混凝土搅拌运输车抖动分析及解决方法

姚泽功 张峰 王利民

湖北江山专用汽车有限公司 湖北襄阳 441000

1 前言

随着我国基础设施建设需求的不断增长，混凝土搅拌运输车得到了大量的应用并为加快基础设施建设起到了重要作用[1]。混凝土搅拌运输车由汽车底盘和混凝土搅拌专用装置组成，主要包括取力器、搅拌筒前后支架、减速机、液压系统、搅拌筒、操纵机构和清洗系统等。其工作原理是通过取力装置将汽车底盘的动力取出并驱动液压系统的变量泵，把机械能转化为液压能传送给定量马达，马达再驱动减速机，由减速机驱动搅拌装置对混凝土进行搅拌[2,3]。由于车体结构和工作原理的复杂性，混凝土搅拌运输车的应用过程中会遇到诸多故障，例如液压传动故障、减速机失效等[4,5]。

混凝土搅拌运输车在运行过程中车身的周期性抖动也属于常见故障之一[2]，长期的车身抖动会引发搅拌筒轴承以及减速机的损坏等。由于混凝土搅拌运输车结构的复杂性，引发车身的周期性抖动的原因较多。本文针对有效荷载为8 m3的混凝土搅拌运输车在满载下坡运输过程中出现的周期性抖动问题进行分析并提出几种有效的解决方案。

2 材料与方法

2.1 试验装置

试验采用的是某品牌混凝土搅拌运输车底盘，减速机、油泵和马达分别为某型号减速机、油泵和马达，搅拌筒筒体为8 m3轻量化搅拌筒。

2.2 试验方法

首先对混凝土搅拌运输车进行初步检查，罐体内有不同程度积料，积料较为均匀对称，测量罐体圆度在制造误差范围内，滚道与拖轮没有异常磨损，整车运行时减速机、油泵、马达工作正常；其次，根据改进措施对混凝土搅拌运输车进行改进；最后为模拟8 m3搅拌车在下坡过程中混凝土在搅拌筒内的水平面位置，采用在水平路面上向搅拌筒内注入10 m3混凝土的方式，观察车身的抖动情况。

3 结果与分析

车身在未进行任何改进时，搅拌车空车怠速、加速运行和卸料状态均没有抖动现象，装载8 m3混凝土时也无抖动现象。当装载10 m3混凝土时，怠速运行会出现周期性抖动，搅拌筒筒体转动一周抖动两次，加速运行时抖动幅度加大。根据这一情况，试验从3个改进思路对抖动进行消除。

3.1 车体结构性能改善

车体结构性能改善主要认为车身抖动是由于车身各部件间的连接不够紧密或者车身质心变化引发的。基于这一考虑，试验对混凝土搅拌运输车采取了调整车体部件，增强罐体刚度，增大混凝土装载方量和更换减速机、油泵、马达3大件等4项改进措施来消除抖动，如表1所示。然而，车身抖动的幅度和规律并没有得到改善，表明车体结构性能并不是导致车身抖动的原因。

表1 针对车体结构性能改善的措施

3.2 混凝土流态改善

混凝土流态改善主要认为由于搅拌过程中混凝土局部剧烈流动对叶片造成冲击进而引发车身抖动。为了降低混凝土对搅拌叶片的冲击，通常采用在搅拌叶片上割孔。搅拌叶片在搅拌筒中的布局如图1所示。

图1 未改进的搅拌筒中搅拌叶片的布局和结构

从图1中可以看出位于搅拌筒筒体底部的1号和2号叶片均设有导流孔，以防止混凝土局部剧烈流动对叶片的冲击，可以判断位于筒体中部和顶部的叶片也有可能在运行中会由于搅拌而发生振动。因此，混凝土流态改进思路主要通过对筒体中部和顶部的叶片开孔来降低叶片对混凝土的扰动，具体改进措施如表2所示。

表2 针对混凝土流态改善的措施

试验结果表明，混凝土流态改善同样不能明显改善车身抖动的现象。通过对荷载10 m3混凝土的流态模拟后发现，在搅拌状态混凝土被叶片从后方推向前方的同时，会在前锥与中筒的位置形成涡流[6]。但是，此处的涡流集中在搅拌筒中下部，并不会对中上部搅拌叶片等部件形成冲击，因此搅拌过程中混凝土对叶片的冲击并不是造成车身抖动主要原因。

图2 装载10 m3时混凝土在搅拌筒内的流速分布图

3.3 叶片与筒体间结构改善

在对混凝土流态改善过程中发现搅拌过程中混凝土液面出现周期性鼓泡现象，且混凝土鼓泡与车身抖动出现的时刻基本一致。因此，试验针对混凝土鼓泡位置处的叶片结构进行了改进，如表3所示。结果发现，当对位于搅拌筒中下部的叶片3、4、5进行割孔处理后，车身振动得以消除。因此，车身振动的直接原因是来源于混凝土鼓泡对搅拌叶片形成的冲击。

表3 针对叶片与筒体间结构改善的措施

为了进一步了解混凝土鼓泡的原因，试验分析了搅拌筒筒体和叶片的结构分布。当混凝土装载量达到8 m3时，混凝土液面处于叶片3和4顶部下端，此时前锥、封头、叶片和液面未能形成密闭空间；当装载量达到10m3时，液面淹没叶片3、4、5顶部，此时筒体、封头、叶片和液面恰好形成密闭空间。该密闭空间中空气腔随着搅拌筒筒体的转动周期性的开放、封闭、压缩和消失。在压缩过程中，空气腔被裹挟进入混凝土中，并依靠自身浮力沿着搅拌叶片向混凝土液面移动形成鼓泡，而鼓泡形成和移动过程中引发混凝土对叶片的撞击即为振动的直接来源[7]。而叶片3、4和5上的导流孔防止了封闭空气腔的形成，使其中的空气在裹挟进入混凝土之前就被叶片上的导流孔排出，从而避免了鼓泡的形成。

图3 装载8 m3和10 m3混凝土时搅拌筒筒体与混凝土液面以及搅拌叶片的相对位置对比

4 结语

试验针对8 m3混凝土搅拌运输车在满载下坡运输过程中出现的车身周期性抖动问题进行了研究，结果发现混凝土内的鼓泡导致混凝土对搅拌叶片的冲击是导致车身抖动的主要原因。混凝土液面与搅拌筒筒体以及搅拌叶片形成的密闭空气腔为鼓泡的主要来源。通过降低混凝土装载量来降低混凝土液面以避免形成封闭空气腔可以防止车身抖动问题发生。同时，在组成封闭空气腔的叶片上开设导流孔是防止鼓泡形成以及车身抖动的有效方式。研究成果对于提高混凝土搅拌运输车运行的稳定性以及改善混凝土搅拌运输车结构具有指导意义。