工程機(jī)械設(shè)計(jì)課件-穩(wěn)定土拌和機(jī)總體設(shè)計(jì)

第10章穩(wěn)定土拌和機(jī)第一節(jié)分類(lèi)與工作原理第二節(jié)總體設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的確定第三節(jié)性能分析與使用技術(shù)第一節(jié)分類(lèi)與工作原理一、分類(lèi)、特點(diǎn)及適用范圍

穩(wěn)定土拌和機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣。按行走方式可分為履帶式和輪式。按轉(zhuǎn)子旋向可分為正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，按工作裝置安裝方式可分為后置式（后懸掛）、中置式（中懸掛）和拖式以及半懸掛式等等。二、主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1．總體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2．車(chē)架

后置機(jī)型車(chē)架為水平整體式剛性結(jié)構(gòu)，與后橋間為剛性聯(lián)接，與前橋通過(guò)前后向水平銷(xiāo)鉸聯(lián)接。車(chē)架縱向大梁用鋼板壓制或用槽鋼制作，根據(jù)強(qiáng)度和剛度需要可考慮為箱形結(jié)構(gòu)。最前方橫梁裝置配重箱，配重箱內(nèi)多用鑄鐵塊或水泥塊填充，其形狀和體積由整體造型和配重量決定。后部橫梁為后置式工作裝置的懸掛處，一般多作成三角形斷面，因而又稱(chēng)為三角梁。為保證車(chē)架有良好的剛度和足夠的強(qiáng)度，其主要部分均取材16Mn。3.中置機(jī)型轉(zhuǎn)向橋

中置機(jī)型的后橋?yàn)閿[動(dòng)轉(zhuǎn)向橋，橋體即為一副車(chē)架，可繞車(chē)架前后方向的水平銷(xiāo)鉸左右上下擺動(dòng)，以調(diào)整機(jī)器作業(yè)面。后輪位于垂直轉(zhuǎn)向立銷(xiāo)內(nèi)側(cè)，通過(guò)橫拉桿帶動(dòng)立銷(xiāo)實(shí)行后輪轉(zhuǎn)向。

4．輪胎形式后驅(qū)動(dòng)輪以超低壓超寬基林業(yè)用牽引胎為宜，前轉(zhuǎn)向輪以中低壓縱槽紋導(dǎo)向胎為宜。選用上述輪胎可以大大提高機(jī)器在松軟地段或沙漠地段拌和作業(yè)的牽引通過(guò)能力。

5．制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定土拌和機(jī)行走系統(tǒng)為閉式液壓驅(qū)動(dòng)，加之行駛速度較低，利用液壓系統(tǒng)本身即可完成制動(dòng)。

6．行走系統(tǒng)

穩(wěn)定土拌和機(jī)因其特殊的性能要求，其行走系統(tǒng)除早期采用機(jī)械傳動(dòng)方式外，現(xiàn)代機(jī)型上幾乎都采用液壓傳動(dòng)方式。下圖：1——集成變量泵，2——集成定量馬達(dá)，3——變速箱，4——中傳動(dòng)，5——驅(qū)動(dòng)輪，6——輪邊減速器。

7．液壓動(dòng)力傳動(dòng)方式

發(fā)動(dòng)機(jī)與諸液壓泵的傳動(dòng)有3種形式：（1）行走泵由發(fā)動(dòng)機(jī)前端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)；（2）轉(zhuǎn)子泵由飛輪直接輸出驅(qū)動(dòng)；（3）輔助泵由發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪室直接驅(qū)動(dòng)，用于轉(zhuǎn)向、舉升、尾門(mén)開(kāi)閉、液體料灑布等，有單泵分流工作和多泵獨(dú)立工作兩種方式。這種傳動(dòng)方式最為簡(jiǎn)單合理，國(guó)外機(jī)型采用較多，只是發(fā)動(dòng)機(jī)前端有輸出時(shí)風(fēng)扇位置及發(fā)動(dòng)機(jī)前端配置的水及液壓油散熱器均需上移。

（2）轉(zhuǎn)子液壓傳動(dòng)方式下圖：1——集成液壓泵，2——補(bǔ)油閥組，3——轉(zhuǎn)子，4——節(jié)流閥，5——轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)。

8．后置式工作裝置結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)書(shū)中圖2-2-6（P163），主要由轉(zhuǎn)子、罩殼和升臂組成。

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轉(zhuǎn)子常用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式：a)刀盤(pán)式，b)刀臂式，c)鼓式。1-管軸，2-刀盤(pán)，3-刀庫(kù)，4-刀具，5-刀臂，6-圓鼓。常用刀具形式：a)刀盤(pán)式，b)刀臂式，c)鼓式，d)子彈刀，e)彎刀。9．中置式工作裝置

11．拌深指示裝置拌深指示裝置有手動(dòng)操縱和自動(dòng)控制兩種方式。手動(dòng)操縱由司機(jī)目測(cè)深度指示刻度，操縱舉升油缸控制拌深到需要位置，這一方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，目前國(guó)內(nèi)外穩(wěn)定土拌和機(jī)上多已采用。

12．液體料噴灑系統(tǒng)穩(wěn)定土拌和機(jī)在施工中，有時(shí)需要加入液體穩(wěn)定劑如乳化瀝青等，有時(shí)為防止灰土污染或保證土壤合適的含水量需要噴灑水，為此，現(xiàn)代穩(wěn)定土拌和機(jī)多配帶有液體料噴灑裝置。

多功能拌和/再生技術(shù)簡(jiǎn)介

第二節(jié)總體設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的確定一、主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定進(jìn)行穩(wěn)定土拌和機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要確定的主要參數(shù)有：進(jìn)距、拌和檔和運(yùn)輸檔行走速度、轉(zhuǎn)子圓周速度、整機(jī)重量、前后橋荷分配、拌和寬度、拌和深度、轉(zhuǎn)子半徑等。1．進(jìn)距的確定λ——進(jìn)距，m；S——進(jìn)距，m；U——進(jìn)距，m/s；ω——進(jìn)距，s-1；U0——進(jìn)距，m/s；R——轉(zhuǎn)子半徑，m；考慮相鄰軌跡不相交的極限情況質(zhì)量控制線方程—圓周速度與進(jìn)距可選工作范圍為一直線。

2．行走速度的確定

穩(wěn)定土拌和機(jī)有低速拌和作業(yè)和高速運(yùn)輸作業(yè)兩種工況，因此需有相應(yīng)的檔位與之適應(yīng)。。對(duì)低速檔位速比要求：對(duì)應(yīng)于0.5~1.5km/h的拌和速度，變理泵排量為總排量的15%~50%；變量泵全排量時(shí)低速檔速度達(dá)3.0~3.5km/h為宜。速度設(shè)置過(guò)低雖有利于拌和作業(yè)的低速穩(wěn)定性，而變量泵有可能進(jìn)入10%排量以下工作，而此時(shí)其效率降低，性能惡化。高速檔速度以20~25km/h為宜，速度過(guò)高因顛簸過(guò)大而無(wú)法行走。3．圓周速度的確定

圓周速度也是一個(gè)對(duì)上述各項(xiàng)指標(biāo)有著重大影響的參數(shù)，其選擇受到進(jìn)距S值約束，應(yīng)以式（2-3）作為選擇依據(jù)。一般選用較高的圓周速度，這樣可以允許以較大的進(jìn)距工作，保證有較高的生產(chǎn)率，盡管比能耗較大，但可以利用寬度較小的轉(zhuǎn)子來(lái)容納較大的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高機(jī)器的功率重量比，增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性?，F(xiàn)代大功率穩(wěn)定土拌和機(jī)取~9m/s，有時(shí)達(dá)10m/s，S=30~40mm是比較適宜的。4．整機(jī)質(zhì)量與橋荷

后置式由于后懸較大易使重心后移，需加配重調(diào)整。一般應(yīng)保證前橋靜負(fù)荷為整機(jī)質(zhì)量的（30±2）%。

中置式同樣要求后支承橋荷不小于整機(jī)質(zhì)量的30%。由于中置式機(jī)型工作裝置位于兩橋之間，只要各部件設(shè)計(jì)合理一般不加配重即可滿(mǎn)足這一要求。

關(guān)于整機(jī)質(zhì)量，由于穩(wěn)定土拌和機(jī)工作時(shí)要克服轉(zhuǎn)子切削力的水平分力和輪胎的滾動(dòng)阻力，但由于其牽引力與同樣功率的牽引型機(jī)械相比，僅為其20%左右，因此穩(wěn)定土拌和機(jī)的整機(jī)質(zhì)量?jī)H為一種結(jié)構(gòu)質(zhì)量，滿(mǎn)足整機(jī)穩(wěn)定性要求后應(yīng)越小越好。

5．拌和寬度及深度

轉(zhuǎn)子的最大拌和深度由施工工藝要求和發(fā)動(dòng)機(jī)功率決定。國(guó)產(chǎn)中小功率穩(wěn)定土拌和機(jī)一般最大拌深為200~300mm，而大功率穩(wěn)定土拌和機(jī)可達(dá)400mm。這一深度主要考慮到現(xiàn)有壓實(shí)機(jī)械對(duì)拌和材料的壓實(shí)能力。一般施工中多使用250~300mm的拌深進(jìn)行多層作業(yè)。近年來(lái)國(guó)外一些大功率穩(wěn)定土拌和機(jī)拌和深度可達(dá)600mm，這主要用于土壤改良的特殊作業(yè)。

拌和寬度也是一個(gè)十分重要的參數(shù)。確定拌和寬度應(yīng)從以下因素考慮：（1）要求拌和寬度與路面寬度相適應(yīng)，即考慮兩幅拌寬之間必要的重合（一般為50~100mm）后要求以整數(shù)幅拌完整個(gè)路面。（2）要求拌寬應(yīng)超過(guò)輪胎壓痕外沿寬度，這樣可以使機(jī)器始終在未拌和的硬土層上行走。但由于輪胎外沿較寬，常用的輪距為2000~2200mm，輪胎外沿達(dá)2500~2600mm，如使拌寬接近輪胎外沿寬度對(duì)后置機(jī)型來(lái)說(shuō)，工作裝置質(zhì)量和配重將大大增加，從而影響橫向穩(wěn)定性。此外，裝于轉(zhuǎn)子外部的低速大扭矩馬達(dá)也將大大超寬，通過(guò)性能變壞，行走不便。（3）希望通過(guò)增加拌和寬度增加轉(zhuǎn)子工作容量，依此來(lái)提高作業(yè)生產(chǎn)率。實(shí)際上對(duì)一確定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，在一定的作業(yè)參數(shù)條件下僅與唯一的轉(zhuǎn)子容量（拌寬與拌深乘積即拌和橫斷面積）相適應(yīng)。增加轉(zhuǎn)子容量必須降低行走速度來(lái)減小進(jìn)距以求動(dòng)力適應(yīng)，其結(jié)果仍將保持大致不變的作業(yè)生產(chǎn)率。

6．轉(zhuǎn)子半徑R的確定

試驗(yàn)和分析表明：在拌和深度、進(jìn)距S和圓周速度不變情況下（作業(yè)質(zhì)量不變），隨比值H/R增大，比能耗降低，生產(chǎn)率提高。這主要是由于轉(zhuǎn)子半徑減小后切削路程變短且轉(zhuǎn)子上拋土壤能力增加使轉(zhuǎn)子前方堆積物料減少（反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子）。此外，小半徑轉(zhuǎn)子可以降低轉(zhuǎn)子軸扭矩，減小其傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷，同時(shí)減小了結(jié)構(gòu)尺寸，這一切都將有利于降低整機(jī)質(zhì)量和造價(jià)，提高機(jī)動(dòng)性。轉(zhuǎn)子半徑的最小值為：當(dāng)轉(zhuǎn)子在較硬土壤上工作時(shí)（此時(shí)并不是轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中的最大深度），軸端的大臂或其它傳動(dòng)元件以不碰撞土面為好，而在較松軟土壤以額定拌深工作時(shí)，可以考慮在軸端傳動(dòng)元件前加裝一開(kāi)溝器，利用開(kāi)溝器在松土中開(kāi)出的溝槽讓傳動(dòng)元件下入溝中，這樣將有利于減小轉(zhuǎn)子半徑。7．拌和機(jī)綜合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

良好的總體設(shè)計(jì)參數(shù)可以保證拌和機(jī)工作中有合格的作業(yè)質(zhì)量，有最優(yōu)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)率。取比能耗作為動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，即：二、拌和機(jī)功率的合理匹配與選擇1．整機(jī)功率的合理匹配與計(jì)算（1）操縱系統(tǒng)

包括轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)子舉升及尾門(mén)開(kāi)閉。轉(zhuǎn)子舉升和尾門(mén)開(kāi)閉僅在轉(zhuǎn)子開(kāi)始切土和結(jié)束切土?xí)r進(jìn)行，拌和作業(yè)中不再動(dòng)作；轉(zhuǎn)向在拌和中也只是偶爾進(jìn)行。測(cè)試表明：這部分功率約為3~5kW，約為總功率的2%~3%，當(dāng)配帶液體料噴灑裝置時(shí)另計(jì)，除去這部分消耗的功率稱(chēng)為凈功率。（2）行走和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

由于土壤條件、拌和深度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常變化，因此行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)功率比值也在不斷變化。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：正常運(yùn)行狀態(tài)下（U=0.5~1.5km/h，U0=8~9m/s），反轉(zhuǎn)時(shí)行走功率約為凈功率的15%~25%，轉(zhuǎn)子功率為75%~85%；而正轉(zhuǎn)時(shí)行走功率約5%~15%，轉(zhuǎn)子功率為

85%~95%。

比功率：統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：現(xiàn)代大功率穩(wěn)定土拌和機(jī)為提高作業(yè)生產(chǎn)率和機(jī)動(dòng)性，對(duì)拌和轉(zhuǎn)子，Pb為180~200kW/m2。在這樣的比功率條件下，可以保證機(jī)器按U=8~9m/s，U0=0.5~1km/h的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在全拌深條件下工作。式中：PH——發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，KW；

B——轉(zhuǎn)子寬度，m；H——拌和深度，m；2．拌和作業(yè)過(guò)程中的功率及載荷自動(dòng)控制方式

所謂載荷調(diào)節(jié)及控制，就是有效地調(diào)整行走速度為需要值，使行走和轉(zhuǎn)子兩系統(tǒng)在合理的參數(shù)條件下工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力得到充分發(fā)揮而又不超載，同時(shí)保證了拌和質(zhì)量。因此也可稱(chēng)作為功率自動(dòng)分配。利用行走速度調(diào)節(jié)載荷時(shí)，轉(zhuǎn)子圓周速度有兩種情況：一是圓周速度保持不變，這一方法在硬土條件下利用較高的圓周速度和小進(jìn)距有利于提高作業(yè)質(zhì)量。此外這種方法只有單一調(diào)節(jié)元件、實(shí)施方便、成本低廉。二是在調(diào)整行走速度的同時(shí)，相應(yīng)改變圓周速度，以使機(jī)器有較高的功率利用率。（1）電液控制方式——過(guò)程測(cè)控方式

這是一種在行走速度調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)子圓周速度亦不斷調(diào)整的一種全過(guò)程控制，適合于全液壓穩(wěn)定土拌和機(jī)采用。首先確定液壓系統(tǒng)的匹配參數(shù)。取極限工況（u→0，行走功率Px→0）為轉(zhuǎn)子液壓泵和馬達(dá)的匹配工況，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為額定工況，稱(chēng)之為轉(zhuǎn)子全功率匹配。不考慮管路壓力損失，則有：根據(jù)上式即可確定轉(zhuǎn)子泵與馬達(dá)排量。比較

是否小于0.97

PH（2）轉(zhuǎn)速控制方式Ⅰ設(shè)計(jì)

行走PX和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)PN功率：

（3）轉(zhuǎn)速控制方式Ⅱ設(shè)計(jì)

這種控制方式的基本原理與上述Ⅰ方式基本相同，都是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為信號(hào)控制行走速度，達(dá)到調(diào)節(jié)載荷之目的。其區(qū)別僅在于方式Ⅱ不是將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)換為變量泵伺服控制壓力，而是將其轉(zhuǎn)換為成比例的電壓或電流，以此來(lái)控制電液比例泵的排量。（4）壓力補(bǔ)償控制方式設(shè)計(jì)

三、牽引計(jì)算臨界狀態(tài)

近似取工作阻力

四、工作裝置設(shè)計(jì)1．工作裝置的作用力計(jì)算

機(jī)械傳動(dòng)

液壓傳動(dòng)

2．轉(zhuǎn)子及其刀具參數(shù)設(shè)計(jì)(1)轉(zhuǎn)子有刀盤(pán)式、刀臂式和鼓式幾種，其中刀盤(pán)式轉(zhuǎn)子制造方便，只要將各個(gè)刀盤(pán)錯(cuò)開(kāi)一定角度即形成需要之刀具排列，因而國(guó)內(nèi)外拌和機(jī)拌和轉(zhuǎn)子多采用這種方式。

（2）刀具的切削角度（切削后角）對(duì)破碎粒度和切削阻力都有重要影響。在30°~45°范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生最好的破碎效果，而比能耗卻隨切削角增加而增大。綜合考慮這兩種因素以及考慮不應(yīng)使刀具背部及刀庫(kù)等在切削中與工作面磨擦，一般取切削角為40°~45°較好。（3）刀具排列方式

刀具在轉(zhuǎn)子上的排列會(huì)影響到轉(zhuǎn)子扭矩的變化和拌和機(jī)作業(yè)行走的穩(wěn)定性，一般應(yīng)根據(jù)下列原則布置：①全部刀具按等角距布置，任何瞬時(shí)只有一把刀具開(kāi)始切削，以保證載荷平穩(wěn)。②相鄰刀盤(pán)上（非刀排）相繼切削的兩把刀相位間距（稱(chēng)為鄰刀間距）應(yīng)盡可能大（最小應(yīng)大于12°）。以避免夾石夾土。③盡量使刀具左右對(duì)稱(chēng)排列，以消除橫向扭矩，保持機(jī)器前進(jìn)方向的穩(wěn)定性及拌深穩(wěn)定性。近似對(duì)稱(chēng)（人字形）的多頭螺旋線排列方式可同時(shí)滿(mǎn)足上述條件。3．罩殼形狀的設(shè)計(jì)

（1）頂壁高度

頂壁高度KD為罩殼關(guān)鍵參數(shù)之一，增加頂壁有助于降低堆料高度。頂壁高度的最大值應(yīng)小于物料自C點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行拋射運(yùn)動(dòng)所上升的最高距離，以使物料拋射后經(jīng)與頂壁碰撞達(dá)到破碎、混合之目的。在此范圍內(nèi)只要結(jié)構(gòu)及造型許可應(yīng)盡量加大頂壁高度。頂壁高度的最小值應(yīng)保證當(dāng)轉(zhuǎn)子升起、拌和機(jī)在運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子與頂壁及后壁圓弧區(qū)的最小距離不小于100mm，頂壁高度及轉(zhuǎn)子直徑確定之后，轉(zhuǎn)子前方的物料堆積高度就基本確定且與拌深無(wú)關(guān)。

（2）前壁設(shè)計(jì)前壁EF后方為物料拋射運(yùn)動(dòng)的空間通道，其傾角與CD線傾角一致為好，這樣可以保證拋射物料運(yùn)動(dòng)不受阻礙。若前壁傾角小于CD傾角，則易使拋射之物料在未達(dá)頂壁時(shí)與前壁碰撞落于轉(zhuǎn)子前方。前壁傾角過(guò)大則無(wú)意義且結(jié)構(gòu)龐大。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，前壁與轉(zhuǎn)子間距離以200~300mm為宜，過(guò)小則產(chǎn)生摩擦阻力，過(guò)大則結(jié)構(gòu)龐大。此外，前壁下方F點(diǎn)與C點(diǎn)平齊為宜。（3）料室設(shè)計(jì)FC下方為物料堆積室，為使轉(zhuǎn)子有最小的功率消耗，該料室形狀和體積設(shè)計(jì)應(yīng)保證轉(zhuǎn)子在工作中對(duì)物料施加作用時(shí)物料在料室內(nèi)能自由運(yùn)動(dòng)而不受擠壓。為此要求前封板GF與水平面夾角（F點(diǎn)已預(yù)先確定）應(yīng)小于物料的運(yùn)動(dòng)安息角，以保證前封板不與物料接觸，一般為30°~40°，取15°~25°為為宜。（4）后壁設(shè)計(jì)后壁只要能夠形成必要的儲(chǔ)料空間即可，寧大勿小，一般根據(jù)造型需要設(shè)計(jì)。第三節(jié)性能分析與使用技術(shù)一、影響土壤破碎程度和拌和均勻性的因素當(dāng)?shù)毒卟迦胪寥滥阁w分離切屑時(shí)，刀具的刃面拍擊和擠壓前方的土壤并彎曲切屑，使切屑剪斷、折斷和破碎，稱(chēng)之為第一次破碎。第一次破碎隨著切屑厚度減小和刃面前方擠壓和拍擊作用加強(qiáng)而增大，它在土壤的整個(gè)破碎過(guò)程中占主要地位。土壤在拋擲過(guò)程中互相碰撞、和罩殼碰撞以及碰落后由后繼刀具再次破碎稱(chēng)之為第二次破碎，其作用將隨著拋擲速度增大而加強(qiáng)。由于減小進(jìn)距S將直接減小切屑厚度，增大切削角將加強(qiáng)刃面對(duì)前方土壤的擠壓和彎曲作用，增大圓周速度將加強(qiáng)刀具分離切屑的拍擊作用，同時(shí)增大拋擲土塊的碰撞能量，因而將成為影響破碎程度的主要因素。拋擲速度較小則分離作用減弱。因此是影響拌和均勻性的