风能混凝土搅拌机结构设计【风力搅拌机的结构设计】
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大 连 大 学本 科 毕 业 论 文 (设 计 )开 题 报 告论 文 题 目 : 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 结 构 设 计学 院 : 机 械 工 程 学 院 专 业 、 班 级 : 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 机 英 145学 生 姓 名 : 张 洪 业指 导 教 师 ( 职 称 ) : 王 建 维 ( 副 教 授 )2018 年 1 月 12 日 填 1 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 开 题 报 告 要 求开 题 报 告 既 是 规 范 本 科 生 毕 业 论 文 工 作 的 重 要 环 节 , 又 是 完 成 高 质 量 毕 业 论 文( 设 计 ) 的 有 效 保 证 。 为 了 使 这 项 工 作 规 范 化 和 制 度 化 , 特 制 定 本 要 求 。一 、 选 题 依 据1.论 文 ( 设 计 ) 题 目 及 研 究 领 域 ;2.论 文 ( 设 计 ) 工 作 的 理 论 意 义 和 应 用 价 值 ;3.目 前 研 究 的 概 况 和 发 展 趋 势 。二 、 论 文 ( 设 计 ) 研 究 的 内 容1.重 点 解 决 的 问 题 ;2.拟 开 展 研 究 的 几 个 主 要 方 面 ( 论 文 写 作 大 纲 或 设 计 思 路 ) ; 3.本 论 文 ( 设 计 ) 预 期 取 得 的 成 果 。三 、 论 文 ( 设 计 ) 工 作 安 排1.拟 采 用 的 主 要 研 究 方 法 ( 技 术 路 线 或 设 计 参 数 ) ;2.论 文 ( 设 计 ) 进 度 计 划 。四 、 文 献 查 阅 及 文 献 综 述学 生 应 根 据 所 在 学 院 及 指 导 教 师 的 要 求 阅 读 一 定 量 的 文 献 资 料 , 并 在 此 基 础 上 通过 分 析 、 研 究 、 综 合 , 形 成 文 献 综 述 。 必 要 时 应 在 调 研 、 实 验 或 实 习 的 基 础 上 递 交 相关 的 报 告 。 综 述 或 报 告 作 为 开 题 报 告 的 一 部 分 附 在 后 面 , 要 求 思 路 清 晰 , 文 理 通 顺 ,较 全 面 地 反 映 出 本 课 题 的 研 究 背 景 或 前 期 工 作 基 础 。五 、 其 他 要 求1.开 题 报 告 应 在 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 工 作 开 始 后 的 前 四 周 内 完 成 ; 2.开 题 报 告 必 须 经 学 院 教 学 指 导 委 员 会 审 查 通 过 ;3.开 题 报 告 不 合 格 或 没 有 做 开 题 报 告 的 学 生 , 须 重 做 或 补 做 合 格 后 , 方 能 继 续 论文 ( 设 计 ) 工 作 , 否 则 不 允 许 参 加 答 辩 ;4.开 题 报 告 通 过 后 , 原 则 上 不 允 许 更 换 论 文 题 目 或 指 导 教 师 ;5.开 题 报 告 的 内 容 , 要 求 打 印 并 装 订 成 册 ( 部 分 专 业 可 根 据 需 要 手 写 在 统 一 纸 张上 , 但 封 面 需 按 统 一 格 式 打 印 ) 。 2 一 、 选 题 依 据1、 研 究 领 域机 械 机 构 设 计 、 CAD2、 论 文 研 究 的 理 论 意 义 和 应 用 价 值能 源 是 一 个 国 家 发 展 的 重 要 战 略 资 源 , 由 于 世 界 人 口 增 长 , 工 业 现 代 化 进 程 的 飞速 发 展 , 导 致 资 源 减 少 , 从 而 能 源 枯 竭 问 题 已 经 成 为 人 们 关 注 的 热 点 问 题 。 现 如 今 风能 具 有 资 源 丰 富 性 能 并 且 是 清 洁 能 源 , 风 资 源 已 经 成 为 世 界 范 围 内 竞 相 发 展 新 型 能源 , 我 国 的 风 力 资 源 开 发 和 拓 展 更 是 在 短 时 间 内 得 到 迅 猛 发 展 。 目 前 , 风 能 主 要 是 用在 风 力 发 电 行 业 。风 能 作 为 可 大 规 模 开 发 利 用 的 可 再 生 新 型 清 洁 能 源 之 一 , 不 需 要 较 高 的 成 本 、 可以 一 定 程 度 上 解 决 燃 煤 、 燃 油 的 环 境 污 染 问 题 , 风 力 发 电 不 消 耗 燃 料 , 无 三 废 处 理 问 题 , 可 以 降 低 因 为 过 量 的 排 放 CO2 等 气 体 所 造 成 的 温 室 效 应 , 不 存 在 核 电 放 射 性 废料 对 人 类 的 威 胁 在 技 术 研 究 、 装 备 制 造 及 零 部 件 配 套 等 方 面 都 得 到 了 迅 速 的 发 展 。3、 目 前 研 究 的 概 况 和 发 展 趋 势风 力 发 电 机 是 依 靠 自 然 界 中 的 无 穷 无 尽 的 风 资 源 工 作 的 , 现 代 风 力 发 电 机 是 由 各种 相 互 作 用 的 部 件 和 子 系 统 组 成 的 , 其 设 计 技 术 涉 及 转 子 气 动 力 学 、 控 制 系 统 、机 械 系 统 、 电 力 系 统 等 广 泛 领 域 。 风 力 发 电 机 的 工 作 环 境 很 复 杂 , 它 处 在 地 球 附面 层 形 成 的 剪 切 风 、 阵 风 之 中 , 加 上 运 行 中 产 生 的 惯 性 力 、 气 动 力 等 , 这 使 得 风 机的 叶 片 及 塔 架 受 力 后 振 动 等 问 题 。 当 设 计 风 力 发 电 机 叶 片 及 传 动 系 统 时 , 必 须 考 虑 其动 力 学 问 题 。 风 力 发 电 机 组 动 力 学 问 题 是 涉 及 多 方 面 因 素 的 综 合 性 问 题 , 包 括 结 构 动力 学 、 空 气 动 力 学 、 系 统 动 力 学 等 方 面 。 随 着 我 国 基 础 建 设 的 发 展 , 现 代 工 程 建 设 质 量 的 提 高 , 我 们 对 混 凝 土 综 合 性 能 的要 求 也 越 来 越 高 , 混 凝 土 搅 拌 机 作 为 其 生 产 过 程 中 的 关 键 工 艺 , 直 接 影 响 着 混 凝 土 的揽 拌 质 量 及 生 产 效 率 。 进 入 21世 纪 90后 , 随 着 市 场 对 基 础 建 设 要 求 的 不 断 提 高 及 建筑 行 业 的 高 速 发 展 , 混 凝 土 搅 拌 设 备 迎 来 了 良 好 的 发 展 机 遇 。 搅 拌 机 的 种 类 、 型 号日 益 完 善 , 搅 拌 性 能 及 可 靠 性 日 益 提 高 , 国 内 相 关 研 究 机 构 及 生 产 厂 家 在 原 有 机 型 的基 础 上 , 对 搅 拌 机 进 行 不 断 地 研 究 改 进 : 通 过 对 搅 拌 过 程 中 搅 拌 叶 片 、 搅 拌 臂 和 搅 拌轴 的 受 力 分 析 , 优 化 转 动 机 构 连 接 形 式 , 提 高 传 动 机 构 与 搅 拌 轴 融 合 效 果 , 消 除 搅拌 轴 错 位 和 重 负 载 。国 外 先 进 的 混 凝 土 生 产 设 备 已 实 现 了 计 算 机 控 制 、 配 合 比 选 择 调 整 、 电 子 计 算 机屏 幕 监 控 、 含 水 率 测 定 、 称 量 、 搅 拌 、 出 料 等 的 全 自 动 化 控 制 , 使 得 搅 拌 出 来 的 混 凝 土 料 达 到 了 较 高 的 配 合 比 精 度 要 求 , 直 接 保 证 了 生 产 的 混 凝 土 成 品 料 的 质 量 。国 外 对 卧 轴 式 搅 拌 机 的 研 究 起 源 于 对 沥 青 混 和 料 拌 和 抽 样 和 方 法 准 确 度 的 分 析 。 试 验 3 结 果 认 为 , 卧 轴 式 搅 拌 机 中 混 和 料 在 两 根 轴 之 间 的 区 域 内 运 动 是 不 规 则 的 , 但 是 在 轴的 两 侧 物 料 则 围 绕 着 搅 拌 器 内 壁 在 水 平 面 内 做 某 种 循 环 运 动 , 运 动 的 程 度 受 到 桨 叶 端面 与 它 们 移 动 方 向 的 夹 角 的 影 响 。 目 前 混 凝 土 搅 拌 机 的 发 展 趋 势 是 :( 1) 高 附 加 价 值 化 、( 2) 智 能 化( 3) 系 统 化 。我 国 的 混 凝 土 搅 拌 以 及 输 送 机 械 尽 管 性 能 有 了 较 大 提 高 , 但 在 可 靠 性 等 方 面 与 国外 相 比 还 有 不 小 差 距 , 近 年 来 许 多 厂 家 均 选 用 进 口 优 质 元 器 件 , 对 提 高 我 国 混 凝 土 机械 水 平 起 到 了 非 常 重 要 的 作 用 , 但 在 多 功 能 方 面 还 无 法 与 国 外 相 比 。 总 之 国 内 企 业 只有 不 断 引 进 吸 收 国 外 先 进 技 术 , 进 行 自 主 创 新 并 加 大 研 发 力 度 , 国 内 混 凝 土 机 械 才 能 取 得 长 足 发 展 。 4 二 、 论 文 ( 设 计 ) 研 究 的 内 容1.重 点 解 决 的 问 题( 1) 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 方 案 设 计 ;( 2) 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 结 构 设 计 。2.拟 开 展 研 究 的 几 个 主 要 方 面 ( 论 文 写 作 大 纲 或 设 计 思 路 )( 1) 收 集 风 力 机 相 关 的 文 献 资 料 , 掌 握 其 风 力 机 的 结 构 组 成 及 工 作 原 理 , 熟 悉风 力 机 动 力 传 动 系 统 的 组 成 及 技 术 要 求 ;( 2) 收 集 与 查 阅 混 凝 土 搅 拌 机 相 关 的 文 献 资 料 , 了 解 混 凝 土 搅 拌 机 的 分 类 及 特点 , 搅 拌 机 的 应 用 现 状 , 分 析 现 有 混 凝 土 搅 拌 机 存 在 的 问 题 等 ;( 3) 拟 定 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 总 体 方 案 ; ( 4) 风 能 接 收 装 置 的 设 计 ;( 5) 动 力 传 动 系 统 的 设 计 , 将 叶 轮 旋 转 运 动 传 动 到 搅 拌 机 的 搅 拌 轴 上 ;( 6) 搅 拌 机 的 设 计 。( 7) 绘 制 装 配 图 及 主 要 零 件 图 , 编 写 设 计 说 明 书 。3.本 论 文 ( 设 计 ) 预 期 取 得 的 成 果( 1) 一 套 完 整 的 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 装 配 图 及 零 件 图 ;( 2) 一 份 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 设 计 说 明 书 ;( 3) 一 篇 外 文 文 献 翻 译 。 5 三 、 论 文 ( 设 计 ) 工 作 安 排1.重 点 解 决 的 问 题拟 采 用 的 主 要 研 究 方 法 ( 技 术 路 线 或 设 计 参 数 ) ;本 课 题 完 成 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 结 构 设 计 , 即 设 计 一 款 以 风 能 为 驱 动 力 的 混 凝 土搅 拌 装 置 。 需 要 完 成 对 风 能 接 收 装 置 、 动 力 传 动 系 统 、 混 凝 土 搅 拌 机 的 设 计 。 本 文主 要 采 用 传 统 的 理 论 力 学 计 算 方 法 和 现 代 计 算 机 辅 助 设 计 方 法 对 各 部 件 进 行 设 计 和分 析 。对 搅 拌 机 设 计 主 要 采 用 的 是 理 论 分 析 , 搅 拌 是 一 个 复 杂 动 态 的 过 程 , 因 此 在 分析 某 些 参 数 , 如 搅 拌 功 率 、 叶 片 面 积 时 , 采 用 了 理 论 和 试 验 数 据 相 结 合 的 方 法 。风 力 发 电 机 参 数 选 用 : 风 轮 直 径 : 6米 ; 叶 片 数 : 12片 ;叶 片 材 料 : 镀 锌 钢 板 ; 叶 片 翼 型 : NACA型 ;迎 风 方 式 : 上 风 式 ; 风 轮 中 心 高 : 10米 ;设 计 风 速 : 6米 /秒 ; 额 定 风 速 : 12米 /秒 ;工 作 风 速 范 围 : 318米 /秒 ; 风 能 利 用 系 数 : 0.36;搅 拌 机 的 参 数 选 用 :进 料 容 量 500 (L); 出 料 容 量 300 (L); 生 产 率 12 (m3/h);拌 筒 速 度 15 (r/min); 骨 料 最 大 颗 粒 60 (mm); 额 定 功 率 4 (kw);外 型 尺 寸 L B H 3000 2900 3600 (mm);2.论 文 ( 设 计 ) 进 度 计 划 : 第 1-4周 :根 据 毕 业 设 计 任 务 书 要 求 , 收 集 参 考 文 献 资 料 , 撰 写 开 题 报 告 等 ;第 5周 :拟 定 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 的 总 体 方 案 ;第 6-8周 :风 能 接 收 装 置 的 设 计 , 主 要 是 叶 片 、 塔 架 、 叶 轮 转 向 等 设 计 ;第 9-10周 :动 力 传 动 系 统 的 设 计 ;第 11-12周 :搅 拌 机 的 设 计 , 初 步 确 定 采 用 强 制 式 卧 式 双 轴 搅 拌 方 案 ;第 13周 :书 写 毕 业 设 计 说 明 书 , 翻 译 与 本 设 计 相 关 的 英 文 文 献 ;第 14周 :准 备 毕 业 设 计 答 辩 。 6 四 、 需 要 阅 读 的 参 考 文 献1 刘 雄 .陈 严 .叶 枝 全 . 风 力 发 电 机 桨 叶 总 体 优 化 设 计 的 复 合 形 法 .太 阳 能 学 报 , 2011,22(2):1571612 蒋 超 奇 , 严 强 水 平 轴 与 垂 直 轴 风 力 发 电 机 的 比 较 研 究 上 海 电 力 ,2017, 2:1631653 杨 慧 杰 , 杨 文 通 .小 型 垂 直 轴 风 力 发 电 机 在 国 外 的 新 发 展 电 力 需 求 侧 管 理 , 2017,9(2):68704 陈 严 , 欧 阳 高 飞 , 叶 枝 全 . 大 型 水 平 轴 风 力 发 电 机 传 动 系 统 的 动 力 学 研 究 J. 太 阳 能 学报 ,2013, 24(5):729-734. 5 杨 套 全 .混 凝 土 搅 拌 机 轴 端 密 封 的 改 进 J.建 筑 机 械 化 , 2014, (12): 77-806 杨 军 , 秦 大 同 , 陈 会 涛 , 等 .风 力 发 电 机 传 动 系 统 随 机 风 速 下 的 载 荷 特 性 研 究 J.中 国 机械 工 程 , 2011, 22(15):1837-1842.7 王 卫 中 .双 卧 轴 搅 拌 机 工 作 装 置 的 试 验 研 究 D.长 安 大 学 , 20148 冯 忠 绪 ,赵 利 军 , 王 卫 中 .双 卧 轴 搅 拌 机 单 轴 搅 拌 臂 的 排 列 形 式 J.工 程 机 械 , 2017,38(12): 68-709 冯 忠 绪 ,王 卫 中 , 赵 利 军 等 .节 约 型 搅 拌 技 术 研 究 J.中 国 公 路 学 报 , 2016:19(6): 118-12210 魏 觉 . JS 型 混 凝 土 搅 拌 功 率 计 算 及 结 构 设 计 J.工 程 机 械 , 2011, (5): 7-1111 B. Daumann, H. Anlauf, H. Nirschl. Determination of the energy consumption during the production of various concrete recipesJ. Cement and Concrete Research,2013,(39): 590-59912 Bogdan Cazacliu. In-mixer measurements for describing mixture evolution duringconcrete mixingJ. Chenical Engineering Research and Design, 2014, (86):1423-143313 Ferraris C F. Concrete mixing methods and concrete mixers: State of the artJ.Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 2015,106(2): 391-39914 B. Cazacliu, N. Roquet. Concrete mixing kinetics by means of power measurementJ. Cement and Concrete Research, 2012, (39): 182-19415 Alexandre Costa, Antonio Crespo, and Jorge Navarro, et al. A review on the younghistory of the wind power short-term prediction. Renewable and Sustainable Energy 7 Reviews, 2012, 12(6):17251744.16 Ahmed G. Abo-Khalil, and Dong-Choon Lee. MPPT Control of Wind Generation SystemsBased on Estimated Wind Speed Using SVR. IEEE Transactions on 8 附 : 文 献 综 述 文 献 综 述1.混 凝 土 搅 拌 机 的 目 的 和 意 义混 凝 土 搅 拌 机 是 把 水 泥 、 砂 石 骨 料 和 水 混 合 并 拌 制 成 混 凝 土 混 合 料 的 机 械 。 混 凝土 搅 拌 机 广 泛 应 用 于 公 路 、 铁 路 、 建 筑 、 桥 梁 、 港 口 、 机 场 等 工 程 中 。 在 “ 十 二 五 ”期 间 , 我 国 要 建 设 一 大 批 大 型 煤 矿 、 油 田 、 电 站 、 机 场 、 港 口 、 高 速 铁 路 等 重 点 工 程 ,同 时 也 要 进 行 大 量 的 城 市 道 路 、 城 镇 住 宅 的 开 发 与 建 设 , 这 都 选 要 用 到 大 量 的 混 凝 土搅 拌 机 所 以 现 在 正 式 发 展 混 凝 土 搅 拌 机 的 大 好 时 机 。 随 着 混 凝 土 材 料 和 施 工 工 艺 的 发展 、 相 继 出 现 了 许 多 新 型 结 构 的 混 凝 土 搅 拌 机 , 如 蒸 汽 加 热 式 搅 拌 机 , 超 临 界 转 速 搅拌 机 , 声 波 搅 拌 机 和 二 次 搅 拌 的 混 凝 土 搅 拌 机 等 。 但 经 过 多 年 的 发 展 , 混 凝 土 搅 拌 机械 行 业 发 展 进 步 依 旧 面 临 着 许 多 问 题 。 比 如 资 源 问 题 , 如 今 许 多 混 凝 土 搅 拌 机 依 旧 用燃 料 作 为 动 力 来 源 , 这 不 可 避 免 的 会 在 一 定 程 度 上 造 成 环 境 污 染 等 问 题 , 所 以 研 究 发明 出 各 种 新 型 混 凝 土 搅 拌 机 是 我 国 混 凝 土 机 械 行 业 要 解 决 的 主 要 问 题 。 还 有 就 是 搅 拌 机 的 智 能 化 , 智 能 化 是 机 械 行 业 的 总 体 趋 势 , 混 凝 土 搅 拌 机 当 然 也 是 这 样 。本 研 究 既 是 对 现 有 搅 拌 机 关 键 技 术 的 深 入 探 讨 , 也 是 进 一 步 的 技 术 提 升 和 创 新 ,对 今 后 混 凝 土 搅 拌 机 的 设 计 和 产 品 水 平 的 提 高 都 具 有 一 定 的 使 用 价 值 。 它 的 重 要 意 义在 于 利 用 高 新 技 术 提 升 混 凝 土 搅 拌 机 械 行 业 水 平 和 国 家 重 点 项 目 建 设 社 工 水 平 以 及推 动 搅 拌 机 设 备 性 能 的 全 面 提 高 。2.搅 拌 机 的 分 类( 1) 按 搅 拌 原 理 , 主 要 可 分 为 自 落 式 和 强 制 式 两 大 类 , 区 别 为 搅 拌 叶 片 和 搅 拌筒 之 间 没 有 相 对 运 动 的 为 自 落 式 搅 拌 机 , 有 相 对 运 动 的 便 为 强 制 式 搅 拌 机 。自 落 式 搅 拌 是 利 用 搅 拌 装 置 对 拌 筒 内 物 料 进 行 分 割 和 提 升 , 直 到 物 料 与 搅 拌 装 置之 间 的 摩 擦 力 小 于 使 物 料 下 滑 的 重 力 分 力 时 , 物 料 靠 自 身 重 力 跌 落 , 从 而 使 各 部 分 物料 的 相 互 位 置 不 断 进 行 重 新 分 布 而 拌 合 均 匀 。强 制 式 搅 拌 是 利 用 旋 转 的 搅 拌 装 置 对 混 凝 土 进 行 剪 切 、 挤 压 、 翻 滚 等 拌 合 方 式 ,使 混 凝 土 在 强 烈 的 相 对 运 动 中 搅 拌 均 匀 。 强 制 式 搅 拌 机 具 有 搅 拌 强 烈 , 拌 合 质 量 好 , 生 产 效 率 高 , 适 应 性 强 , 能 搅 拌 塑 性 、 半 塑 性 、 干 硬 性 混 凝 土 及 砂 浆 等 一 系 列 优 点 。( 2) 按 能 源 供 给 形 式 , 主 要 可 分 为 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 和 电 能 混 凝 土 搅 拌 机 , 风能 作 为 可 大 规 模 开 发 利 用 的 可 再 生 新 型 清 洁 能 源 之 一 , 不 需 要 较 高 的 成 本 、 风 力 发 电不 消 耗 燃 料 , 无 三 废 处 理 问 题 , 可 以 一 定 程 度 上 解 决 燃 煤 、 燃 油 的 环 境 污 染 问 题 , ,可 以 降 低 因 为 过 量 的 排 放 CO2 等 气 体 所 造 成 的 温 室 效 应 。 本 文 主 要 介 绍 风 能 混 凝 土搅 拌 机 。3.风 力 发 电 机 的 结 构 与 应 用风 力 发 电 机 技 术 日 趋 成 熟 , 成 为 新 能 源 发 电 领 域 的 典 范 , 尤 其 是 随 着 风 力 发 电 相关 技 术 的 不 断 提 高 和 突 破 , 风 力 发 电 机 应 用 产 业 正 以 惊 人 的 速 度 在 全 球 扩 张 , 成 为 了人 类 改 善 能 源 结 构 和 应 对 环 境 问 题 的 法 宝 之 一 。 清 华 大 学 刘 雄 .陈 严 【 1】 等 人 提 出 了 以年 能 量 输 出 最 大 为 优 化 目 标 ,使 用 复 合 形 法 搜 索 最 优 点 的 风 力 发 电 机 桨 叶 总 体 优 化设 计 模 型 。风 力 发 电 机 作 为 风 力 发 电 机 组 的 关 键 部 件 之 一 , 肩 负 着 将 风 能 转 换 为 机 械 能 的 任务 。 目 前 , 风 力 发 电 机 的 种 类 较 多 , 但 整 体 上 可 以 划 分 为 水 平 轴 和 垂 直 轴 两 大 类 。 上海 麟 风 风 力 发 电 设 备 公 司 蒋 超 奇 , 严 强 【 2】 对 水 平 轴 风 力 发 电 机 与 垂 直 轴 风 力 发 电 机 在设 计 方 法 、 结 构 等 方 面 进 行 了 比 较 ,指 出 垂 直 轴 风 力 发 电 机 具 有 设 计 方 法 先 进 、 风 能利 用 率 高 、 起 动 风 速 低 、 基 本 不 产 生 气 动 噪 声 等 优 点 ,具 有 广 泛 的 市 场 应 用 前 景 。 9 水 平 轴 风 力 发 电 机 是 目 前 应 用 最 为 广 泛 、 技 术 最 为 成 熟 的 一 种 机 型 , 其 结 构 特 征表 现 为 旋 转 轴 与 风 向 平 行 , 这 也 决 定 了 该 类 型 机 组 需 要 偏 航 系 统 , 以 减 小 “ 对 风 损 失 ” ,提 高 风 能 利 用 率 。 清 华 大 学 陈 严 , 欧 阳 高 飞 【 4】 在 大 型 水 平 轴 风 力 发 电 机 传 动 系 统 的动 力 学 研 究 提 出 了 风 力 发 电 机 传 动 系 统 动 力 学 是 风 力 发 电 机 动 态 性 能 分 析 和 控 制 系统 设 计 的 重 要 基 础 。与 水 平 轴 风 力 发 电 机 相 比 , 垂 直 轴 风 力 发 电 机 的 研 究 则 相 对 偏 少 , 理 论 基 础 薄 弱 。垂 直 轴 风 力 发 电 机 主 要 有 D 型 和 S 型 两 种 类 型 。 S型 属 于 阻 力 型 风 力 发 电 机 , D 型属 于 升 力 型 风 力 发 电 机 。 北 京 工 业 大 学 杨 慧 杰 , 杨 文 通 【 3】 指 出 人 类 利 用 风 能 已 有 数 千年 历 史 ,在 蒸 汽 机 发 明 以 前 风 能 曾 作 为 重 要 的 动 力 源 ,广 泛 应 用 于 人 类 征 服 海 洋 、 灌 溉农 田 和 加 工 谷 物 等 领 域2 风 力 发 电 机 的 研 究 中 存 在 的 问 题( 1) 变 桨 距 机 组 中 桨 叶 与 轮 毂 之 间 通 过 变 桨 轴 承 相 连 , 大 功 率 机 组 中 高 达 几 吨的 桨 叶 使 变 桨 轴 承 承 受 着 巨 大 的 机 械 应 力 , 尤 其 是 阵 风 情 况 下 的 瞬 态 载 荷 , 很 容 易 出 现 疲 劳 损 坏 的 现 象 。 另 外 , 桨 距 角 的 调 节 需 要 独 立 的 控 制 系 统 , 无 疑 增 加 了 系 统的 复 杂 性 , 降 低 了 可 靠 性 。 而 且 , 维 修 变 桨 系 统 , 尤 其 是 变 桨 轴 承 , 需 要 拆 卸 叶 片 ,得 动 用 大 型 机 械 设 备 , 维 修 周 期 长 、 费 用 高 。( 2) 桨 叶 制 造 工 艺 和 设 计 水 平 的 提 高 。 在 风 力 发 电 机 组 中 , 系 统 的 转 动 惯 量 很大 程 度 上 由 风 力 发 电 机 决 定 。 新 型 材 料 ( 如 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 , 碳 纤 维 复 合 材 料 等 )的 推 出 和 制 造 工 艺 的 改 进 , 使 得 风 力 发 电 机 的 重 量 和 转 动 惯 量 大 大 减 小 。 空 气 动 力 学理 论 的 完 善 和 相 关 计 算 和 设 计 软 件 的 成 熟 , 使 得 设 计 出 新 型 高 性 能 桨 叶 成 为可 能 。( 3) 风 速 预 测 技 术 的 开 发 。 通 过 提 前 控 制 能 避 免 在 大 风 和 阵 风 的 时 候 出 现 功率 过 载 , 减 小 瞬 态 载 荷 , 确 保 机 组 的 安 全 可 靠 运 行 , 延 长 机 组 的 使 用 寿 命 。 中 国 机 械工 程 杨 军 , 重 庆 大 学 秦 大 同 , 陈 会 涛 , 等 【 6】 根 据 随 机 风 速 模 拟 方 法 、 风 力 发 电 机 气动 载 荷 计 算 方 法 、 发 电 机 矢 量 控 制 方 法 和 风 力 发 电 机 传 动 系 统 的 机 电 耦 合 模 型 ,建 立了 风 力 发 电 机 传 动 系 统 在 随 机 风 速 下 的 载 荷 模 型 ,利 用 该 模 型 对 风 力 发 电 机 进 行 实 例计 算 ,得 到 了 风 力 发 电 机 传 动 系 统 随 机 载 荷 的 有 效 样 本4.搅 拌 机 的 发 展 趋 势( 1) 搅 拌 机 应 节 能 环 保因 水 泥 生 产 需 要 大 量 燃 煤 、 矿 物 资 源 、 电 能 , 且 要 排 放 大 量 粉 尘 、 CO2、 硫 化 物和 氮 化 物 , 引 发 严 重 的 环 境 污 染 和 资 源 浪 费 问 题 。 因 此 , 混 凝 土 搅 拌 机 需 增 强 环 保 节能 , 降 低 功 耗 等 。 西 安 公 路 交 通 大 学 冯 忠 绪 ,王 卫 中 【 9】 针 对 中 国 搅 拌 技 术 落 后 ,资 源 浪费 严 重 的 现 状 ,进 行 了 节 约 型 搅 拌 技 术 的 研 究 ,将 机 械 工 程 、 建 筑 材 料 与 施 工 工 艺 有 机结 合 起 来 ,提 出 了 搅 拌 机 参 数 优 化 、 振 动 搅 拌 技 术 及 双 排 叶 片 结 构 3 种 节 约 型 搅 拌 技术 。 对 常 用 双 卧 轴 搅 拌 机 结 构 、 运 动 和 动 力 学 参 数 进 行 了 优 化 ,得 出 了 搅 拌 臂 排 列 及其 相 位 、 叶 片 安 装 角 、 拌 筒 长 宽 比 、 搅 拌 线 速 度 等 参 数 的 匹 配 关 系 ;基 于 混 凝 土 结 构流 变 特 性 ,设 计 了 深 度 激 振 器 ,将 振 动 活 化 与 强 制 搅 拌 结 合 ,明 显 地 提 高 了 搅 拌 质 量 和效 率 ;双 排 叶 片 结 构 较 好 地 解 决 了 搅 拌 低 效 区 问 题 ,改 善 了 机 构 与 混 凝 土 相 互 作 用 的搅 拌 性 能( 2) 搅 拌 机 的 高 可 靠 性影 响 搅 拌 机 可 靠 性 的 因 素 主 要 有 以 下 几 个 方 面 : 10 1) 衬 板 和 叶 片 的 磨 损 搅 拌 机 工 作 时 , 衬 板 和 叶 片 在 骨 料 不 断 的 冲 击 和 磨 削 下 ,导 致 材 料 产 生 裂 纹 并 逐 渐 扩 展 , 最 终 造 成 材 料 脱 落 , 使 其 产 生 磨 损 。 衬 板 和 叶 片 磨 损后 , 要 进 行 更 换 , 不 仅 劳 动 强 度 很 大 , 而 且 浪 费 了 不 少 工 作 时 间 , 影 响 生 产 正 常 进 行 ,根 据 衬 板 和 叶 片 的 工 况 , 应 保 证 衬 板 和 叶 片 材 料 有 高 的 硬 度 和 较 高 的 强 度 。2) 密 封 装 置 搅 拌 机 的 轴 端 是 容 易 发 生 应 力 集 中 的 地 方 , 应 力 过 大 加 快 了 密 封 装置 的 磨 损 , 润 滑 装 置 供 油 不 足 也 会 造 成 密 封 的 磨 损 。 洛 阳 机 械 有 限 公 司 杨 套 全 【 5】介 绍 了 混 凝 土 搅 拌 机 轴 端 密 封 的 两 种 主 要 形 式 及 其 缺 陷 和 解 决 方 法 ,推 出 了 一 种改 进 型 轴 端 密 封 ,有 效 的 解 决 了 漏 浆 问 题 ,延 长 了 密 封 时 间 。3) 制 造 工 艺 应 保 证 关 键 零 部 件 的 加 工 精 度 , 如 搅 拌 筒 体 的 内 径 加 工 精 度 不 高 ,则 易 造 成 搅 拌 叶 片 与 衬 板 的 卡 料 。 如 密 封 装 置 动 定 间 隙 越 小 , 润 滑 油 在 间 隙 处 产 生 的阻 力 越 大 , 但 是 由 于 零 件 加 工 和 装 配 的 误 差 , 使 密 封 性 能 大 打 折 扣 。 长 安 大 学 王 卫 中 【 7】 在 对 搅 拌 机 工 作 装 置 参 数 理 论 分 析 的 基 础 上 , 设 计 了 试 验 样 机 。 应 用 正 交 试 验 设 计的 方 法 , 对 工 作 装 置 参 数 进 行 了 综 合 优 化 。 因 此 , 改 善 制 造 和 装 配 工 艺 对 提 高 搅 拌 机的 可 靠 性 有 十 分 重 要 的 意 义 。( 3) 搅 拌 机 的 智 能 化智 能 化 是 所 有 机 械 发 展 的 方 向 , 搅 拌 机 当 然 也 不 例 外 , 搅 拌 机 的 智 能 化 主 要 有两 个 方 面 :1) 控 制 系 统 自 动 化 程 度 高 。 采 用 工 业 计 算 机 控 制 , 完 成 物 料 的 配 料 、 搅 拌 、 卸料 生 产 的 自 动 控 制 和 半 自 动 控 制 。 控 制 系 统 监 控 整 个 生 产 过 程 和 工 作 情 况 , 能 够 及 时解 决 生 产 过 程 中 出 现 的 问 题 时 控 制 台 有 指 示 警 报 及 时 报 警 , 且 能 实 现 全 自 动 供 油 的 润滑 系 统 。 搅 拌 机 控 制 系 统 高 度 自 动 化 能 很 大 的 提 高 生 产 率 , 改 善 搅 拌 质 量 ,2) 对 不 同 工 况 的 适 应 能 力 。 搅 拌 设 备 在 搅 拌 不 同 配 方 的 混 凝 土 时 , 搅 拌 机 的转 速 和 搅 拌 时 间 却 是 相 同 的 , 缺 乏 对 不 同 工 况 的 感 知 能 力 。 搅 拌 机 转 速 是 重 要 的 作业 参 数 , 搅 拌 叶 片 旋 转 时 使 物 料 产 生 离 心 力 , 当 离 心 力 大 于 物 料 与 叶 片 之 间 的 摩 擦 力或 者 物 料 与 物 料 单 元 之 间 的 内 摩 擦 力 时 , 物 料 就 会 发 生 离 析 。 综 上 所 述 , 本 次 的 毕 业 设 计 主 要 是 通 过 对 混 凝 土 搅 拌 机 的 研 究 , 并 分 析 常 用 风 能混 凝 土 搅 拌 机 的 特 点 , 确 定 自 己 所 设 计 的 风 能 混 凝 土 搅 拌 机 , 运 用 CAD 等 软 件 把 装配 图 及 其 原 理 图 绘 制 出 。 并 进 行 装 置 的 可 实 施 性 进 行 分 析 判 断 , 最 终 完 成 本 次 风 能 混凝 土 搅 拌 机 的 结 构 设 计 。 摘 要本设计主要论述的是风力搅拌机的结构设计,该设计旨在利用风能直接搅拌代替以往人力或电机作业。此构思来源于生产实际,是根据节约能源,有效利用环境和保护环境这一主题而提出的新的设计构想。 本设计的主要内容包括:风能接收装置的设计,中间传动系统的设计,混凝土搅拌机的设计,以及主要零部件强度计算等。该设计中风能接收装置采用上风、水平轴式布置,NACA翼型,风能直接作为机械动力,通过传动系统将动力传递至搅拌机。中间传动系统采用先增速传动,目的是提高系统的传动效率,然后再减速传递,达到滚筒要求的转速。搅拌机采用锥形反转出料式,其中滚筒传动采用齿轮齿圈传动,料斗升降装置采用钢丝绳卷筒作用,卸料方式为倾翻卸料,待混凝土搅拌均匀后反转出料。并在原有的基础上设计了必要的调速、制动装置,即通过锥齿轮改变机头方向,在需要的时候垂直或平行于风向,以使滚筒转速保持稳定。该设计最大的特点是节能、环保。并且结构简单,拆装便利,移动方便,投资少,建设快,对建筑施工有极其重要的意义。关键词:风力搅拌;混凝土;节能;环保ABSTRACTThis design mainly discusses the contracture of the wind power mixer, and the aim of the design is using the mixing of the wind power to displace manual labor and electrical work. This idea comes from the practical working, designing the new idea with the theme of saving energy, utilizing environment and protecting environment effectively.The main content of this design includes the design of wind power receiver device, the design of middle transmission system, the design of concrete mixer, the analysis of the main assemblies and the force calculation.In this design, the wind power receiver device adopts windward, horizontal axial arrangements, NACA wing section and the wind power as mechanical force to transmit the power to mixer through transmission system. The middle transmission system adopts accelerating speed first, the aim is to improve the efficiency of the transmission, and then decelerating the transmission to reach the cylinders need. The mixer adopts taper reversing system, the cylinder adopts gear-gear transmission, the system of rising and falling adopts steel cable, discharging materiel with inclination after the concrete is mixed averaged. The design adds the essential speed governor and braking system namely changes the direction of aircraft nose with gear, vertices and parallels with the direction of wind in order to keep the stability of the cylinder.The most important feature of the design is to save energy and protect the environment. The structure is simple, easy to disassemble, easy to move, less investment and faster construction, which is of great significance to construction.Key words:Wind stirring; concrete; energy saving; environmental protectionII 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 风能概述11.2 混凝土搅拌机概况52 风力搅拌机的设计方案82.1 风力机的设计方案比较82.2 传动系统的设计方案比较92.3 混凝土搅拌机的选用103 基本参数的确定113.1 风力机参数选用113.2 搅拌机的参数选用144 风力搅拌机主要结构设计确定194.1 风轮的设计194.2 传动装置的设计204.3 搅拌机的设计215 主要零部件的设计计算235.1 轴的刚度验算235.2 轴承寿命计算276 搅拌机的安装和使用286.1 搅拌机的安装286.2 混凝土搅拌机的使用29结论30参考文献31致谢VIII1 绪论在人类社会发展过程中,出现了资源枯竭与环境恶化等问题,人们认识到环境对制约着人类的发展。因此,走可持续发展的道路已经成为国际公认的发展目标。中国实施可持续发展对全人类的发展都具有重要的意义。越来越多的数据表明,作为世界上主要能源的化石燃料的长期使用已经严重损害了环境,并造成全球气候的变暖。当前的现实是,化石燃料也是一种不可持续的能源,也并不可能无限使用。也就不可避免的在将来采取替代的能源供应方法采用新型能源,我们必须要对可持续的新型能源的开发与研究进行大量的投资,才能实现可循环能源的大规模使用。经济可持续发展的基本条件是环境保护和能源供应。21世纪我们用的能源是什么?从能源的角度来看,有许多专家和机构分析表明,我们只有优先发展可再生能源,下个世纪我们才会不因为缺乏能源而导致全球能源危机【1】。从环保角度说,能源消耗所带来的环境问题是清晰可见的,在过去20年,全世界能源消耗增长了50,再往后的五年,全球的能源消耗还将增长50到100,由此排放的能造成温室效应的气体将会增加45到90,这会造成很严重的后果,而我国目前同样面临着资源、能源和环境的压力【2】。着眼现实,风能对于农村和边远地区来说,使他们日常生活所需能源的重要依靠。对大多数发展中国家来说,需要因地制宜地开发与发展新能源。中国一个是人口众多的发展中国家,能源问题十分显著,我们更需要合理开发与利用新能源和可再生能源来弥补常规能源的不足。毫不夸张地说,新能源将在我国经济建设中发挥越来越大的作用。11 风能概述1.1.1 风的来源气体流动产生的动能即是风能。风能是由于太阳辐射不均匀,导致地球表面加热不均匀,使大气压力分布也不均匀,从而产生的气体流动。风能利用的意思主要是将风能转换成其它形式必须电能、机械能等能量。空气的水平运动产生的风,由于地球的纬度受到太阳辐射强度的不同,从而产生的空气运动。低纬度的地区因为太阳高度角更大,所以日照时间更长,太阳辐射强度更强,导致大气和地面接受的热量较多,温度较高;在高纬度的地区由于太阳高度角小,所以日照时间短,导致大气和地面接受的热量少,温度较低【3】。因此南北气压的不同梯度是由于纬度的高低所产生的温差导致的。空气水平运动,风应沿水平压力梯度方向吹,即从高压到低压垂直于等压线。大气的真实运动还受到一种叫做地转力的影响。事实上,地面风不仅仅受到这两种力的影响,还在在一定程度上受到海洋与地形的影响,它们也可以改变气流运动的方向,也可以使风速,丘陵、山区摩擦大使风速减小,孤立的山峰由于高空风速增大。风也有很多种类型。比如季风、海风、陆风等。季风的形成时由于不同的季节海陆的温差所带来的不同影响。海风与陆风的形成时由于白天是陆地温度更高导致高层风从大陆吹向海洋,地层风从海洋吹向大陆。海风即为夜间时还用温度高所形成的相反的风向。 1.1.2 风能简介风是地球上的一种自然现象,它具有做功的能力是一种很有开发价值的洁净的可再生的又可就地取用的自然能源。公元前的时候人们就已经开始利用风能了,但几千年来,由于人们并没有认识到风能的重要性,导致风能技术发展缓慢。但由于1973年世界石油危机,人们认识到常规能源的不足,风能作为新能源的一部分,越来越受到人们的重视。风能是一种可再生且无污染的新型能源,具有非常大地发展潜力,特别是对于一些沿海城市、海岛和一些交通不便的偏远地区、地广人稀的草原牧场等地区,作为解决人们生产生活能源的一种可靠途径,具有十分重要的意义【4】。目前即使在一些发达国家,分能也越来越受到人们的重视。空气流动所产生的动能即为风能。大风具有着很大的能量 ,如果我们可以充分利用起来,对我们的生产生活都会有很大的帮助。风速为20m / s的9级风,吹在物体表面的力,可达到50公斤/平方米面积。台风的速度竟然可达到50 甚至60m / s,它对物体竟然可以产生超过200公斤没平方米的压力。在海边生活或者去沿海城市旅游的时候,会看到汹涌的海浪,有风引起的海浪会对海岸有很大程度的影响,它的压力可高达30t每平方米。风不仅可以产生能量,它也在自然界中扮演着很重要的角色。它可形成风海流,造成沙漠,使山岩发生侵蚀,强大的空气流还可以在地面输送水分,来影响气候,造成旱季和雨季。有数据表明,风中含有的能量,超过了目前为止人类所能控制的所有能量。由此可见,风能作为新型能源,对我们的发展会有多么重要的作用。我国季风强盛。风能总储量每年17亿kw,目前也可开发1.7亿kw左右。每个区域的风所提供的能量主要取决于该区域的风持续时间与风力强度的多少。所以在研究本课题之前要了解风的一些特性,比如风速、风级、风能密度等。风力等级如下表所示,世界气象组织将风力分成十三个等级,在没有风速计的时侯可以根据它来粗略估算风速。表1.1 气象风力等级表级别风速 m/s 陆地海洋浪高m 0小于0.3静烟直上无010.3-0.6烟能表示风向,但风标不能转动出现鱼鳞似的微波,但不构成浪0.121.6-3.4人的脸部感到有风,树叶微响,风标能转动小波浪清晰,出现浪花,但并 不翻滚0.233.4-5.5树叶和细树枝摇动不息,旌旗展开小波浪增加,浪花开始翻滚, 水泡透明看起来像玻璃,并且到处出现白浪0.645.5-8.0沙尘风扬,纸片飘起,小树枝摇动小波浪增长,白浪增多158.0-10.8有树叶的灌木摇动,池塘内的水面起小波浪波浪中等,浪延伸更清楚,白 浪更多(有时出现飞沫)2610.8-13.9大树枝摇动,电线发出响声,举伞困难开始产生大的波浪,到处呈现 白沫,浪花的范围更大(飞沫更多)3713.9-17.2整个树木摇动,人迎风行走不便 浪大,浪翻滚,白沫象带子一 样随风飘动4817.2-20.8小的树枝折断,迎风行走很困难海浪越来越长,浪花出现在水雾的顶端,泡沫像胶带一样在风中清晰地飘动5.5920.8-24.5建筑物有轻微损坏(如烟囱倒塌,瓦片飞出)有很大的波浪,气泡被厚厚的皮带随风移动,波浪向前,翻滚,倒卷,泡沫挡住了视线71024.5-28.5陆上少见,可使树木连根拔起或将建筑物严重损坏海浪得变更长,形成更大的波浪,大片的泡沫像白色的缎带在风中飘动,整个大海都是白色的,波浪翻滚9续表1.1 气象风力等级表1128.5-32.7陆上很少见,有则必引起严重破坏海浪很高(中小型船只有时被海浪遮住,看不到),海水被随风流动的气泡覆盖。11.51232.7以上破坏极大空气中充满水泡与飞沫,视野变成一片白色,基本看不清东西。14风能与传统的化石燃料比较,其优点是:(1) 能源取之不尽;(2) 分布于各地,可以自由利用;(3) 不污染环境;(4) 不存在燃料费用等;(5) 不存在燃料费用等;风能的缺点是:(1) 空气稀薄,能源密度小;(2) 风向时常变化,不易获得稳定的能量;(3) 在年平均风速较小的地区,能源成本较高等。1.1.3 风力发动机的原理风力机的风轮是由轮毂和安装在轮毂上的桨叶组成,每个桨叶需要按照桨叶自身轴心线给点的角度按同一旋转方向,即让每个叶片的翼弦和风轮旋转平面成一个角度,这个角度叫做桨距角。下图为风力机启动时的受力图图1.1 桨叶受力图假设中心距的位置和风向相同,当速度为的气流经过风轮是,在桨叶和会产生气动力和。将和分解成垂直气流方向的分立和以及沿着气流方向的分力和,其中沿着气流方向的力为阻力,垂直气流方向的力为升力。阻力形成对风轮地正面压力,升力对风轮中心轴产生转动力矩,进而让风轮转动。1.1.4 风力发动机的组成和分类风力发动机又称为风力机,是风能转换为机械能或动能的机械,是风能系统中必不可少的、最重要的机械。它由三大部分组成:风能收集装置、传动系数,能量输出系统。风力发动机的分类:1. 按功率分(1) 微型 1千瓦以下。(2) 小型 110千瓦。(3) 中型 10100千瓦。(4) 大型 1001000千瓦。2按风轮轴空间位置分(1) 水平轴(2) 垂直轴3. 按叶片数量分(1) 少叶式(或高速风力机) 三叶片及以下。(2) 多叶式(或慢速风力机) 四叶片以上。4.按用途分(1) 直接发电。(2) 直接驱动其他机械12 混凝土搅拌机概况1.2.1 简介机械既是用来减少人工劳动和提高生产力的工具,也是衡量社会生产发展的重要标志,建筑业是世界上不可缺少的大工业,在国民经济中占有举足轻重的地位。机械在施工中的使用,可以显著节约劳动力,减少重体力劳动,并可以提高工程质量和加快工程进度,如一台400 l混凝土搅拌机可以代替数十人的重拌工作,因此,在施工中,合理使用各种机械,实现最大程度的机械化作业,是适应和加快我国四化进程所必需的。混凝土是当前建筑工程中应用非常广的一种基础材料,对我们的经济,生活中都有很重要的作用。混凝土是以水泥为原材料,把水泥和砂等和水、添加剂按一定比例配合、搅拌而成的物质。因近年我国对混凝土的需求量越来越大,导致混凝土机械技术与设备发展迅速,但有一些在需在现场的搅拌装置,机械化程度依然很低,生产效率低,浪费许多人力物力,而且占地面积大。因此,许多国家都改变了这种做法,集中在工厂生产混凝土,把混凝土作为商品提供给施工现场,集中生产混凝土的工厂设备先进,并能及时向订货现场供应各种混凝土。1.2.2 混凝土搅拌机的工作原理和分类混凝土搅拌机按搅拌原理可分为自落式和强制式两大类。自落式和强制式又分很多种类型,具体分为以下几种: 鼓筒式(已被淘汰) 自落式 锥形反转出料式 锥形倾翻出料式 双锥形混凝土搅拌机 梨形 涡浆式 单卧轴式 强制式 双卧轴式 行星式 定盘行星式 转盘行星式各种混凝土搅拌机的工作原理与类型如下:1) 锥形反转出料式 在工作过程中,搅拌机的搅拌桶中心周线始终处于水平,他的叶片在桶内的排列方式成交叉状,出料端伴有一对螺旋出料叶片,在搅拌机正转的时候,桶内交叉的一片一个将物料提起在让其下落,同时另外一个叶片使物料进行轴向移动,从而搅拌物料;当桶反转时,叶片迫使混凝土排出机器。他的应用范围为:普通混凝土、高塑性半干硬性混凝土。2) 锥形倾翻出料式 他的主要特点是搅拌机的进、出料合为一个口,搅拌时锥形搅拌筒具有约15仰角,出料时搅拌筒向下旋转5060。这类搅拌机具有生产率高,卸料便捷,速度快,可搅拌大骨料等特点,应用范围:在混凝土搅拌站作主机。3) 立轴强制式(涡浆式) 它是依赖搅拌筒内的涡浆式叶片的旋转对物料进行强制搅拌对,具体过程为:先对物料进行挤压、带动物料翻转、最后抛出物料,这种方式具有搅拌均匀、时间短、密封性好的特点,应用范围:干硬性混凝土、轻质混凝土的搅拌。4) 卧轴强制式 它结合饿了自落式和强制式两种的优势,即搅拌质量好,耗能少,生产率高,能搅拌塑性、干硬性、轻骨料混凝土及各类灰浆、砂浆等混合物,是一种多功能的搅拌器械。5)行星式 他的搅拌能力很强,非常适合对低水灰比的干混混凝土进行搅拌。1.2.3 搅拌机的选择表1.2 搅拌机的特点考虑方面混凝土特点搅拌机选择工程量和工期方面混凝土量大、工期长宜选用中型或大型固定混凝土搅拌机组或搅拌站混凝土工程量小、工期短应选用小型移动式搅拌机设计的混凝土性质混凝土为塑性或半塑性宜选用自落式搅拌机混凝土为高强、刺目或轻质混凝土宜选用强制搅拌机混凝土组成特性和稠度方面稠度小且骨料粒度大宜选用容量大的自落式搅拌机稠度大而骨料粒度也大宜选用搅拌筒转速较快的自落式搅拌机稠度和骨料粒径较小宜选用强制式搅拌机或中、小容量圆锥形倒排搅拌机使用要求方面搅拌机的数量至少等于同时搅拌的混凝土品种数,对同一品种混凝土而标号相差悬殊时应尽量选用同一规格型号的搅拌机,每组搅拌机的 布置数以23台为宜风力搅拌机的结构设计2 风力搅拌机的设计方案2.1 风力机的设计方案比较风力机的设计总要求是:整机效率高,操作简单,维修方便,安全可靠,价格便宜。2.1.1风轮设计风轮的作用是把空气流动产生的动能转变为使风轮旋转的机械能,为了活动较佳的机组性能,在设计风轮之前要考虑工作机的特性。一般风力机的风轮由若干个叶片构成,叶片的多少视负载的性质决定。由于该设计需要较大的起动扭矩,所以选择多叶式风轮。另外,多叶式风轮还有一大优点,起动风速低,这样就扩大了风力机的使用范围。叶片的材料由木质、玻璃钢、尼龙、镀锌钢板、聚乙烯单面复合片等等,在此,我选用整体浇铸成型的聚乙烯复合材料,因为它具有良好的机械性能,耐腐蚀,比重小,材料利用率高,成本低等一系列优点,特别适合小型风力机。综上所述,该设计中风轮选用聚乙烯复合材料的多叶式风轮。2.1.2 限速、安全机构调速装置的目的是使风力机在处于高于额定风速额的风况下运行时不使它的转速和功率超过太多。安全装置的作用是当风速过大时,风力机可以停止运行来保护风力机整机。风力机风轮的转速和功率是与风速成正比的,当风速增大时,转速和功率也上升,当风速超过额定值时,过高的转速和超负荷将影响风力机的寿命甚至造成破坏,因此需要加以控制,使风力机在一定的风速范围,风轮的转速基本不变。在我国研制的风力机所采用的限速方式主要有以下几种:风轮侧偏式;风轮上仰式;浆叶变距式;空气制动式;阻尼式。前两种方式的机理都是使风轮在高于额定风速的情况下改变风轮迎风面,使它偏离风向,从而避免风轮的超速运转。使风轮侧偏的方法很多,例如风轮轴侧偏布置,风轮一侧安置侧叶等。当风速超过额定风速时,可以通过变浆距改变叶片的角度,从而控制风轮的功率和转速。采用阻风板进行空气制动等限速方式在我国研制的风力机中很少应用。利用阻尼器自动调整风轮旋转阻尼。具体调速方式有四种:(1)机械弹簧调节;(2)侧叶配重调节;(3)通过机械离心13 叶片和副叶片进行调节;(4)液压调节。除限速装置外,还设有特殊的制动装置,保证风速过大事风力机的安全。小型风力机多数采用报刹风轮轴制动的方法时风力机停止运行。以上五种方案中,变浆距的方法是使叶片旋转而改变受风面积,这样叶片与风轮轴不是一体的,其稳定性不好,故不采用此方式。后两种方法因为技术要求比较高,使用比较复杂,所以在现在还很少使用,在该设计中,我的设计要求是结构简单,使用方便的,所以,在以上所说四种方案中,我选择第一种,即通过风轮侧偏改变风轮迎风方向,从而达到限速的目的。2.2传动系统的设计方案比较方案一 只通过锥齿轮传动达到变向、变速的目的。 图2.1 齿轮传动方案一方案二 在锥齿轮传递的前后均加一对增速直齿轮。 图2.2 齿轮传动方案二方案三 上面加一个增速齿轮,下面加一个减速齿轮。 图2.3 齿轮传动方案三以上三种方案中,第一种没有增速机构,只通过锥齿轮自身改变转速是远远不够的,而且由于转速慢,传动效率太低,能量损耗大。第三种方案的构想是好的,先提高转速,是传动效率加强,但是由于风力机的转速太小,如果下面加减速装置的话,搅拌筒运转会比较困难,所以只有第二种方案是最合适的,即上下均有增速齿轮的传动系统,这样才既能保证传动效率,又能保证搅拌机的正常运转。2.3混凝土搅拌机的选用目前,搅拌机的种类只有自落式和强制式两种。本次设计中的动力来源于风力机,因为目前风能利用技术还不成熟,风能转换率不是很高,即额定功率小,所以要选择一个功率消耗少的搅拌机。另外,因为本次设计是为了给小型施工独立使用的单机或作为小型工厂用,要求搅拌机的结构简单,维护方便,所以选择自落式搅拌机更为合理。3 基本参数的确定3.1 风力机参数选用表3.1 风力机参数名称参数风轮直径6米叶片数12片叶片材料镀锌钢板叶片翼型NACA型迎风方式上风式风轮中心高10米设计风速6米/秒额定风速12米/秒工作风速范围318米/秒风能利用系数0.36 3.1.1风能利用系数的确定变为风轮机械能的风能与通过风轮浆叶面的风能的比值,叫做风轮的风能利用系数,通常以CP表示。无论多么优良的风轮,也不可能将全部风能转变为机械能,根据贝茨理论,CP的极限值为0.593,也就是说,对于一个理想的风轮,也只能把59.3%的风能转变为机械能。我国传统风车的风能利用系数一般不超0.2,我国原软布叶片风力机的风轮利用系数最大值不超过0.24,但现代风力机的利用系数可达到0.4以上,由于考虑到成本低,重量轻,故虽然采用了最先进的NACA翼型,但是最大风能利用系数应在0.26Cp0.4,所以该设计取Cp0.36。3.1.2设计风速的确定设计风速是指使风轮的功率转速曲线与搅拌机功率转速曲线产生的最佳匹配的风速,在此风速下风轮的风能利用的效果最佳。通常,风力机的设计风速应等于使用地区的年平均风速,因为本设计的风力机是为我国内蒙等内陆地区设计的,这些地方大部分属于类风能区,年平均风速为67米/秒,因此确定本风力机的设计风速为6米/秒。3.1.3额定风速的确定这里所说的额定风速就是风力机的调速风速,当外界风速超过该风速时,调速机构开始工作,风轮发生偏转,以保持功率和转速不再增加。荷兰风能专家PTSawlders根据多年的研究经验认为:一般来说,风力机的额定风速应等于当地年平均风速的两倍。即根据当地的年平均风速、空气密度等来确定风力机的额定风速。根据调查,我国内陆地区的年平均风速在67米/秒左右,空气密度为0.127kg/m3,适合风力机工作的风速的小时数(318米/秒)约占全年小时数的50%左右。因此,综合看来,风力机的额定风速定为12米/秒比较合理。3.1.4 工作风速范围的确定我国内蒙古地区是内陆风能最丰富的地区,其有效风能密度一般超过200瓦/米2,320米/秒风速的有效风力出现频率达70%,全年在6000小时以上。一般来说,当风速3米/秒时就有开发利用价值,而且如果开始工作风速太低,也会给机组配件带来不利影响,所以风力机的工作风速定在318米/秒。3.1.5 风轮的设计计算不同风速的空气流,吹到风力机风轮上的叶轮上,单位时间内通过风轮浆叶扫掠面的全部风能,既风能的理论功率为: N=vF (3-1)式中 -空气密度(标准状况下=0.127kg/m3);v风速(m/s);F风轮扫掠面积(m2)。风轮的扫掠面积与有如下关系 F=0.875D (3-2)式中 D风轮的直径(m)。将上面两式合并得(kw) (3-3)由上式可见,风轮的直径越大,他的受风面积越大,通过风轮的能量也越大。但是,变为机械功的能量却只是这能量的一部分。风能利用系数CP=0.36则风轮的实际功率 V=6 (m/s) P= CP =0.36=1.346 (kw)V=9.5(m/s) P= CP =5.342 (kw)V=12 (m/s) P=0.36=10.767 (kw)但这并不能误认为是风力机的功率.而风能利用系数和风力机的效率也是截然不同的概念。风力机的效率是风力机输出的有用效率和风轮实际功率之比,根据经验,=0.8风力机输出功率 叶片受力情况:风轮叶片有升力型和阻力型两种,在该设计中采用升力型,具体分析见第四章。 阻力 X=CA (3-4) 升力 Y=CA (3-5)只考虑升力 F升=CA升力系数的理论最大值为CL=2sin, 为攻角,即平板与流体相对速度的夹角。正常情况下,应达到理论值的90%,攻角不应超过250。则 CL=2sin(0) =1.94CL实=1.940.9=1.746 求平均扭矩:取单叶片长2.5m, L =1.75m, 平面积为0.5m,则有 T1=F.L=(1.7460.50.127)1.7512=41.9 Nm T2=F.L=(1.7460.50.127)1.7512=105.06 Nm T3=(1.7460.50.127)1.7512=167.6 Nm 风轮转速nn1=P=1.0768=245.4 (r/min) n2=P=4.27=388.1 (r/min)n3=P=8.6136= 490.8 (r/min)3.2 搅拌机的参数选用表3.2搅拌机参数名称参数进料容量500 (L)出料容量300 (L)生产率12 (m3/h)拌筒速度15 (r/min)骨料最大颗粒60 (mm)额定功率4 (kw)外型尺寸 LBH300029003600 (mm) 自落式混凝土搅拌机基本参数计算3.2.1搅拌筒的转速当搅拌筒转动时,物料将随着筒一起转动,搅拌桶的转速不能过高,转速过高使,物料会落在壁桶上不会落下。但是,搅拌筒的转速也不应过低,过低则生产率太低。一般搅拌筒内的叶片均为径向布置。当受力情况满足下式时,物料可自动从叶片上落下,产生搅拌作用。 (3-6)式中: G-料粒的重力;-叶片的倾角;P-离心力; F-摩擦力;又知: (3-7) F =f Gcos (3-8)式中: g -重力加速度; -料粒距回转中心的距离,取等于搅拌筒的半径 R,m; n-搅拌筒转速,r/min; f-摩擦系数,f取0.6。将P、F代入上式并简化: (3-9)在上式中,当略大于30时,搅拌机的转速n接近零,这就是说,如果让物料沿着30角下滑时,搅拌机的转速接近于零。这一工况当然是不好的。因为在这一工况下,转速低、生产率低、物料的落差H小,搅拌作用差。如果让物料沿着接近90角下滑,这时效果也不好。因为这时物料的落差也很小,同时循环次数也少,关于循环次数的计算如下:在现有设计中常采用角等于45,这时: 则在该设计中的搅拌筒的转速为 所已此搅拌筒的转速定为15r/min。3.2.2 搅拌机功率自落式搅拌机运转时,其功率主要用于克服物料所产生的阻力矩。为了简化计算,假定物料在筒内的纵向平行于搅拌筒的纵轴线。根据这一假设,可列出计算物料所产生的阻力矩的公式: (3-10)式中:-搅和料的重力,kN; S-弓形面积S的计算。在计算弓形面积时,搅和料的体积按出料容量计算,其容重为2200kg/m3。在双锥形搅拌机中由于两端为圆锥形,所以在计算两端弓形面积和S值时应如图所示,其中l为一变量: (3-11)式中:R-锥底的半径,m; -角度; 所以在双锥形搅拌机中,应分别计算中部圆柱体、两端两锥体的S值,然后分别求出阻力矩值。在求得阻力矩M以后,按下式计算功率N: (3-12)式中:n-搅拌筒转速,r/min ; -考虑支承装置的效率,取0.97-0.98。综合我的设计,其中出料容量设为300L=0.3m3 ,容重 ,其它见图上标示。假设两边锥形相同则 即 设混凝土在搅拌筒中高为则又 将左右两边近似看成锥形则其体积锥=2中间部分体积柱= 由泰勒公式 (3-13)可得 即 柱 根据近似公式 (3-14)得 柱=又 得 m m根据材料力学的形心公式柱体形心 (3-15) =锥体形心在距其表面的处所以有 又 则扭矩 功率 4 风力搅拌机主要结构设计确定4.1风轮的设计4.1.1 风轮叶片通过实验人们发现,当冲角一定时,Y值的大小主要取决于薄板的断面形状、表面光滑度和其在气流中的位置。图4.1 薄板受力上图示出当冲角相同时,在三种不同断面形状薄板上产生的升阻力情况。显然,流线型断面薄板的升力比平板的升力要大的多。由于飞机机翼也是利用上诉原理设计的,所以一般把确定其断面型式的一组通过大量实验得出得数据称为翼型,如常用的美国NACA系列翼型和苏联cepo翼型。风力机叶片设计目前还没有专用翼型,通常是借用飞机翼型数据。另外,每一叶片从根部到尖端需要有一定的扭曲度,使各个叶片都可以在最佳条件下运行。所以本风力机的叶片选择NACA翼型。叶片形状如下图所示。 图4.2 NACA翼型 图4.3 螺旋桨实图4.1.2 机头它是风轮、增速箱、尾翼等上部结构的支撑装置,机头整体通过回转体可以作3600旋转。4.1.3尾翼由于自然界产生的风的速度和方向随时都在变化,应使风力机风轮经常对准风向。除了下风式风力机外,一般风力机都是利用尾翼来控制风轮的迎风方向。尾翼通常采用镀锌钢板,一般都设置在风轮的尾端,这样可以减少风轮尾流对它的影响。4.1.4 塔架塔架是整个风力机的支撑装置。为简化结构,降低成本,便于搬迁,采用以角钢为构件组成的珩架式结构件为塔架。4.2 传动装置的设计该风力搅拌机的传动部分分为两部分:4.2.1 风力机部分风轮的传动见图如下所示: 图4.4 风轮的传动图从图中可以看出,风轮迎风后,风轮转动,产生扭矩,先增速,在通过锥齿轮变向、调速,再增速,将动力传递给搅拌机,达到传动、变向、变速的问题。4.2.2 搅拌机的传动部分为了提高传动效率,所以风力机传动部分采用增速装置,但是由于搅拌筒的转速要求很低,所以需要减速装置,故在搅拌机的变速箱采用减速设置,如下所示:图4.5 搅拌机的传动图4.3 搅拌机的设计4.3.1 搅拌筒的设计左图是搅拌筒叶片的示意图,当物料进入搅拌筒,搅拌叶片将将其提起、落下,并迫使物料轴向窜动,另有螺旋叶片翻转出料。 4.3.2 手柄的设计在图中有两处用到手柄,均为控制离合器。把操纵杆打到上升位置,离合器合上,两处表现分别为:风力搅拌机开始工作;钢丝绳开支卷动,吊轮拉动料斗进料,进料完成后,离合器将自动脱开,手柄还原。控制操纵杆,风力搅拌机停止工作;料斗靠本身的自重下落,落地时将操纵杆打到停止的位置。5 主要零部件的设计计算5.1 轴的刚度验算1.轴的弯曲变形的条件和允许值各类轴的挠度和装齿轮轴承处的倾角应小于弯曲刚度的许用值即yY;qq,理论上要求满足Y(0.010.03)mn(其中mn指齿轮的模数),mn=4 , Y=0.12 ; 在变形部位装轴承处q0.0025,装齿轮处q0.001 1.轴的弯曲变形计算计算轴本身弯曲变形产生的挠度及倾角时,一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁,然后参照机械工程手册中有关公式进行计算。当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时,可把轴看作是等径轴,取第三根轴为研究对象,受力分析如图所示:a=100mm, b=172mm, c=128mm,l=400mm在B处Q x=2Mn/d, Mn=97400N h/nj, Q x=2974004.270.98012078N Q Y=1/2 Q x=39 N在C处P x=2Mn/d, Mn=97400hN h/nj,P x=2974004.270.980.97212085N P Y=1/2P x=42.5N E=2.110MPa(1)当Q单独作用时, 在B点处有:yx= Q x(b+c)al-( b+c)-a/6EIL =78300100(400300100)/(62.11012.5610 400)0.022mmyy=1/2yx=0.011mm在C点处有:yx=Q xacl-c-a/6EIL =78100128(400128100)/(62.11012.5610400)0.02mmyy=1/2yx=0.01mm在A点轴承处有:qx=Q x(b+c)l-( b+c)-3x/6EIL =78300(40030030)/(62.11012.5610400)0.000258(rad)qy=1/2qx=0.000129(rad)在B点处有: qx= Q x(b+c)l-( b+c)-3x/6EILQ x(b+c)l-( b+c)-3a/6EIL =78300(4003003100)/(62.11012.5610400)0.000148(rad)qy=1/2qx=0.000074(rad)在C点处有:qx= Q xal-a-3c/6EIL =78100(4001003128)/(62.11012.5610400)0.00012(rad)qy=1/2qx=0.00006(rad)在D点处有:qx= Q xal-a/6EIL =78100(400100)/(62.11012.5610400)0.000184(rad)qy=1/2qx=-0.000092(rad)(2)当P单独作用时:在B点处有,yx= P xcal-c-a/6EIL =85128100(400128100)/(62.11012.5610400)0.022mmyy=1/2yx=0.011mm在C点处有:yx= P x(a+b)cl-c-(a+b)/6EIL =85272128(400128272)/(62.11012.5610400)0.0326mmyy=1/2yx=0.0163mm在A点轴承处有:qx=P xcl-c-3x/6EIL =85128(40012830)/(62.11012.5610400)0.000246(rad)qy=1/2qx=0.000123(rad)在B点处有:qx=P xcl-c-3a/6EIL =85128(4001283100)/(62.11012.5610400)0.000126(rad)qy=1/2qx=0.000063(rad)在C点处有:qx=P x(a+b)l-(a+b)-3c/6EIL =85272(4002723128)/(62.11012.5610400)0.000134(rad)qy=1/2qx=0.000067(rad)在D点处有:qx=P x(a+b) l-(a+b)-0/6EIL =85272(400272)/(62.11012.5610400)0.000314(rad) qy=1/2qx=0.000157(rad)现将所求得的值列表如下:表5.1挠度倾角计算表挠度y(mm)坐标方向由作用在B点的力产生的挠度由作用才C点的力产生的挠度叠加后的挠度合成后的挠度计算值允许值Q1X0.022-0.022000.12Y0.011-0.0110P1X0.02-0.0326-0.01260.0140.12Y0.01-0.0163-0.0063倾角q(rad)坐标方向由作用在B点的力产生的倾角由作用才C点的力产生的倾角叠加后的倾角合成后的倾角计算值允许值Q2X0.0001480.000120.0002680.00030.001Y0.0000740.000060.000134P2X-0.000126-0.000134-0.000260.000360.001Y-0.000063-0.00067-0.00013续表5.1挠度倾角计算表倾角q(rad)坐标方向由作用在A点的力产生的倾角由作用才D点的力产生的倾角叠加后的倾角合成后的倾角计算值允许值Q3X-0.000258-0.000184-0.0004420.00060.0025Y-0.000129-0.000092-0.000221P3X0.0002460.0003140.000560.000760.0025Y0.0001230.0001570.00005由此得知,该轴满足要求。5.2轴承寿命计算由轴承寿命计算公式可知:Lh=其中深沟球轴承e3,n=720rpm且该轴承主要承受径向力Fa=0 ; P=fP(xFr+YFa) 因为载荷系数fP在受中等冲击或中等惯性力时取值范围fP=1.21.8,本设计中取fP=1.8 ; 因为Fa=0,查表知x1, Y0所以P=1.8(1122.9400)=221.3 N查设计手册知对于61808C深沟球轴承C=33400 N 预选轴承寿命Lh=100000h所以有Lh=8.110 h由此可知该轴承安全。6 搅拌机的安装和使用6.1 搅拌机的安装6.1.1 安装 搅拌机需安放在坚实、平整的场地位置。不同类型的JZ型搅拌机有不同的安装方法,有的在支腿调节件有两件前后可同时顶起,支腿每到一个孔距用插销插好,再顶起另两个支腿;带一个安装调整装置,使用时在地盘标记“”位置顶起,并将调整装置顶部的圆柱部分,插入底盘槽钢孔内,支腿每到一个孔距插销插好,再将另一端顶起,且不得在一端顶起过高。有的四个支腿均装有螺杆,螺母,可方便地进行调整。有的应打混凝土基础。有的在整机安装就位后,将上料架上轨道安装好,并检查或连上下限开关。6.1.2 试运转前的检查的准备工作(1)检查变速箱润滑油位和油质,应及时补充和更换。(2)在各润滑点注润滑油。(3)检查各个紧固件的紧固情况,拧紧松动件。(4)检查钢丝绳是否紧排在卷筒上,若有松散混乱应重新绕好。(5)接通水路前,应先须满清水的容器,至于水泵附近,将水阀放入容器内。6.1.3 空载试运转(1)开动风力搅拌机,检查拌筒旋转方向。(2)使拌筒作正、反向旋转,每两分钟一个循环,反复运转15min,察看风力机,变速箱及拌筒个部件是否正常,应无异常噪声及冲击现象。(3)操作进料斗升、降,检查升降过程及上下限为是否可靠。6.2 混凝土搅拌机的使用6.2.1 每次使用前的检查内容机器是否平稳,支腿是否牢固;水泵供水否正常;拌筒及进料级构空运转是否正常。6.2.2 操作注意事项(1)每次加入拌筒搅拌的物料质量不得超过允许值的10%。(2)进料斗只能在拌筒出料完毕,恢复正转后方能提升上料。(3)进料斗正常条件下不得下放,出现特殊情况时下放时必须带刹车且要缓慢下降。(4)为减少料斗粘料现象,向料斗加料的顺序应是:石子、水泥、砂或者是砂、水泥、石子。(5)在上料过程中要及时加水,否则会导致搅拌时间过长以及尘土飞扬(6)料斗升起后,严谨任何人在都下停留。空斗下放应缓慢。(7)严禁非本机司机随意操作手柄及按钮。(8)注意电器安全,防止电器元件、电线受潮及损伤。(9)停电时,可利用曲柄摇杆摇动皮带轮,应及时更换和修复。6.2.3 使用后维护保养(1) 停机前,应放入适量石子和水,搅料3-5min,反转放出,这样反复数次清除半筒内的积渣。(2)清除整机积灰和粘附的混凝土,(3)寒冷季节应将供水系统内的剩水排净。(4)检查各润滑点,酌情注油6.2.4 拖行注意事项(1)检查行走系统的紧固件,应防止松动。并将其用铁丝固定。(2)施行速度不得超过20km/h.
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