基于solidworks的混凝土输送罐翻转卸料功率计算

罗 会 文

(长沙远大住宅工业集团股份有限公司，湖南 长沙 410013)



·机械与设备·

基于solidworks的混凝土输送罐翻转卸料功率计算

罗 会 文

(长沙远大住宅工业集团股份有限公司，湖南 长沙 410013)

为了求得混凝土输送罐罐体翻转卸料功率，对罐体翻转阻力矩进行了分析研究，并结合solidworks软件，提出了一种计算罐体翻转阻力矩和翻转功率方法，解决了罐体翻转卸料所需合适功率的选取问题。

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1 概述

当前装配式集成建筑的预制构件生产工厂内，需配置混凝土输送设备，多为罐体式输送小车，由减速机直接驱动罐体翻转卸料，结构如图1所示。设计时需确定翻转功率，以便选用合适减速机。要求翻转功率，就需知道翻转力矩最大值。其翻转力矩由三部分组成，即罐体力矩、罐体内腔与混凝土之间摩擦力矩和结构摩擦力矩。其中，尤以罐体与混凝土之间摩擦力矩计算最难。实际中多用实验法来确定此功率，但利用solidworks软件的强大功能，并结合手算，计算就会变得方便，且精度高。

2 实验法确定翻转功率

先凭经验预选一种功率稍大的减速机实验，并测量翻转过程中电机电流值，把测得电流值与额定值比较来逐步优化电机功率，直至得到合适值。

3 翻转功率计算法

3.1 罐体翻转力矩计算

1)罐体力矩计算。

罐体容量3 m3，材料Q235。依据罐体尺寸，以完整圆柱形罐体形心为坐标原点，用solidworks对罐体建模，如图2所示。

利用罐体模型的质量属性，可得罐体质量683.38 kg，初始重心坐标(0，-152.15，0)。在solidworks中以罐体轴心线翻转，每翻转10°，同样确定此状态下重心，其z轴坐标即为力臂，重量不变。M罐体=G罐体·L，其中，M罐体为罐体力矩；G罐体为罐体重量，G罐体=6 703.96 N；L为力臂。据此可求得罐体在0°～180°间翻转各角度时罐体力矩如表1所示。

表1 罐体力矩值

2)罐体与混凝土之间摩擦力矩计算。

此摩擦力矩主要与混凝土坍落度、罐体翻转转速、罐体内混凝土量有关。由solidworks模拟可知，翻转角度在6°～132°间为卸料阶段，同时在卸料过程中混凝土液面基本保持水平(实际中角度很小)。根据文献[1]，用积分法并结合solidworks模拟各翻转角度时混凝土形状来计算此摩擦力矩。现以翻转角度0°～6°时计算。

a.罐体与混凝土内壁周向摩擦力矩。

设混凝土与罐体内腔单位摩擦力为f。

f=k1+k2×V。

k1=(3-0.1×s)×9.8×10-2=0.292 kN/m2。

k2=(4-0.1×s)×9.8×10-2=0.39 kN/m2。

其中，k1为粘着系数，kN/m2；k2为速度系数，kN/m2；V为混凝土线速度，m/s；s为混凝土坍落度，取160 mm。

如图3所示，罐体内壁与混凝土周向摩擦力矩：

M周摩=f×S×R=(k1+k2×V1)×S×R=2 033.85 Nm。

b.混凝土与罐体内壁两端面摩擦力矩。

当混凝土与罐体内壁端面接触面积大于半圆时，采用整圆面积减去没有混凝土接触的弓形面积来计算接触面积；当接触面积小于半圆时，直接计算此弓形面积即可。

完整圆柱形罐体端面摩擦力矩，如图4所示，从罐体端面上取出一环形微面积元ds=2πrdr，其摩擦力为dFf=fds，对翻转轴线的摩擦力矩为dMf=rdFf；M圆端摩依文献[2]积分可得：

没有混凝土接触的罐体端面弓形面积摩擦力矩,如图5所示，从弓形上取出一环形缺微面积元：

其摩擦力为：

dFf=fds。

对翻转轴线的摩擦力矩为：

dMf=rfds。

M弓端摩依文献[2]积分可得：

则：

M端摩=M圆端摩-M弓端摩=511.76 Nm。

罐体与混凝土之间的总摩擦力矩。

M罐摩=M周摩+M端摩=2 545.61 Nm。

在solidworks中，以罐体每10°翻转，并模拟出此时混凝土形

状，用上述方法或用matlab编程就可求得各翻转角度时的M罐摩如表2所示。

表2 各翻转角度M罐摩结果表

3)结构摩擦力矩。

按未卸料时最大摩擦力矩状态来计算：

其中，G罐体为罐体重量；G混凝土为混凝土重量，70 632N；G半轴及螺栓为罐体两端半轴及螺栓重量，1 884.43N；μ为滚动轴承摩擦因数，取μ=0.05；d为滚动轴承内、外径平均值，167.5mm。

4)罐体翻转力矩计算。

罐体翻转力矩：M翻=M罐体+M罐摩+M结摩，结果如表3所示，各力矩曲线图如图6所示。

表3 罐体翻转力矩结果表

角度/(°)061020304050607080M翻/Nm2877.352986.222971.382935.492890.412840.562749.882646.52514.922351.8角度/(°)90100110120132140150160170180M翻/Nm2156.831918.341714.41446.411088.28986.85841.44680.48508.86331.74

3.2 罐体翻转功率计算

按上述求得数据，再根据系统总效率，依文献[3]即可求得罐体翻转所需功率：

其中，M翻为罐体最大翻转力矩，2 986.22Nm；n为罐体转速；C为考虑启动时的峰值系数，取1.4；η为机械效率，取0.8。

4 结语

用实验法确定翻转功率，费时费财，且只能得出大致结果，没有有效计算方法时还是可取的；用积分法虽较复杂，但结果比较精确，可作为设计参考依据。本混凝土罐体输送小车，实验法确定翻转功率约2.2kW～3kW，实际使用选取4kW，从使用情况看是偏大的，改用2.2kW应该没问题。

[1] 王道峰，郭景全.混凝土搅拌输送车搅拌筒驱动阻力矩和驱动功率的计算[J].筑路机械与施工机械化，2004(5)：39-41.

[2] 同济大学数学系.高等数学(上册)[M].第6版.北京：高等教育出版社，2007.

[3] 成大先.机械设计手册(第1卷)[M].第5版.北京：化学工业出版社，2008.

The concrete transfer pot turning discharge power calculation based on solidworks

Luo Huiwen

(ChangshaYuandaResidentialIndustrialGroupLimitedCompanybyShare,Changsha410013,China)

In order to obtain the concrete transfer pot turning discharge power, this paper analyzed and researched the pot turning resistance, combining with the solidworks software, put forward a calculation method of pot turning resistance moment and turning power, solved the appropriate power selection problem of pot turning discharge.

concrete transfer pot, solidworks, turning angle, turning resistance distance, turning power

1009-6825(2016)22-0209-02

2016-05-23

罗会文(1971- )，男，工程师

TU732

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