取為120mm。為保證攪拌桿不相對于軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，必須有足夠的預緊力：
(21)
取摩擦系數(shù), 則 。
由于有四個螺栓同時作用，所以 每一個螺栓至少要承受的力，經(jīng)查表可得螺栓的型號為M24×85。
攪拌桿與葉片之間也采用螺栓連接，并根據(jù)葉片上已經(jīng)確定的螺紋孔位置來確定攪拌桿上螺紋孔的位置，以保證配合需要。裝配時將螺栓頭部指向攪拌方向，葉片壓于螺栓頭部之下，如下圖所示。這樣的螺栓只需要有一定的預緊力保證葉片的緊固即可，而無須承受外力，故可不用校核，亦采用M24×130的普通螺栓。如圖所示：
圖6 攪拌臂示意圖
fig6 Schematic the stirring arm
4.2.5 攪拌軸設(shè)計
P1=P×η12×η2 （22）
式中： P——————電機功率，kw；
η1——————聯(lián)軸器的效率；
η2——————減速器的效率；
已知電機的功率為18.5kw，聯(lián)軸器的效率為0.99，減速器的效率為0.91。帶入數(shù)據(jù)計算得P1=17.85kw。
選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。軸徑的估算公式為：
（23）
式中：P1——————軸傳遞的功率，kw；
n——————軸的轉(zhuǎn)速；
A——————取決于軸材料的許用扭矩切應力的系數(shù)，取A=115；
帶入數(shù)據(jù)得d≥91.6mm。此為軸的最小軸徑，但考慮到在混凝土攪拌中，軸的四周為攪拌低效區(qū)，如果軸徑太小，則軸與槳葉之間的距離增大，攪拌低效區(qū)過大，則會出現(xiàn)裹軸的現(xiàn)象，即攪拌物粘著在攪拌軸上。故本次設(shè)計中，軸徑最小部分取200m。軸的整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。軸中間區(qū)域的5段直徑200mm的地方安裝攪拌臂，安裝相位角為90°。在軸上選用軸承型號為200KBE3201+L，內(nèi)徑為200mm，外徑為320mm，寬度為142mm的復合圓錐滾子軸承。
圖7 攪拌軸
Fig7 The mixing axis
(1)圓軸扭轉(zhuǎn)角的計算和校核
經(jīng)判斷，危險截面出現(xiàn)在直徑最小的軸段上，即直徑為200mm的軸段，故取直徑最小的軸段進行扭轉(zhuǎn)剛度校核，校核過程如下：軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示。圓軸扭轉(zhuǎn)角的計算公式為
（24）
式中：T----軸所受到的扭矩，Nmm；
G----軸的材料剪切彈性模量，MPa，對于鋼材，；
Ip---軸截面的極慣性矩，，對于圓軸，；
（25）
式中： =17.85kw；n=40r/min；
計算得：T=Nmm
又有公式 ，其中d=200mm；
計算得： =
故經(jīng)計算
=0.45<[]
其中，對于一般傳動軸，可取[]=0.5---1（）/m
（2）軸的強度應力計算及校核
對軸進行力學分析，首先做出受力分析圖，因為軸上相鄰兩葉片之間夾角為,所以可假設(shè)將第1、3、5個葉片看成水平布置，第2、4個葉片看成是豎直布置，故其受力分析圖如下圖所示
由 得：
由 得：
由 得：
由 得：
又因為 (26)
同理可以求出
所以 ,，，，
,,
從而可以求出軸各處的彎矩：
圖8 攪拌機主軸受力分析及載荷圖
Fig8 Blender spindle force analysis and the load diagram
通過以上所做分析，畫出軸的彎矩和扭矩圖，從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖可知：
第四根攪拌桿處截面是危險截面，第四根攪拌桿處總彎矩為：
軸的強度校核：
軸的強度校核通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩截面（即第四根攪拌桿）的強度。
根據(jù)設(shè)計資料和求得的數(shù)值，并a=0.6.
軸的計算應力：
其中
所以：
前面已選定軸的材料為45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表得：
故：
所以經(jīng)校核后符合條件，安全。
4.3 攪拌機驅(qū)動部分選擇
4.3.1 驅(qū)動電機選型
由于連續(xù)式混凝土攪拌機從結(jié)構(gòu)上看，主要就是依靠電機的旋轉(zhuǎn)，帶動減速機的轉(zhuǎn)動，進而帶動攪拌軸的旋轉(zhuǎn)。因此，電機是整個裝置的動力元件。由于在露天工作，工作時灰塵較多，土揚水濺的工作場合。在攪拌的過程中，由于混凝土在不斷的攪拌過程中消耗動力，因此連續(xù)式混凝土攪拌機的生產(chǎn)能力決定著電機的功率。此處電動機選型計算不詳細涉及功率計算，而依據(jù)工作裝置轉(zhuǎn)速進行電機選型。異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、工作效率高、重量較輕、成本較低、負載特性較硬等特點，是應用較廣、需求較多的一類電機。綜合考慮各個條件，暫選電機為Y180M-4型電機。查表知該電機功率為18.5KW。轉(zhuǎn)速為1470rad/min。效率為90％ ,最大轉(zhuǎn)矩為2.2KNm。
4.3.2 減速器選型
由于混凝土攪拌機在攪拌時，為了使混凝土攪拌的比較均勻，攪拌軸的轉(zhuǎn)速不宜過快。但考慮到該機器的生產(chǎn)能力，攪拌軸的轉(zhuǎn)速又不可太慢。綜合考慮一下，參考其它機器的轉(zhuǎn)速，該攪拌軸的轉(zhuǎn)速在40rad/min左右。通過查表知暫選減速器的型號為ZSY224。額定功率為64KW。
4.3.3 聯(lián)軸器選擇
由于電機與減速器和減速器與攪拌軸之間需要傳遞扭矩和運動，因此需要聯(lián)軸器來保持它們一同回轉(zhuǎn)而不脫開。
由于凸緣聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本較低，裝拆、維護簡便，可傳遞大扭矩。因此，我們可以選擇該聯(lián)軸器作為該機器的聯(lián)軸器。由于電機和減速器已經(jīng)選定，減速器連接的軸已經(jīng)確定。因此聯(lián)軸器的基本尺寸參照機械零件設(shè)計手冊，可以確定下來。然后根據(jù)安裝和配合需要的尺寸，來確定最終的加工的大小和尺寸[17]。
4.4 攪拌系統(tǒng)密封件和潤滑的設(shè)計和選擇
由于本次設(shè)計針對的是工程機械，工作環(huán)境惡劣，所以密封必須嚴格，否則會導致軸過快磨損，影響功能的實現(xiàn)。最外面的密封是以端蓋密封，用以阻擋大顆粒雜質(zhì)進入，根據(jù)缸體和軸的設(shè)計，確定厚度為50mm，并在25mm處有一個階梯。第二道密封是選擇橡膠密封圈，阻擋微小顆粒和水進入。第三道是氈圈密封，是最后一道密封。密封與密封之間以墊圈確定相對 位置。在缸體外部的端蓋上離中心20mm處，開兩個對稱的圓孔，用來安裝油管。
攪拌部分潤滑條件是高負荷、高壓力、低轉(zhuǎn)速，并要求耐一定的潮濕，故選用石墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）。
5 結(jié)論
在本次混凝土攪拌站的設(shè)計中，輸送系統(tǒng)采用帶式輸送機，方案簡單易行，性價比高，后期維護簡單。在設(shè)計過程中由給定的生產(chǎn)力計算骨料輸送量，進而對帶寬、帶速進行選擇并計算校核，之后選取了各種托輥、傳動滾筒、轉(zhuǎn)向滾筒等部件的型號，最后完成對驅(qū)動電機、減速器、聯(lián)軸器的選取，從而完成對輸送機的設(shè)計。
攪拌系統(tǒng)采用強制式雙臥軸攪拌機，由生產(chǎn)率這一給定條件，對攪拌機進行由外到里的設(shè)計，先確定攪拌缸的容積和相關(guān)數(shù)據(jù)，在進一步對拌缸里面的攪拌軸、攪拌臂、槳葉進行設(shè)計計算。最后選取驅(qū)動電機、減速器、聯(lián)軸器、軸承等部件，并進行相關(guān)的校核，從而完成對攪拌裝置的設(shè)計。
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