毕业论文：混凝土运输车搅拌桶减速器结构与转向控制系统的设计.doc

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毕业论文（设计）

题目：

混凝土运输车搅拌桶减速器结构与转向控制系统的设计

系部名称：

机械工程系专业班级：

机自073

学生姓名：

胡振飞学号：

200780734306

指导教师：

程敏教师职称：

讲师

2010年05月20日

中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）

摘要

现在我国的减速器买卖市场，大多数都是国外生产的各种型号的减速器，我国的飞速发展离不开建筑行业，再加上现在比较注重人文身心的健康，所以高噪音，大污染的混凝土搅拌站不能建在市区内部或者附近，因此运输搅拌车在现在社会中变的不可或缺并且随着社会的发展越来越多。

减速器是混凝土搅拌运输车核心的部件,减速器的工作原理是将液压马达输出的转矩，通过减速器平稳可靠地以一定转速传递给搅拌筒，对混凝土进行搅拌；卸料时，减速器反转，混凝土被筒内螺旋叶片搅动，均匀卸出。

这种专用减速器在外形上与传统的减速器有较大差别，要求产品外观简洁、体积小、维护简便，而且由于属于重载、慢速传动系统，工况恶劣，运行中易产生振动、抖动现象，因此在产品的动态特性，零部件的强度和刚度以及制造精度等方面要求很高。

近年来国内对混凝土搅拌运输车的需求高速增长，但是现在充斥着我国市场的大部分减速器都是外国的品牌，我国自己研制的减速器却分布在很少的范围之内。

本文通过模仿某种型号的减速器，完成了对该型号减速器方案的设计，完成了混凝土搅拌运输车减速器三级减速系统的设计方案，确定了减速器的各级齿轮参数和结构图。

混凝土搅拌运输车减速器的运行工况恶劣，其设计和制造要求很高。

据初步估算工作噪声≤85dB（A）；温度≤85℃，无漏油现象，与国外产品相比，这些相关的技术指标均符合要求。

所以如果成功开发该减速器，完全可以用于混凝土搅拌运输车上。

关键字：

减速器，行星轮，太阳轮，转向，控制系统

ConcretetruckmixingdrumstructureandconstantspeedcontrolgearSystem

Abstract

Ourgearisnowtradingmarket,mostlyforeignproductionofvarioustypesofgear,therapiddevelopmentofChinaisinseparablefromtheconstructionindustry,coupledwiththenowpayingmoreattentiontohumanphysicalandmentalhealth,sonoisy,bigpollutionconcretemixingstationshouldbebuiltatorneartheurbaninterior,transporttruckmixerthereforechangeinthepresentsocietyandasindispensabletothedevelopmentofsocietymoreandmore.Reduceristhecoreofconcretemixertruckparts,gearworksbythehydraulicmotoroutputtorque,stableandreliablethroughthegearspeedtobepassedtothemixingtube,formixingtheconcrete;discharge,thereducerreversal,concretecylinderhelicalbladebeingstirred,evenunloaded.Thespecificgearinappearancetothelargerdifferencebetweenthetraditionalgear,requiringsimpleproductappearance,smallsize,easymaintenance,andowingtoheavy,slowtransmission,poorworkingconditions,operationiseasytoproducevibration,jitterand,therefore,thedynamicnatureoftheproducts,partsandmanufacturingstrengthandstiffnessrequirementsofhighaccuracyandsoon.Inrecentyears,domesticdemandforconcretemixingtruckofrapidgrowth,butnowmostofChina'smarketisfullofgearareforeignbrands,developedbyourowngearislocatedinasmallrange.

Byimitatingamodelreducer,reducerprogramcompletedthedesignofthemodel,completedthreelevelsofconcretemixertruckgearreducersystemisdesignedtodeterminethegearreducer'sparametersandstructureatalllevels.

Concretemixertruckgearharshoperatingconditions,itsdesignandmanufacturingrequirementsisveryhigh.Accordingtopreliminaryestimatesofworknoise≤85dB（A）;temperature≤85℃,nooilleakage,comparedwithforeignproducts,therelevanttechnicalindicatorsareinlinewithrequirements.Therefore,ifthesuccessfuldevelopmentofthereducercanbeusedonaconcretemixertruck.

Keywords：

ReducerPlanetaryGearSungearSwerveControlSystem

目录

1引言 1

1.1混凝土运输车的背景和意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2意义 1

1.2我国在混凝土运输行业取得的成绩和存在的问题 1

1.2.1取得的成绩 1

1.2.2存在的问题 2

1.3混凝土运输车的核心部分 3

1.3.1混凝土运输车的减速器 3

1.3.2混凝土运输车的转向控制系统 3

2混凝土运输车专用减速器的设计 4

2.1行星减速器的由来和开发思路 4

2.1.1行星减速器的由来 5

2.1.2开发思路 5

2.2减速器的结构设计 6

2.2.1减速器的传动结构设计 7

2.2.2结构特点 8

2.2.3减速器的结构图 9

2.3技术参数的确定 10

2.3.1传动比的确定 10

2.3.2减速器最大输出转矩的确定 11

2.3.3行星轮内齿圈中心距 11

2.3.4行星轮模数的确定 11

2.3.5行星轮数目的确定 12

2.4零件材料的选择 13

2.4.1重要零件材料的选择 13

2.4.2箱体中部内齿圈的加工 13

2.4.3位齿轮的选择 13

2.4.4行星齿轮轴承材料和结构的确定 13

2.5行星轮系的优化设计 13

2.5.1目标函数和设计变量的确定 13

2.5.2约束条件的建立 14

3转向控制系统的设计 15

3.1电机控制转向 15

3.1.1三相电 15

3.1.2搅拌桶的三相电控制转向原理 16

3.1.3电机控制转向的现状 16

3.1.4电机控制的工作原理 17

3.1.5电机控制系统的优点 17

3.2液压控制转向系统和液压系统设计维护和常见故障排除 18

3.2.1液压传动基本原理 18

3.2.2液压系统的设计要素 21

3.2.3液压控制系统的优点 22

3.2.4液压控制系统的缺点 22

3.2.5液压系统的设计及选取液压元件的依据 23

3.2.6液压马达功率P马达、输出转速n及输出扭矩M马达的计算 24

3.2.7液压泵输入功率P泵、输出流量Q及输入扭矩M泵的计算 24

3.2.8液压元件的选取 25

3.2.9液压系统使用、日常维护及保养注意事项 25

3.2.10日常使用、维护和保养 27

3.2.11液压系统常见故障排除 28

结论 30

致谢 31

参考文献 32

IV

1引言

本文从我国混凝土运输车的背景和意义出发，论述了我国自主研制混凝土运输车核心部件——减速器的重要性，总结和概括国内外的现状，并参考国外的原型了解减速器的原理并且设计出减速器的结构。

1.1混凝土运输车的背景和意义

混凝土是现代基本建设中被最广泛采用的建筑材料随着我国建筑业突飞猛进的发展与混凝土使用相关的一些问题日益突出。

1.1.1研究背景

现在这个社会对混凝土质量的监控难以实施这直接导致了建筑物质量多次出现问题典型的如一些塌桥和道路毁坏事件给国家和人民生命财产造成重大损失，再加上建筑工地搅拌混凝土时粉尘噪声污水对工地周围环境造成很大污染三是建筑工地往往地域狭窄建筑材料堆放场地十分紧张。

1.1.2意义

预拌混凝土就是混凝土搅拌与使用分离混凝土集中在搅拌站生产然后运到工地使用一个搅拌站可以为半径20km以内的工地服务，由行政法规规定该范围内的施工工地必须使用预拌混凝土不得现场搅拌，这样只要控制了搅拌站生产的混凝土的质量，就可以对该范围内工地施工所用混凝土质量进行有效控制，同时施工场地紧张及环保等一系列问题也就都解决了。

1.2我国在混凝土运输行业取得的成绩和存在的问题

我国混凝土搅拌运输车的产品起步较晚，到70年代才开始试生产。

通过技术引进与仿制，80年代以后就发展较快了，如华东建筑机械厂与日本萱场合作的MR45搅拌运输车，韶关挖掘机厂与日本极东合作开发的EA05-61A搅拌运输车等，我国的搅拌运输车在较短的时间内便达到了国际上先进的水平，经过几十年的发展，我国混凝土机械已形成较大规模的生产能力，产品性能有了较大提高，市场竞争也越来越激烈。

1.2.1取得的成绩

（1）形成一定的规模：

我国混凝土机械行业现有生产企业200多家，产品已形成多系列、多品种规格的局面，常规产品已基本能满足施工需要。

各生产厂家的生产条件普遍得到了改善，生产能力进一步增强。

国外混凝土机械进口数量逐年下降，120m3/h以下的搅拌站、125m3/h以下的输送泵以及搅拌机等领域国产设备己占主导地位。

（2）产品性能质量进一步提高：

新产品开发速度进一步加快，“以质量求生存，以新产品求发展”已成为混凝土机械行业厂家的实际行动。

由于采用国际配套、全球采购的方针，在设计和制造中采用国际名牌产品配套，使我国商品混凝土机械的性能和质量上了一个新台阶。

在新产品开发方面，各生产厂家为了满足不同用户的需求，加大市场覆盖面，不断增加系列产品的规格和品种，如华东建筑机械厂开发的240m3/h混凝土搅拌站和9～10m3混凝土搅拌输送车，长沙中联重工科技发展股份有限公司开发125m3混凝土泵和42m、47m臂混凝土输送泵车，中建二局建筑机械总厂开发的30t散装水泥输送车等。

这些大型商品混凝土机械的批量生产，满足了国内用户需求，减少了进口量。

由于市场竞争的结果，产品价格下降，用户从中得到了实惠。

1.2.2存在的问题

在大好形势下，混凝土机械行业也存在一些带普遍性的问题：

（1）技术创新能力较差。

相当一部分厂家由于自身技术水平的限制，产品更新和开发滞后，产品多年一贯制，品种规格较少，技术含量较低，仿制产品多、名牌产品少，有专利和特色的产品以及能出口创汇的产品更少。

（2）产品雷同、规格不全。

新产品开发的机种和方式各企业大体相似，大多是跟在别人后面模仿，真正拥有专利和自主知识产权的东西不多。

同其他机械行业一样，混凝土机械行业同样存在着重复的生产状况，导致生产过剩、销售不畅，以降价作为促销的手段，从而导致微利甚至无利可图。

与此同时，国产车、泵、站等大型设备均存在着品种单一、规格不全等状况。

（3）与国外差距明显。

国外混凝土搅拌站（楼）体现了机电一体化技术，其微机控制技术成熟可靠，物料的配比、容量变更控制十分准确有些搅拌站（楼）还增加了搅拌机动态负荷监测、混凝土物料稠度控制、除尘、消声、废水处理等装置混凝土泵送技术日臻成熟，最大水平泵送距离达4000m，泵送量达180m3/h；产品多功能性增强。

我国的混凝土搅拌及输送机械尽管性能有了较大提高，但在可靠性等方面与国外相比还有不小差距，主要体现在配套电器、液压、气动元件等方面问题较多。

近年来，许多厂家均选用进口优质元器件，对提高我国混凝土机械水平起到了非常重要的作用，但在多功能方面还无法与国外相比。

加料工序

搅拌桶作正向转动

运料工序

搅拌桶作正向转动

换向工序

搅拌桶从运动状态制动

返回工序

搅拌桶作正向转动

卸料工序

搅拌桶作反向转动

1.3混凝土运输车的核心部分

混凝土运输车在生产生活中越来越多的被使用，而混凝土运输车里面最核心的部分就是减速器，因此，减速器的性能决定了混凝土运输车的实用性。

减速器的功能越优异，混凝土运输车的工作效率就越高；同时决定运输车的工作效率的另外一方面就是搅拌车的转向控制系统。

1.3.1混凝土运输车的减速器

搅拌车使用的专用减速机不仅在外形上与传统的减速机大不相同，而且由于属于重载慢速传动且工况恶劣，所以其结构设计和制造工艺也十分特殊。

开发混凝土搅拌运输车用减速器，是国内市场的需要。

从减速器的开发思路上，力求减速器最大输出转矩能够搅动的搅拌罐搅动容积范围宽，适用的车辆广，轴向尺寸短，工作噪声低。

进行了结构及基本参数（传动比、最大输出转矩、行星轮内齿圈中心距、行星轮模数和数目）的确定，包括重要零件材料的选择、箱体中部内齿圈的加工、变位齿轮的选择和行星齿轮轴承材料和结构的确定。

1.3.2混凝土运输车的转向控制系统

转向控制系统主要分为液压控制和电机控制两个方面，本文介绍了电机控制转向系统和液压控制转向系统的工作原理和优点，当前在实际中应用最广泛的是液压控制转向系统。

并详细介绍了液压控制系统的设计要素、优缺点及日常维护等。

2混凝土运输车专用减速器的设计

减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。

减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，两者的设计、制造和使用特点各不相同。

20世纪70－80年代，世界上减速器技术有了很大的发展，且与新技术革命的发展紧密结合。

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。

选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。

减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。

减速器是混凝土搅拌运输车的关键部件，要求轴向尺寸小，结构紧凑，传动比大，输出转矩大，可靠性高。

目前，国产混凝土搅拌运输车均是采用国外的减速器，国外减速器技术已非常成熟，并拥有丰富的制造经验，且仍在致力于设计结构更简单、外形更小巧、转矩更大的减速器。

由于国外产品价格高，供货不及时，维修和技术服务不方便，不能完全满足国内混凝土搅拌运输车发展的需要。

2.1行星减速器的由来和开发思路

混凝土运输车减速器的结构与其它一般的减速器结构不同的是混凝土运输车减速器内部结构的行星齿轮传动。

行星轮的实物图如图2-1所示

图2-1行星轮实物图

2.1.1行星减速器的由来

行星顾名思义就是围绕恒星转动，因此行星减速器就是如此，有两个行星轮围绕一个太阳轮旋转结构的减速器。

行星减速器是一种用途广泛的工业产品，其性能可与其它军品级行星减速器产品相媲美，却有着工业级产品的价格，被应用于广泛的工业场合。

主要用于塔式起重机的回转机构，又可作为配套部件用于起重、挖掘、运输、建筑等行业。

行星齿轮传动的主要特点是动轴传动、合理利用内啮合、功率分流，这些特点决定了它必然具备下列优点：

体积小、重量轻、传动比大、结构紧凑、承载能力高传动功率大、传动效率高、工作可靠并易于实现运动的合成、分解和变速变向。

2.1.2开发思路

开发国产减速器，不仅可填补我国该产品的空白，掌握专用减速器开发和制造的关键技术，还可满足国内市场的需要，为国家节约大量外汇。

通过收集、比较和分析国外几种混凝土搅拌运输车用减速器的结构、技术参数和外形尺寸等，发现国外的混凝土搅拌运输车用减速器最大输出转矩能够搅动的搅拌罐搅动容积有一定范围，其结构多采用两级或三级行星传动。

根据减速器的工作特点，要开发的减速器需从以下几点考虑:

（1）减速器最大输出转矩能够搅动的搅拌罐容积范围应选择混凝土搅拌运输车生产厂家主导产品的容积范围。

（2）减速器最大输出转矩能够搅动的搅拌罐容积范围尽量宽，以适用于多种搅动容积的车辆，使减速器用途广。

（3）减速器的轴向尺寸尽量短，以方便搅拌罐的安装。

（4）工作噪声低。

因此，我们决定开发两级行星齿轮传动结构，适用于8～10m3搅动容积的减速器。

2.2减速器的结构设计

混凝土搅拌运输车搅拌筒（罐）的设计容积为8～10m3，最大安装角度12°，工作转速2～4r/min和10～12r/min（卸料时的反向转速）；减速器设计传动比131∶1，最大输出转矩60kN·m，要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。

主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件6大部分。

机体间采用螺栓和销钉连接与定位，机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。

为便于用户在使用时装配与拆卸，减速器主轴线与安装面设计有15°的倾角，法兰盘轴线可以向X、Y和Z方向摆动±6°，并选用专用球面轴承作为支承。

轴承装入行星轮中，弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙≤0.2mm，减速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，总质量（不含油）为290kg。

水泥搅拌运输车的搅拌装置的动力配置共有两种形式，一种为专用发动机形式，另一种为共用发动机形式。

选专用发动机主要优点是使搅拌和行使的动力各自独立供应，这有利于保证行驶和搅拌运输的性能。

另外，即使行使发动机发生故障，搅拌装置仍能安全卸料。

这种动力装置也使搅拌装置与承载底盘之间没有动力和驱动装置上的联系，因而对底盘的选择和改装要求条件较少。

但这种装置的缺点也很多。

首先使安装结构复杂、安装布置困难。

选用专用发动机也使上车重量增加，对混凝土装载量造成损失。

专用发动机的噪声较大，不利于环保。

由于专用发动机具有以上的缺点，因此一般只在9m3以上的搅拌运输车才用。

若选择共用发动机配置，它的搅拌驱动动力引自共用的汽车发动机，由于不再为搅拌装置单独设置动力设备，所以使这种动力配置的搅拌运输车结构紧凑，造价低。

由于整车省去这部分设备的重量（一般专用发动机及其燃油箱等的总重量约500kg），因而可提高搅拌筒对混凝土的有效装载量，所以这种动力配置必需考虑共用发动机的动力储备能力，以免影响底盘的正常行驶性能，因为对选用普通载重汽车底盘来说，其发动机功率是根据汽车牵引能力业以确定的。

所以这种动力配置的确定应结合底盘的选择，综合考虑行驶、搅拌两者的功率要求和承载要求，作到所选载重汽车能同时达到上述两方面的要求而无彼此的干扰。

对以上两种动力配置的形式经过比较，发现对8m3的搅拌运输车只要所选底盘发动机的功率满足要求，选用共用发动机比选用专用发动机更有利。

2.2.1减速器的传动结构设计

该减速器采用3级减速方案：

第一级为高速圆柱齿轮传动，其余两级为NGW型行星齿轮传动。

其中，第二、三级分别有3个和4个中空式行星轮，行星轮安装在单臂式行星架上，行星架浮动且采用滚动轴承作为支承；第二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接，混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻，因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。

NGW行星轮是行星齿轮传动的一种型式，常用的还有NGWN和NW型等行星齿轮传动，NGW型行星传动由内啮合（N）、公用行星轮（G一同时参与内、外啮合）和外啮合（w）组成。

由于这种传动中基本构件是两个中心轮和一个行星架，故又称为2K—H型行星传动。

由NGW型行星传动构成的减速器与普通齿轮减速器相比，体积可减少l/2～1/4，效率可达98％～99％在图2-2中，各行星轮均布在中心轮四周。

几个行星轮既可共同分担载荷，以减少齿轮尺寸，又可使啮合处的径向分力与行星轮公转时产生的离心力相平衡，减小主轴承内的作用力，以增加传动的平稳性。

另外由于采用了内啮合，行星轮处在内齿圈内，同时其输人轴和输出轴在同一轴线上，所以提高了空间利用率，使行星减速器径向尺寸非常紧凑，因而在航空发动机和动力传动系统中得到了普遍应用。

在设计时，为使行星传动具有尺寸小、承载能力高并符合给定的传动比，必须合理选择行星轮的个数和各个齿轮的齿数。

为此应满足传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件。

图2-2NGW型行星齿轮传动简图

a---小中心轮；b---大中心轮（内齿轮或内齿圈）；c---行星轮；H---行星架

2.2.2结构特点

减速器的结构简图见图2-3，其动力传递路线为：

液压马达带动输入齿轮→第Ⅰ级太阳轮→第Ⅰ级行星轮→第Ⅱ级太阳轮→第Ⅱ级行星轮→输出齿轮→输出法兰盘。

图2-3减速器传动简图

减速器的结构特点是:

（1）行星架采用了挤齿加过盈连接，结构简单紧凑，轴向尺寸小。

一般行星轮减速器未采用这种连接方式。

（2）行星架与输出法兰盘采用鼓形齿联轴器连接，鼓形齿受力情况好，强度和寿命较直齿高，浮动灵敏，允许有一定的倾斜角，可提高浮动均载效果。

（3）输出轴上采用了外球面双列滚珠轴承，能够承受大负荷，结构简单新颖，可使输出法兰盘轴向倾斜±6°，满足了使用要求。

（4）第Ⅰ、Ⅱ级行星齿轮轴承均采用了无内圈双列圆柱滚子轴承，轴承结构简单，承载能力大。

（5）第Ⅰ、Ⅱ级行星架和太阳轮均为浮动件，传递给各行星轮的作用力相等，均载作用效果好。

（6）全部齿轮采用直齿圆柱齿轮，结构简单，易加工。

2.2.3减速器的结构图

如图2-4所示为减速器的结构图

图2-4减速器的结构图

1-输入齿轮；2-一级行星轮