关于砼搅拌车螺旋叶片设计研究

裴志军

(1.华菱星马汽车(集团)股份有限公司，安徽243061； 2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽230002)

搅拌筒螺旋叶片是混凝土搅拌运输车搅拌和运输混凝土的核心部件，如何保证混凝土的匀质性、不离析，如何保证进出料连续、快速，与叶片的螺旋线线型和螺旋角参数有着重要关系。在搅拌筒设计中，前锥主要起搅动作用，保证混凝土不凝固、不离析，采用线性变化螺旋角的螺旋线，螺旋角由前至后由大至小。尾锥段主要起引导出料作用，保证混凝土出料顺畅，采用螺旋角由小至大的线性变化螺旋线。

本文根据搅拌筒前锥、圆柱、尾锥三部分螺旋叶片的功能，规划出三部分螺旋叶片的叶片型式。确定三部分叶片之根部和顶部的螺旋线线型，重点给出搅拌筒圆锥螺旋叶片根部和顶部螺旋线数学方程，并利用三维软件Pro/E的关系参数表达式来实现叶顶、叶根螺旋线。通过边界混合命令建出圆锥对数直纹斜螺旋面，为螺旋叶片的设计建模提供了理论基础。

1 搅拌筒螺旋叶片区段功能

圆锥螺旋线的型式有：阿基米德螺旋线、对数螺旋线。国外早期使用圆锥阿基米德螺旋线线型，但因易出现积料等现象，后改进为对数螺旋线线型，由于这种线型为等螺旋角螺旋线，大大减少了积料现象。

我国搅拌车按GB/T26408—2011要求，搅拌筒右旋是搅拌车处于搅拌工况，故螺旋叶片需采用左旋型式。搅拌筒内三个区段螺旋叶片因功能不同，选择螺旋叶片的螺旋线型式也不同。

图1是筒体螺旋叶片结构图。前锥部分螺旋叶片主要功能为在运输过程中对混凝土的搅动，防止凝固、离析，在卸料时将底部混凝土推出，无残留，圆柱部分为中间导向作用兼顾搅动功能，尾锥出口段为卸料引导区段，保证出料连续顺畅。在设计螺旋叶片的曲面型式、曲线型式以及参数设计时要按功能区段，区别地选用叶片曲线型式、设计曲线参数，以满足不同区段的主要工作性能，选择符合该特点的螺旋曲线型式和参数。

图1 筒体螺旋叶片结构Figure 1 Configuration of barrel helical blade

2 螺旋叶片之螺旋线线型设计

搅拌筒是按一定角度斜置的。对于前锥，为保证搅拌筒底部处卸料干净，并加强筒体中间部位混凝土搅动功能,根部螺旋线采用螺旋角合适的对数螺旋线线型。螺旋叶片采用母线长度(也称为叶片高度)B为定值，且保证螺旋叶片母线与圆锥轴线夹角(≠0°)为定值的直纹斜螺旋面。叶片顶部的螺旋线线型方程可通过母线条件建立，通过叶片根部和顶部螺旋线方程，在三维软件中可实现螺旋叶片数学模型。

圆柱部分为中间导向作用，同时兼顾搅拌拌合功能。叶片根部采用螺旋角合适的阿基米德螺旋线线型。螺旋叶片采用母线长度为定值直纹斜螺旋面，同样保证螺旋叶片母线与圆柱轴线夹角为定值(≠0°)，叶顶螺旋线线型为阿基米德螺旋线，形成圆柱阿基米德螺旋面。

尾锥部分，为了保证出料口端的出料连续顺畅，同时保证加强筒体中间部位的混凝土搅动能力，尾锥部分内螺旋叶片分为两个区段：Ⅰ区和Ⅱ区螺旋叶片，如图2所示。Ⅰ区螺旋叶片叶根螺旋线采用母线长度为线性变化(长度小锥端至大锥端由B1变化到B2)，螺旋叶片母线与圆锥轴线夹角(=0°)为定值的直纹正螺旋面。其叶顶螺旋线可以通过母线条件建立，Ⅰ区螺旋叶片的叶顶螺旋线即是Ⅱ区螺旋叶片的叶根螺旋线。Ⅱ区螺旋叶片采用母线长度(B3)为定值，且保证螺旋叶片母线与圆锥轴线夹角(≠0°)为定值的直纹斜螺旋面，其叶顶螺旋线可参照前锥部分建立。

图2 筒螺旋叶片叶顶及叶根螺旋线规划Figure 2 Blade top and blade root spirals plan of barrel helical blade

3 圆锥叶根和叶顶螺旋线方程

搅拌筒前锥、圆柱、尾锥螺旋叶片的叶顶螺旋线和叶根螺旋线线型定好后，先确定各部分叶根螺旋线的螺旋角参数，绘制根部螺旋线。然后根据叶面的母线条件，确定叶顶螺旋线方程，并绘制出叶顶螺旋线。然后将各部分螺旋线编织成曲面。在实际生产中，叶片需要分段压制拼接。所以各部分曲面生成之后，需根据实际生产工艺将叶片分段分片处理。

以搅拌筒前锥为例(图2所示)，叶片母线长度为定值的直纹斜螺旋面，叶根螺旋线选用对数螺旋线。即在叶片的任何位置母线均为直线，且母线与筒体轴线成角度 。如果叶根螺旋线为对数螺旋线，在叶片高度为定值的前提下，叶顶螺旋线方程如果能够建立，则可以通过三维软件建立其模型。对于叶根螺旋线，若螺旋角已经确定(假设为β)，很难通过计算确定叶顶螺旋线的螺旋角(设为β1)。如果通过三维数模几何作图的方式，并通过相关的数学表达式生成叶顶螺旋线，便解决了叶片设计中的这个难题。

以图示OXYZ为坐标系，前锥部分叶根对数螺旋线参数方程如下：

同样，以OXYZ为坐标系，根据母线条件，可推导出前锥部分叶顶螺旋线参数方程如下：

图3 筒体螺旋叶片叶顶及叶根螺旋线Figure 3 Blade top and blade root spiral of barrel helical blade

4 结论

本文根据搅拌筒前锥、圆柱、尾锥部分的功能特点，对三部分的螺旋叶片线型进行规划。以前锥螺旋叶片为例，给出叶顶、叶根螺旋线方程，阐述了它们之间的参数关系，通过最大转角参数作为中间参数，实现螺旋角之间的换算。根据叶根和叶顶的参数方程，在三维软件Pro/E中，通过关系参数表达式来实现叶顶、叶根螺旋线模型，并通过边界混合命令生成前锥直纹斜螺旋面。可以较为方便地实现螺旋叶片的参数化设计。

[1] 裴志军.混凝土搅拌运输车搅拌筒叶片螺旋线的探讨[J].建筑机械，2007(5)：54-59.

[2] 裴志军.砼搅拌运输车搅拌筒对数螺旋线螺距的探讨[J].专用汽车，2006(6)：28-31.