低质心混凝土搅拌车结构的可行性讨论

2011年12月，本刊编辑部收到了山东迅力特种汽车有限公司张庆平作者投来的《新型低质心混凝土搅拌车设计原理与结构》的文稿（详见本期第74页）。编辑初阅之后，认为该结构设计比较新鲜，值得相关企业的技术人员关注和借鉴。从本刊论文审阅专家反馈的信息来看，所介绍的结构近两年已在搅拌车上得以应用，但其可行性或效果如何尚待验证。编辑又特意咨询了对搅拌车及双托轮做过研究的吴虹飞和王飞两位资深技术专家。现将审阅老师、两位专家和与张庆平作者交换的讨论内容整理成文，供读者借鉴。

审阅意见一：

该文对搅拌车结构的两项改进进行了介绍：一是通过改进副车架结构，将罐体卧在副车架里面，达到降低整车高度、提高整车稳定性及增大罐体有效容积的目的；二是增加一组滚道、滚轮来改善整车受力情况，提高罐体、副车架、减速机、托轮等的使用寿命，同时提高车辆行驶时的稳定性。

就第一项改进来说，这种结构能使整车降低80 mm高度（12 m3的副梁高度一般为120 mm，在降低高度后至少还得保留50 mm的间隙，否则罐体会与底盘大梁之间的横梁发生摩擦）。本文文尾提到了“该结构由于罐体安装位置低，可以适当增加其倾斜角度，这样既能增大罐体有效容积，又不会使搅拌车整车高度超过规定值。”其实，在6×4底盘上装配12 m3或14 m3罐体，若增加小于0.5°倾斜角度就能使整车高度增加80 mm以上，那么实际上因改变副车架结构带来的整车高度的降低又被因增加倾角而增大的高度给抵消了，而这对罐体有效搅拌容积的贡献仅是0.2 m3。经权衡考虑，我认为既然为了降低整车高度，就没有必要再为增加这么点容量而去增大倾角。再者，三桥底盘上装为12 m3的搅拌罐因罐体长度不比14 m3的搅拌罐长而不会存在上述整车超高的问题，因为上装为14 m3的搅拌罐时，底盘在超载超高方面才会达到极限。因此，为了增加那么点容量改变倾角显然是不合适的。

通过上述分析可知，虽然搅拌车采用改进后的结构降低80 mm高度是可行的，但是增加容量是不可取的。如果采用前后两段副车架的方案，在副梁与底盘纵梁固定时需要分别独立固定，尤其是需要控制副梁的前后位移。在此处布置连接座时，一定要有两组“八”字型布置，使其更具稳定性（见图1）。

就第二项改进来说，改善整车内部受力结构，提高罐体、副车架、减速机等使用寿命及提高车辆行驶稳定性，是在增加一组滚道滚轮的情况下，增多了一个支撑点而非两个，因为两个滚轮是并联装配为一组，固定在一个安装架上面，而在罐体中节后部增加一个支撑点，确实会对罐体的副梁、后支架的应力集中有分散作用，但减小对减速机的冲击力的目的未必能实现。

目前，6×4底盘上通常布置12 m3或14 m3的搅拌罐，尚未听说因为三点支撑强度不够导致罐体和后支撑变形损坏的情况，所以作者提出的问题似乎是想说明可解决一个原本不存在的问题。至于对副梁和轴承所起的作用，虽然增加了一个支撑点，能起到分散受力集中的作用，但是具体起多大作用还得看使用情况。轴承本身虽为易损件，但成本也就四五十元一盘，且安装合理的话，使用寿命一般也有二年。因此，从改善整车内部受力结构，提高罐体、副车架、减速机等使用寿命及提高车辆行驶稳定性目的来说，增加这组滚轮滚道并没有必要。再者因为该车后部主滚道采用具有自动调心功能的双托轮结构，这就使罐体中心线及整车质心有左右摆动的可能，尽管有及时回调的功能，但是要求辅滚道滚轮制作安装精度非常高，时刻保证能向罐体中心线及质心回调，辅助双滚轮在罐体正下方起支撑作用，否则就会导致尽管罐体中心线及质心能回调，但是辅滚轮没有调整到正下方而常会偏向一边，那么它对罐体的支撑力就会与垂直方向形成夹角。如文中所述：“辅助滚道下装有一对辅助双托轮，能随着罐体的左右移动而偏摆，这样即使罐体和托轮有安装误差，也能保证6个托轮均与滚道接触。”此处，6个托轮和滚道虽然都能接触到，但是如果这个支撑力和垂直方向形成夹角，则会对罐体的稳定性起反作用，从而影响到整车稳定性。制作安装精度的控制一般有两种方法，一是安装后用精加工的方法控制，二是安装时需要一点一点地垫滚轮座来控制。从该文的分析上看，没有给出解决控制精度的方法。

从成本角度来说，第一项改进成本变化不大，不予讨论；第二项改进增加了一个滚道和一组滚轮。一个直径为2.4 m左右的滚道价格在4 200～4 500元，一组滚轮的价格在3 000元左右。这两个部件一般厂家都是外购的，即使有一部分滚轮零件是自己制作，直接增加成本最少也在7 000元左右。再加上制作及安装工艺复杂带来的成本增加，总的成本增加则应在7 500～8 500元之间。整个12 m3或14 m3的搅拌车上装部分的直接成本为8.5～9万元，若按照上面的分析计算来看，成本增加了8.5%～10%。从这个角度来看，第二项改进用在12 m3或14 m3搅拌车上的成本过高而没有必要。

通过上述两个方面分析来看，作者在6×4底盘上所做的结构改进只有副梁降低高度有实际意义，最多可以降低高度80 mm，现在市场上好多厂家已经是这样做了，也就算不上是创新。至于第二项改进，可以作为技术储备，如果发展超大方量的半挂式混凝土搅拌车，应该会有其用武之地。

审阅意见二：

文中对搅拌车结构所做出的两项改进，虽谈不上新型，但确实可以降低整车的质心高度，对改善整车的行驶稳定性有一定的贡献。

超大方量搅拌车的行驶稳定性较差确实是不可忽视的问题。另外，由于副车架两部分的对接位置处于车架扭转变形相对较大的区域，经常会在该处产生裂纹，因此对结构和焊接的处理比较重要。

副车架的高度一般在120 mm左右，降低后的前半部分副车架的高度能保证多少？结构的强度、刚度能否保证？

副车架降低高度80～120 mm，也就是说罐体的质心可以降低80～120 mm。整车的质心降低高度肯定会小于以上范围，按照一般底盘和满载罐体的质量比估算，底盘质心对整车质心高度的影响应在20%以上。

审阅意见三：

三一无副梁搅拌车是2010年上海宝马展上的一大亮点，而且据说经历了近一年的市场验证，效果不错。毕竟底盘是三一设计的，可以专门对车架强度进行加强。而文章中所提到的搅拌车两项改进无疑可以降低整车质心，但是对于大方量搅拌车，如果底盘不进行加强，底盘或上装是否会出现质量问题，尚有待验证。

审阅意见四：

2009年我就见过该类车的照片，是重汽华昌研制生产的；2011年的梁山车展上也有类似的样车展出。该车的主要特点是增加了一条滚道和一对托轮；至于降低副车架高度的结构，早先许多6～8 m3的搅拌车就使用过，但是用于12 m3以上的搅拌车还较为少见，若不是与本文所说的罐体结构结合使用，副车架断裂的几率会很高。

托轮与滚道接触得是否紧密与整车的稳定性关系不是特别大。另外说句题外话，双托轮总成一般是要能与单托轮总成互换的（保证其通用性）。这样托轮在同等安装距的条件下，使用双托轮结构的罐体稳定性就不如单托轮结构好。

吴虹飞（郑州宇通重工有限公司 副总经理/技术部长）

1. 受整车宽度、高度的限制，大方量搅拌车罐体只能向长度方向发展（整车长度不能超过12 m），但增加罐体长度会降低罐体的整体刚度，加之罐体旋转时罐内混凝土搅拌产生的动载荷使罐体的工作状况恶化，进而引起相关零部件的损坏。

2. 文章的新观点是通过减速机与主轨道下的两个双托轮形成三点主支撑，通过辅助轨道下的一个双托轮与主轨道下的两个双托轮形成三点辅支撑，通过增加支撑改善罐体的工况，同时托轮数量增加使承载均布，减小托轮尺寸降低了整车高度，提高了托轮、罐体可靠性，思路独特，值得深入研究。

3. 建议：一是取消低重质心副车架，将前台与后台分开独立；二是辅助轨道下的一个双托轮在其安装面位置增加弹性元器件，确保该托轮与辅助轨道接触、承载并具有缓冲功能。

王飞（三一重工股份有限公司泵送国际研究院 项目经理/主任工程师）

1. 大方量搅拌车由于装料多，易出现搅拌罐变形和向前移位的问题，而这和改变倾斜角没有关联。反之，倾斜角增加，不仅增大整车高度，而且对前端的作用力会增大。大方量搅拌车一般采用4轴底盘，目的在于降低整车高度，满足设计要求。

2. 在搅拌罐中段增加托轮支撑的思路不错。这有助于减少中段的变形，但必须考虑到托轮与滚道的接触情况，否则，满载时搅拌罐的变形及位移，都可能导致托轮与滚道接触情况的改变。三一大方量搅拌车也采用中间托轮支撑形式（已申请了专利），但在设计上采用双托轮底座安装在钢板弹簧上，同时保证托轮可随滚道位置的改变而转动角度，始终保持托轮与滚道接触良好，既起到支撑作用，又满足满载时滚道的位置变化。

3.受城市化进程影响，我国对大方量搅拌车需求很大。然而，国外的法规对超载制裁很严厉，一般8 m3车必须采用4轴底盘，最大方量为12 m3，尤其是美国，法规要求更严，为满足道路法规要求，一般在底盘上增加随动轮。近期我前往美国参观拉斯维加斯工程机械展(Conexpo-Con/Agg)就看到了这种搅拌车的结构形式，所以说搅拌车今后发展趋势不是方量越大越好。

总的来说，这种设计思路不错，但在具体设计时需要考虑到搅拌车实际的工况，文章中应对这些问题做具体的说明，或许更有实际价值。

张庆平（作者）：

如何让混凝土搅拌车装得多且运行稳定是生产厂家一直在努力挑战的难题。我们基于对市场的调查与分析，采取以下技术和方法尝试解决。

1. 降低搅拌车质心高度

质心高度主要影响搅拌车的使用性能。包括其纵向稳定性和侧向稳定性，也包括其制动、驱动和坡道行驶时轴质量转移系数。一般车辆的纵向稳定性尚能满足要求，但质心过高，在不平整路况时极易导致车辆横向失稳，特别是弯道行驶时，易造成侧向倾翻。这主要是搅拌车转向行驶的同时伴随着搅拌罐旋转带动罐内混凝土，使整车质心朝某一方向偏移，偏移的状况与搅拌车行驶形态（转弯半径、行驶速度、车辆质心总偏移量等）要素有关。因此，降低质心高度，合理配载，是保证车辆行驶稳定性和安全性的根本。为保证搅拌罐有良好的稳定性，我们增大了副车架上的承载面积，采用外跨式前后支座，使传力明晰、结构刚度大、联接更可靠（见图2和3）。

在设计主副车架时，采用了多种连接方式进行多点定位连接，通过卡槽式连接座控制副车架的前后位移，真正实现主副车架的刚性连接，保证主副车架的变形一致（见图4和5）。

2. 综合考虑成本增加问题

关于成本增加问题，需要综合考虑。通过优化受力分布、增加支撑点、减小应力集中、使副车架受力更均匀。

支承结构承载着搅拌罐的全部工作负荷，是限制有害跳动和保证搅拌罐绕其轴线正常转动的重要部件。对搅拌罐支承结构除了要有足够的承载能力和保持可靠的约束条件外，还要求它对搅拌罐的回转阻力小，对支承部件因工作变形而引起的干涉有自动调整能力，并能将载荷较为合理地传递给机架和底盘。目前传统搅拌车对于斜置型搅拌罐，均采用中心转轴与调心滚子轴承、滚道与一对支承托轮所组成的3点支承结构。这种结构简单可靠、稳定性好，便于搅拌罐的驱动，对底盘的负荷分布也较为合理。为了进一步减少工作时底盘变形对支承结构的影响，改善副车架受力状况，我们使用了如论文中所述的双滚道6托轮结构，以降低每个部位的支撑力，同时缩短支撑距离，减小搅拌罐在重荷下的变形量，以及对罐体的应力集中，保证罐体在重荷下不被破坏。这样在同等载荷下，可以将主滚道减薄，以降低滚道成本。同理，还可如吴工所说在辅助轨道下的双托轮安装面位置增加弹性元器件，确保该托轮与辅助轨道接触、承载并具有缓冲功能。以有效缓解搅拌罐因罐体径向跳动对减速机瞬间产生的冲击力，大大提高减速机的有效使用寿命。由于每个部位的支撑力减小，使每个托轮的受力相应减小，也大大延长了托轮轴承的使用寿命。使客户的使用、维护费用降低。此外，还对罐体的厚度进行减薄，罐体由原设计厚度为6 mm的下差板再减小0.5～1 mm，这样使得制造成本降低。因此，双滚道6托轮结构虽然在有些方面增加了成本，但是在另一些方面降低了成本。这可以根据市场与客户的需求，综合考虑。

3. 辅助托轮支撑力与垂直方向的夹角问题

关于辅助托轮支撑力与垂直方向的夹角问题，辅助托轮只有在罐体跳起落下后才起作用。在罐体落下后，主滚道下的4个托轮已将罐体定位在车辆的中心位置，此时辅助托轮与罐体的中心是重合的，因此辅助托轮向上的托力与垂直方向是重合的。如果有误差也是由于安装误差造成的，只要控制好安装误差，则辅助托轮向上托力的的偏摆很小，可以忽略不计。