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华 东 理 工 大 学 学 报 !自 然 科 学 版"
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收稿日期#
)*+,-*+-+,
基金项目#上海市设计学(
类高峰学科资助项目!
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"
作者简介#杨家鹏!
+EDE-
"%男%河北保定人%博士生%研究方向为转子动力学&
4-H29#
#
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92
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21
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通信联系人#安!
琦%
4-H29#
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21
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混凝土搅拌车搅拌转筒的振动性能
杨家鹏!
!
李柳湘!
!
安!
琦
"华东理工大学机械与动力工程学院!上海)**)&,
#
!!
摘要!以混凝土搅拌车为研究对象!对搅拌车搅拌转筒进行了受力分析!得到了各支撑力的计
算模型&归纳了搅拌转筒内混凝土液面形状的计算方法!分析了搅拌转筒转速$倾斜角度以及混
凝土液位对筒内液面形状的影响&构建了考虑混凝土液面分布形状的新型传递矩阵模型!针对算
例进行了分析!研究了搅拌转筒转速$倾斜角度$混凝土液位对搅拌转筒振动性能的影响&发现搅
拌转筒的振型呈现非对称分布!随着转速的增大!搅拌转筒的振动幅度不断减小(随着倾斜角度的
增大!搅拌转筒的最大振幅几乎不发生改变!但其振动峰值的位置逐渐向右移动(搅拌转筒的不平
衡响应振幅随着混凝土液位高度的下降而增大!振动峰值逐渐向左移动&
关键词!混凝土搅拌车(搅拌转筒(力学分析(传递矩阵(振动性能
中图分类号!
AN++&$+
文献标志码!
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A
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B
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B
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M
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M
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'
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B
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595
'
602153<0 H2609T
'
@
=
12H9?
M
<03"0H21?<
!!
混凝土搅拌车作为一种典型的低速重载机械%
广泛应用于建筑+公路+桥梁等方面&搅拌车搅拌
转筒是一种特殊的空心转子%其截面几何形状复
杂%加之搅拌转筒倾斜安装+工作过程中筒内混凝
土分布不断变化+支承链复杂%这些均可导致其力
学分析及振动性能计算十分困难&
*%,
第(
期 杨家鹏%等#混凝土搅拌车搅拌转筒的振动性能
李荣满等)
+
*详细分析了搅拌车在上坡+下坡+匀
速行驶+满载+空载+紧急制动等不同工况下%搅拌
转筒两端所受载荷的变化情况%通过试验的方法验
证了减速机静力学性能是否满足使用要求&
J2"
等)
)-&
*利用R'>g>
软件对搅拌车转筒前支撑的静
力学性能进行了分析%研究了不同激振力对其固有
频率和模态振型的影响%提出具有良好性能的新型
前支承结构的改进方案&闫伟)
%
*在混凝土搅拌车行
驶非稳定工况状态的研究中%分析了搅拌转筒的工
作原理%通过R[RX>
软件建立了搅拌车的虚拟仿
真模型%研究了直线制动+弯道行驶和弯道制动&
种
工况下车辆的动力学性能&
>/1
等)
(
*对混凝土搅拌
车车架以及搅拌转筒两端支架进行了有限元分析%
重点研究了搅拌车在爬坡+拐弯+制动等工况下车
架的受力情况&
[<1
B
等)
C
*采用离散单元法建立了
新拌混凝土砂浆-
骨料的两相流模型%数值研究了不
同转速下%搅拌车搅拌转筒内混凝土随时间变化的
运动规律&
78<1
等)
,
*研究了混凝土搅拌车液压控
制机构的原理%发现了该机构存在的缺陷与不足%
并设计了一种全新的数字显示控制装置%该控制装
置实现了对混凝土搅拌车卸料的准确控制&文献
)
D-E
*对双轴搅拌机转筒的振动性能进行了详细的
分析%通过试验验证了搅拌转筒结构+转速+叶片安
装形式等因素对搅拌转筒振动性能的影响规律&
文献)
+*-+)
*通过对混凝土搅拌车减速机内的齿轮+
轴承等零部件进行力学分析%构建了混凝土搅拌车
减速机寿命预测模型%为减速机的改进设计提供了
理论依据&文献)
+&-+%
*建立了混凝土搅拌车侧倾
稳定性的三自由度动力学模型%并运用数值仿真的
方法对搅拌车侧倾稳定性能进行了研究%详细分析
了车速+路面附着系数+装载量+悬架刚度等因素对
搅拌车稳定性能的影响规律&
从文献中可以看出%目前对于混凝土搅拌车搅
拌转筒振动性能的研究工作尚未深入进行&本文
以某型号混凝土搅拌运输车搅拌转筒为研究对象%
应用有关力学理论%首先分析了转筒的支承力计算
方法%建立了能够对转筒工作过程混凝土分布形状
进行计算的方法%利用传递矩阵法计算搅拌转筒的
振动性能&结合一个具体的算例%数值研究了搅拌
转筒的动力学性能&
+
!
力学分析
混凝土搅拌车搅拌转筒结构及受力分析如图+
所示&搅拌车转筒左端通过滚筒法兰与减速机相
联接%由减速机内的球面滚子轴承支承%减速机安
装在前支架上%右端通过滚道由两个对称安装的滚
轮支承%滚轮中心与转筒中心的连线构成一定的支
承角度%每个滚轮由一对圆锥滚子轴承支承%安装
在后支架上%两滚轮与转筒之间的夹角为)
%
&整个
转筒斜置安装%安装角度为!
%可通过机架来调节&
+
-
a<@/?69"1S"T
'
)
-
L0"16S02?G<6
'
&
-
>82363#21
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'
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'
C
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'
,
-
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'
D
-
a<20S02?G<6
图+
!
混凝土搅拌车搅拌系统结构及受力分析
L9
B
$+
!
>60/?6/0<21@H<?8219?5212#
=
595"368<H9T91
B
5
=
56<H"3?"1?0<6<H9T91
B
60/?G
!!
搅拌转筒在工作过程中%受到重力-
+离心力
P
?
以及滚轮和轴承的支承力作用&转筒斜置安装%
左端受到轴承径向力P
0+
和轴向力P
2+
的作用%右端
受到滚轮支撑力P
0)
的作用!
P
0)
为两个滚轮支撑力
P
U+
和P
U)
的合力"&由于滚轮不承受轴向力%所以
滚筒及其内部混凝土所受重力沿R
轴方向的分量%
完全由左端减速机内的轴承承担&
引入如下假设#
+%,
华 东 理 工 大 学 学 报 !自 然 科 学 版" 第%&
卷
!
+
"轴承内圈与滚筒法兰及滚轮轴是紧配合
!实际轴承安装时也是如此"%滚筒法兰轴颈+滚轮
轴与内圈不会发生相对滑动'
!
)
"不考虑轴承座的加工及安装误差'
!
&
"不考虑轴承的游隙误差'
!
%
"将转筒看作是一根空心轴%发生弹性变形
时截面形状及几何尺寸不发生改变'
!
(
"不考虑转筒的轴向变形及几何误差&
如图+
所示%根据力平衡条件%可得到搅拌系统
的力平衡方程#
P
0+
Z
P
0)
L
!
-
)
?"5
)
!
Z
P
)
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Z
)1
+
-P
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*
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Z
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L
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+
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"
+
$
)
'
?
*
为支承左端到重心-
的距离'
1
+
和1
)
为搅拌转
筒和混凝土重心到M
轴和E
轴的垂直距离%其大小
可根据图)
求得&对方程组!
+
"进行求解%即可得到
转筒两端支承所承受的载荷P
2+
+
P
0+
+
P
0)
以及每个
滚轮所承受的载荷P
U+
+
P
U)
&
搅拌转筒在工作过程中%其内部的混凝土是一
种浆状的流体%分布形状随转筒的转动而不断发生
变化%文献)
+(
*推导了搅拌转筒搅拌过程中混凝土
动态质心坐标公式&
当*
(
C
(
*
H2T
c
*
*
-
时%混凝土做圆周运动%其动
态质心坐标公式为
M
+
I
*
A
)
A
+
A
*
*
C
*
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*
@
*
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:
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A
)
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A
*
*
C
*
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*
@
*
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,
-
:
!
)
"
!!
当*H2T
c
*
*
-
)
C
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)
,
-
时%混凝土做斜抛运动%其
动态质心坐标公式为
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*
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*
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*
*
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L
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*
L
*
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*
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*
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*
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*
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*
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A
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*
H2T
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*
*
*
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*
@
*
@A
+
,
-
:
!
&
"
其中#
C
为混凝土运动的时间'
*
H2T
为混凝土圆周运
动所能到达的最高位置%'
*
*
为混凝土的初始位置'
*
为混凝土的周向位置'
A
为混凝土所在的径向位
置'
:
为混凝土的面积&
根据混凝土质心坐标!式!
)
"+式!
&
""%可求得任意
转速下不同倾斜角度+不同混凝土液位高度所对应的
混凝土任意截面的分布形状!如图)
所示"&根据混凝
土截面形状%就可计算出转搅拌筒每个截面上混凝土
质心位置%即确定每个截面上质心的偏心距1
+
和1
)
的
大小%从而得到不同时刻搅拌转筒所受到的离心力P
?
&
图)
!
搅拌筒内混凝土分布形状
L9
B
$)
!
[95609S/69"1582
M
<5"368<?"1?0<6<9168<0"62691
B
@0/H
)%,
第(
期 杨家鹏%等#混凝土搅拌车搅拌转筒的振动性能
)
!
动力学分析
EDC
!
传递矩阵模型
首先将搅拌转筒离散成'
个具有集中质量的刚
性空心薄圆盘和'c+
个无质量弹性轴段的多自由度
系统!如图&
所示"%左右两端支承简化为弹簧-
阻尼
系统%搅拌车轮胎+板簧+车架等简化为弹簧-
阻尼-
质
量系统%混凝土作用在搅拌转筒上的离心力用P
<
W
表
示&图&
中%
S
S+
+
>
S+
为减速机内球面滚子轴承的刚
度和阻尼%
S
U
为滚轮与滚筒接触刚度%
S
S)
+
>
S)
为滚
轮支承轴承的刚度和阻尼%
S
S&
+
S
S%
+
S
S(
+
>
S&
+
>
S%
+
>
S(
为导向轮和驱动轮轮胎内圆锥滚子轴承的刚度和阻
尼%
S
5+
+
S
5)
分别为前支架和后支架的垂向刚度%
S
M
+
+
>
M
+
和S
M
)
+
>
M
)
分别为导向轮和主动轮处板簧刚度和
阻尼%
S
6+
+
S
6)
+
S
6&
+
>
6+
+
>
6)
+
>
6&
为轮胎刚度和阻尼&
通过对圆盘和轴段进行力学分析%建立各个节
点处两端状态向量的传递矩阵%利用系统的边界条
件%对由传递矩阵构成的方程组进行求解%可得到
搅拌转筒的固有振动频率以及各阶振型&
图&
!
混凝土搅拌车集总化模型
L9
B
$&
!
K/H
M
<@H255H"@<#"3?"1?0<6<H9T91
B
60/?G
!!
图%
为第W
段弹性轴的受力分析示意图&为了
便于后面的计算%将车架的运动状态参数E?
+
'
?
纳
入弹性轴段的分析中%即轴段两端的状态参数用向
量E
'
# K
E?
'
) *
?
A 表示%其中%
E
为轴段的
挠度%
'
为截面转角%
#
为截面弯矩%
K
为截面剪力%
根据材料力学理论#
K
a
W
I
K
K
W
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W
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#
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I
E
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-
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!
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"
!!
式!
%
"用矩阵形式可表示为
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'
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K
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'
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K
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'
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:
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<
?
K
W
!
(
"
其中#
@)
为轴段的刚度'
<
为轴段的长度'下标W
表
示第W
个轴段'下标?
表示质心'上标K
和a
分别表
示轴段的左端和右端&
图%
!
轴段受力分析
L9
B
$%
!
X<?8219?5212#
=
595"3582365<
B
H<16
!!
图(
所示为支撑处倾斜圆盘在受到混凝土离心
力作用时的受力分析示意图%根据力学理论可得
E
a
W
I
E
K
W
%
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a
W
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W
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"
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<
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W
!
C
"
式中#
%
@
为圆盘的直径转动惯量'
%
M
为圆盘绕R
轴
的极转动惯量'
-
为圆盘的转动角速度'
7
为圆盘的
质量'
S
为支承处的径向支承刚度'
>
为支撑处的阻
尼'
E
B
?
为搅拌转筒左右两端支撑处的振动位移%上
标B
取值为K
+
a
&
E
K
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I
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将式!
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"写成矩阵形式#
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卷
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为前支撑到重心距离'
(
0
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心距离%
9
为虚数单位&对于非支承处的节点%令S_
*
%
>_*
%对于无混凝土的节点%令#
2
_*
%
P
<
_*
%即可
使用式!
D
"计算出两端状态向量之间的传递矩阵&
图(
!
混凝土作用下支承处倾斜圆盘受力分析
L9
B
$(
!
X<?8219?5212#
=
595"369#6@95GU968?"1?0<6<#"2@91
B
!!
通过式!
(
"+式!
D
"的递推关系%可得到各个节点处
的状态向量传递矩阵%最终搅拌转筒两端截面状态向
量可表示为
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'
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K
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C
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关的矩阵系数&
根据转子系统作同步正进动时的边界条件#
#
+
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%
K
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%
#
'
_*
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'
_*
%代入式!
E
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"
!!
图C
所示为混凝土搅拌车车架模型受力分析示
意图%根据受力分析%可得到车架振动的微分方
程组#
7
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Z
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Z
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图C
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搅拌车车架模型受力分析
L9
B
$C
!
X<?8219?5212#
=
595"3?"1?0<6<
H9T91
B
60/?G
(
5302H<H"@<#
!!
根据式!
(
"+式!
D
"的递推关系可知%任何一个
节点处振动幅值E
K
W
都可以用第+
个节点处的振动
幅值E
K
+
来表示%将$
+
[
两支承点处搅拌转筒上节
点的振动幅值E
K
W
代入式!
+)
"%可得到关于E
K
+
+
'
K
+
+
E?
+
'
?
的线性方程组#
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W
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%
(
"是与振动系统有关的系
数%为可求得的已知系数&
将式!
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++
"+!
+&
"+!
+%
"联立可得到关于
E
K
+
+
'
K
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的方程组%写成矩阵形式为
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;
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*
*
*
!
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"
求解此方程组%即可得到不同转速下%混凝土搅拌
车搅拌转筒的不平衡振动响应曲线&
EDE
!
系统刚度阻尼模型
在求解系统的振动性能时%首先要对支承点处
的刚度和阻尼进行计算&前支撑处刚度-
阻尼模型
的垂直R
轴方向的等效刚度及阻尼可表示为
S
+
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S
S+
S
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$
?"5
)
!
S
S+
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S
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$
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)
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>
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+,
"
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后支撑处刚度-
阻尼模型的垂直R
轴方向的等
效刚度及阻尼可表示为
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第(
期 杨家鹏%等#混凝土搅拌车搅拌转筒的振动性能
S
)
I
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S
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S
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>
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分别为第+
个滚轮和第)
个滚轮支撑轴承的刚度和阻尼'导向轮处刚度-
阻尼
模型的竖直方向的等效刚度阻尼可表示为
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&
I
!
S
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S
L
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阻尼模型的竖直方向的等效刚
度阻尼可表示为
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L
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!
)&
"
!!
文献)
+C-+D
*给出了以上各刚度及阻尼参数的
计算方法&关于减速机内双列球面滚子轴承!如图
,
所示"刚度及阻尼的计算方法%目前尚未有详细的
研究&但根据刚度定义式%可得到轴承第+
+
)
列第
W
个滚子-
滚道的接触刚度为)
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球面滚子轴承的径向综合刚度为
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"
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W
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"
其中#
K
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)
W
分别为第+
列和第)
列滚子所承受
的法向载荷%可按照文献)
)*
*的方法求得'
@Y
为滚
子滚道的等效弹性模量'
H
M
为接触点处滚子沿滚动
方向的等效半径'
H
E
为接触点处垂直于滚子滚动方
向的等效半径'
2
为润滑油的黏压系数'
,
*
为润滑油
在*$+XI2
压力下的动力黏度'
D
H
为滚动轴承的
平均速度'
<
为自然底数)$,+D
'
U
为接触区的椭圆
率'
*
+
W
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)
W
为第+
列滚子和第)
列滚子的方位角'
2
+
W
和2
)
W
分别为第+
列和第)
列第W
个滚子-
滚道之
间的实际接触角'
2
为轴承单列滚子数目'下标9
+
"
表示轴承的内+外圈&
图,
!
球面滚子轴承受力分析示意图
L9
B
$,
!
X<?8219?5212#
=
595"35
M
8<09?2#0"##<0S<2091
B
!!
根据阻尼定义式>_#9H
).
*
)
K
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&
R
%可得到球面滚子
轴承第+
列第W
个滚子与内+外滚道间的阻尼)
+,
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L
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L
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"
"
+N
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&*
"
!!
根据轴承中阻尼串联关系%可得到第+
列第W
个滚子处的综合径向阻尼#
>
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Z
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L
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"
L
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*
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2
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&+
"
同理%可得到第)
列第W
个滚子处的综合径向阻尼#
>
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>
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"
!!
球面滚子轴承的综合径向阻尼为
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S+
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W
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>
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W
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>
)
W
" !
&&
"
&
!
算例分析
本文以某公司生产的混凝土搅拌车为研究对
象%分析其搅拌转筒的振动性能&表+
所示为混凝
土搅拌车相关结构参数&减速机主轴承为非标准
双列球面滚子轴承%轴承宽度为E*HH
%其余结构
参数与))))%7R
型轴承相同&支承滚轮轴承以及
搅拌车轮胎上的轴承为标准圆锥滚子轴承%其型号
分别为&)&++
+
&)*))
&
(%,
华 东 理 工 大 学 学 报 !自 然 科 学 版" 第%&
卷
表+
!
混凝土搅拌车相关结构参数
J(32&+
!
>60/?6/02#
M
202H<6<05"3?"1?0<6<H9T91
B
60/?G
!
HH
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J
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J
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+((* +%** +*(* ))** DE* C%E* +)E* )+** +E&& )%D* )++* +C%) ++&) (C* )+** )&+*
!!
图D
示出了计算转筒临界转速时的剩余量
)
!
-
)
"曲线&曲线与直线E
_*
的交点所对应的转
速%即为转子的各阶临界转速&可以看出%转筒的
一阶临界转速为&E*0
$
H91
&搅拌车转筒在实际工
作过程中的转速根本不可能达到临界转速%因此%
本文只研究转速'
为&
"
+(0
$
H91
时转筒的振动
性能&
图E
所示为'_(0
$
H91
%
!
_+(_
%
6_*
时%混凝
土搅拌转筒轴线的振型曲线&从图中可以看出%搅
拌转筒的振型呈左右非对称分布%最大振幅出现在
(_)$DH
处&这个规律与混凝土在搅拌转筒内的
运动分布规律是相关的&
图+*
所示为!
_+)_
%
6_*
时%混凝土搅拌车搅
拌转筒转速对其振动性能的影响&从图中可知%随
着搅拌转筒转速的增大%其左右两端支撑处的振动
幅度逐渐减小&搅拌转筒的振动形态呈现非对称
分布形式%搅拌转筒的最大振动幅度随着转速的
增大而减小%这与转速增大导致偏心分布的混凝土
所产生的离心力变化幅度减小以及转筒内混凝土
的对称分布程度增强有关&
图D
!
剩余量曲线
L9
B
$D
!
7/0;<"30<59@/2#;"#/H<
图E
!
混凝土搅拌转筒的振幅
L9
B
$E
!
!9S0269"12H
M
#96/@<"368<?"1?0<6<0"62691
B
@0/H
图+*
!
转速对搅拌转筒振动的影响
L9
B
$+*
!
433<?6"30"6269"15
M
<<@"1@0/H
(
5;9S0269"12H
M
#96/@<
!!
图++
所示为'_D0
$
H91
%
6_*
时%混凝土搅拌
车转筒倾斜角度对转筒振动性能的影响&从图++
可以看出%随着搅拌转筒倾斜角度的增大%其最大
振动幅度几乎不变%但振动峰值的位置随着角度的
增大而逐渐向右移动&这是由于搅拌转筒内的混
凝土最大偏心位置随着倾斜角度的增大沿轴向向
右移动而造成的&当倾斜安装角度!
为+&m
"
+%m
时%其左端支撑处的振动幅度较小%可以很大程度
地减小振动对支撑处减速机内主轴承的冲击作用%
延长减速机使用寿命&
C%,
第(
期 杨家鹏%等#混凝土搅拌车搅拌转筒的振动性能
图++
!
搅拌转筒倾斜角度对其振动的影响
L9
B
$++
!
433<?6"368<@0/H
(
569#621
B
#<"1;9S0269"12H
M
#96/@<
!!
图+)
所示为'_D0
$
H91
%
!
_+)m
时%混凝土液
位高度6
对转筒振动性能的影响&可以看出%搅拌
转筒的最大振动幅度随着6
的增大而增大&这是因
为随着混凝土液位的下降%搅拌转筒内混凝土的偏
心距离逐渐增大%使得最大离心力增大%振幅也随
着增大&随着液位的下降%其振幅峰值沿轴向逐渐
向左移动&
图+)
!
混凝土液位对转筒振动的影响
L9
B
$+)
!
433<?6"3?"1?0<6<#<;<#"168<0"620
=
@0/H
(
5;9S0269"12H
M
#96/@<
!!
图+&
所示为'_D0
$
H91
%
!
_+)_
%
6_*
时%滚轮
支承位置对搅拌转筒振动性能的影响&从图中可
知%滚轮支承位置的改变对搅拌转筒整体振动性能
的影响不是很明显&随着滚轮位置从左到右移动%
其支承位置附近节点处的振动幅度逐渐减小%但对
于搅拌转筒前半部分振动的影响甚小&
%
!
结!
论
!
+
"对混凝土搅拌车进行了受力分析%得到了
各支撑力的计算模型&归纳了搅拌转筒内混凝土
液面形状的计算方法%分析了搅拌转筒转速+倾斜
角度以及混凝土液位对转筒内液面形状的影响&构
图+&
!
滚轮支承位置对转筒振动的影响
L9
B
$+&
!
433<?6"30"##91
B
U8<<#
(
5
M
"5969"1
"1@0/H
(
5;9S0269"1
M
<03"0H21?<
建了考虑混凝土液面分布形状的新型传递矩阵模
型%推导了球面滚子轴承支承刚度和阻尼计算方
法%总结了滚轮+轮胎+板簧等的刚度和阻尼求解模
型%在此基础上%形成了能够对搅拌车搅拌转筒工
作过程动力学性能进行计算的方法&
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"针对某一具体算例进行了分析%研究了搅
拌转筒转速+倾斜角度+混凝土液位对搅拌转筒振
动性能的影响&得到了不同条件下的转速-
振幅曲
线%倾斜角度-
振幅曲线以及混凝土液位-
振幅曲线%
发现搅拌转筒的振型呈现非对称分布%随着转速的
增大%搅拌转筒的振动幅度不断减小'随着倾斜角
度的增大%搅拌转筒的最大振幅几乎不发生改变%
但其振动峰值的位置逐渐向右移动%且当倾斜角度
为+&m
"
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时%左端支承处减速机内主轴承所受到
的振动冲击达到最小'搅拌转筒的不平衡响应振幅
随着混凝土液位高度的下降而增大%振动峰值逐渐
向左移动'滚轮支承位置的改变对搅拌转筒整体振
动性能的影响不是很明显&
参考文献!
)
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*
!
李荣满%张跃春%李焱%等$
混凝土搅拌车专用减速机的静强
度试验研究)
.
*
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机械传动%
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%
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)
&
*
!
高耀东$
混凝土搅拌运输车前支承强度分析及结构优化)
[
*
$
内蒙古#内蒙古科技大学%
)*+%$
)
%
*
!
闫伟$
混凝土搅拌车行驶非稳定工况状态仿真研究)
[
*
$
重
庆#重庆交通大学%
)*+&$
)
(
*
!
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华 东 理 工 大 学 学 报 !自 然 科 学 版" 第%&
卷
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杜占领$
双卧轴振动搅拌机的试验研究)
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学%
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*
!
贾天民$
混凝土搅拌运输车侧倾稳定性数值仿真研究)
[
*
$
长
沙#国防科技大学%
)*+)$
)
+(
*
!
黎邦权$
基于运输工况下水泥混凝土搅拌运输车防侧翻技术
研究)
[
*
$
重庆#重庆交通大学%
)*+&$
)
+C
*
!
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*
!
吴昊$
滚动轴承动特性及轴承-
转子系统动力学模型研究
)
[
*
$
上海#华东理工大学%
)*+*$
)
+D
*
!
吴雪蛟$
混凝土搅拌运输车行驶平顺性建模与分析研究)
[
*
$
武汉#华中科技大学%
)*++$
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*
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)&*
!
%
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>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
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$上接第QCP
页%
参考文献!
)
+
*
!
郑建农%孙叶柱$
进口电站阀门选型分析)
.
*
$
热力发电%
)**,
%
&C
!
)
"#
D&-D%$
)
)
*
!
贾青%陶正良$
从对我国电站调节阀的调研看其现状及发展
前景)
.
*
$
华电技术%
)**(
%
),
!
+
"#
D-+*$
)
&
*
!
胡见义%郑俊章$
天然气形成与分布的自身属性)
7
*$$中国石
油地质年会$
北京#石油工业出版社%
)**(
#
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)
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*
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)
(
*
!
龚昌来%罗聪%杨冬涛$
一种基于边缘方向的双线性插值方法
)
.
*
$
激光与红外%
)*+*
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!
,
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C
*
!
杨代伦$
基于质心的二维和三维插值算法)
.
*
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计算机工程与
应用%
)**%
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