基于UG的混凝土运输车搅拌叶片参数化设计*

杨 笋

（河南省经济管理学校 河南南阳473000）

搅拌叶片是混凝土搅拌车上非常重要的部件，直接影响混凝土搅拌的均匀性。如果搅拌叶片的角度设计不合理，混凝土可能会出现离析状态。

在搅拌筒外壳尺寸确定后，搅拌叶片的曲线特性和螺旋角直接决定了搅拌筒的出料性能和搅拌性能。目前的搅拌叶片常用两种螺旋曲线形式：对数螺旋曲线和阿基米德螺旋曲线[1]。

对数螺旋曲线的螺旋升角始终不变，其螺距与搅拌筒直径变化成正比关系，卸料区段的叶片间距比搅拌区的小，如果设计适当不会影响卸料功能。

阿基米德螺旋曲线的搅拌叶片在轴线方向上间距保持固定值，其螺旋升角与搅拌筒横断面的直径变化成反比关系。当螺旋升角按搅拌区段的工作要求选定时，在进入卸料区段后，叶片的螺旋升角随搅拌筒断面的直径缩小而变大，影响卸料性能；若螺旋升角按卸料区段的工作要求选定时，搅拌区段的螺旋升角将过小，影响搅拌质量[2]。

因此，选择对数螺旋曲线的叶片和适中的螺旋升角，能够兼顾搅拌和卸料的功能[3]。

1 螺旋角的确定

本文研究的为双螺旋曲线搅拌叶片，采用4毫米厚的宝钢产B520JJ钢板，由11副模具冲压成11副叶片，然后焊接而成。搅拌叶片总体结构示意图如图1所示。

对数螺旋线搅拌叶片在前锥和后锥处采用对数螺旋线，中节段采用圆柱螺旋线。因为螺旋升角和螺旋角与出料性能和搅拌性能关系密切，因此，在螺旋角确定时要考虑三个方面[4]：

(1)前锥螺旋叶片实现搅拌功能，为避免后锥段积料，应尽量加大螺旋升角，改善出料性能。

(2)中节段是搅拌和出料的过渡，应使螺旋叶片直纹与搅拌筒轴线有一定夹角，应适当提高螺旋叶片顶端螺旋升角，提高搅拌性能和出料性能。

(3)后锥螺旋叶片主要实现快速卸料兼有一定搅拌功能，越靠近出口的位置要选用越大的螺旋角，即小的螺旋升角，避免出料时出现离析。

2 对数螺旋线的设计

混凝土运输车搅拌筒的结构如图2所示，a1和a2不是独立变量[5]，可用拌筒尺寸参数表示为：

以底面圆心O为坐标原点，搅拌筒轴线为Z轴，以底面为XOY面建立柱坐标系，搅拌筒上任意点坐标为(x，y，z)，螺旋线上任意点坐标为(x1，y1，z1)。

2.1 前锥面和对数螺旋线方程

ℎ为任意横截面的高度，θ为转角，则搅拌筒前锥参数方程为：

对数螺旋线方程为：

其中a，p为待定常数，前锥侧面上螺旋线参数方程为：

式中θqlmax、a和p为待求参数，与搅拌筒设计参数和螺旋角有关，如图3所示。

由此可得：

式中β为螺旋角，α1为前锥锥顶角。

将搅拌叶片的螺旋线参数用搅拌筒设计参数表达，能够通过边界条件求得。螺旋线是紧密的附在拌筒前锥之上的，边界条件表示为：

在前锥小端：

在前锥大端：

将上述两个边界条件代入前锥面和对数螺旋线方程可得前锥大端位置时螺旋线最大转角θqlmax和螺旋线系数a，p：

代入式（5），可将螺旋线参数方程用搅拌筒设计参数表示为：

式中 a、p 和θqlmax由式（7）求得。给出前锥设计参数和螺旋角条件后，锥体和螺旋线可通过式（3）和（8）设计出来。

2.2 拌筒中部螺旋线参数方程

式中θqlmax由式（7）可得，θzlmax为中部螺旋线旋至z=L1+H处(即中部与后锥结合部)的转角，其表达式为：

2.3 后锥螺旋线的参数方程

式中系数为：

3 螺旋线参数化实现

根据对数螺旋线参数方程，通过UG软件包中的UG/OPEN GRIP模块进行编程，同时要考虑三段曲线的光顺连续条件[6]，程序经过编译、链接之后生成*.grx文件，结合其中的参数进行螺旋线程序的开发。

主要程序段如下：

ax=LINE/(pt0(1)=POINT/0,0,0),(pt0(2)=POINT/0,0,600)

g(1)=LINE/(pt(1)=POINT/r(1),0,0),(pt(2)=POIN T/r(2),0,h(1))

……

m(1)=REVSRF/g(1),AXIS,ax,0,360

……

a1=ATANF((r(2)-r(1))/h(1))

……

p1=(r(2)-r(1))/h(1)*COSF(a1)*COSF(bt(1))/SIN F(bt(1))

……

stm(1)=LOGF((r(2)-r(1))/r(1)+1)/p1

……

i=1

STR1:

st=(i-1)*stm(3)/1000

IFTHEN/st<=stm(1)

xc=r(1)*EXPF(p1*st)*COSF(st*180/3.14159)

……

ELSEIF/stm(1)

xc=r(2)*COSF(st*180/3.14159)

……

ELSEIF/stm(2)

xc=r(2)*EXPF(p3*(st-stm(2)))*COSF(st*180/3.1 4159)

……

ENDIF

程序经过编译、链接之后生成UG可执行的*.grx文件，UG直接调用之后出现如图4所示的对话框：

在设计参数输入对话框输入相关的数值，即可生成一系列的点，利用UG中的样条曲线命令，通过所有点可得到相互成180°的螺旋线，如图5所示。

分析对数螺旋线的曲率，使用曲率梳检测曲率变化情况，如是否存在突变点[7]。经分析，曲线上的曲率梳沿曲线上每个点的法向呈放射状分布，可见螺旋线的曲率变化是连续的，没有突变点，如图6所示。

4 搅拌叶片参数化设计

搅拌叶片参数化设计要保证连续光顺、冲压加工性能和叶片不同部位的工作性质差异[8]。

4.1 构建叶片各截面辅助面

分析搅拌筒与叶片螺旋线的空间位置和叶片的工作性质，建立各截面所在平面的辅助轴，再确定辅助面，设计螺旋叶片。

4.2 确定各截面图形

叶片各个位置的截面图形，对叶片的形状起着很大的影响，是参数化设计的关键，具体包括：建立新的草图；指定草图平面即辅助面，在辅助面上绘制图形；添加尺寸约束和位置约束条件。生成的各截面图形如图7所示。

4.3 生成叶片

搅拌叶片是直纹螺旋面，可通过构造曲线网格生成。首先生成搅拌叶片的叶顶螺旋线和叶根螺旋线两条引导线；再由构造出来的网格曲线生成搅拌叶片。该方法能调节控制螺旋线的光滑度，保证整个叶片形状的几何连续性[9]。生成的搅拌叶片曲线网格和曲面如图8所示。

5 搅拌叶片的设计方案

螺旋线的螺旋角对搅拌筒的搅拌性能及出料性能起着决定性的作用，螺旋升角与混凝土性质和搅拌筒斜置角度等因素有着密切的关系，为保证搅拌质量和卸料性能，本项目中选择三个不同螺旋升角：10°、17°、24°，对应的螺旋角为：80°、73°、66°。

截面图形对叶片的形状起着很大的影响，是叶片参数化设计的关键步骤。通过螺旋叶片设计计算图可以得到叶片各个位置的截面图形，选择如图9所示的螺旋叶片设计计算图，叶片的宽度设计为430mm[10]。通过在叶片内边缘加焊高强度耐磨合金钢丝加强叶片边缘的抗磨性。

6 结语

本文对搅拌叶片螺旋角和对数螺旋线进行选择设计，通过软件实现了参数化建模，同时利用尺寸驱动技术，实现对各叶片截面形状的实时修改。本文的设计方法能够准确地有效地指导搅拌叶片的设计与制造，通过UG软件的参数化设计很好地解决了叶片的光顺问题，能够提高焊接后的叶片质量。