（机械工程专业论文）搅拌机参数优化及其试验研究.pdf

摘要 强制式搅拌机是目前常见的机种之一，应用广泛。对其参数的优化具有重要 的工程应用价值。 本文在分析强制式搅拌机特点的基础上，探讨了与搅拌质量有关的参数，并 给出了各参数优化的目标，利用正交试验设计方法，确定了试验研究的主要内容 包括关键参数的优化试验和多参数综合匹配的优化试验，根据试验内容和试验目 的，设计了试验样机。 关键参数优化试验结果表明：逆流相位差应大于单轴相位角；搅拌臂排列形 式采用正正交错排列和正正平行非连续排列：搅拌机长宽比的选择范围为o 7 1 3 ：推荐叶片线速度为1 4 耐s 1 7 耐s 。 多参数匹配试验结果给出了主要结构参数的匹配关系。即双卧轴搅拌臂料流 取围流排列；单轴搅拌臂相位角为6 0 。；拌筒采用宽短型；叶片安装角为3 5 。 经过优化后的搅拌机搅拌质量好，能耗低，结构比较简单，便于工业化推广。 关键词：强制式搅拌机：正交试验；参数优化：试验研究 a b s t r a c t o u r r e n t l y t 1 1 ef o r c e da c t i o nm i x e rh a sb e e nu s e dp o p u l a r l yi nm o s tp r o j e c t ，s oi t s p a r 锄e t e r so p t i m i z a t i o ni sv e r yv a l u a b l e b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ff o r c e da c t i o nm i x e r ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ep a r a m e t e r s c o n c e m e dm i x i n gq u a l i t y ，锄dp u t sp o n v a r do p t i m i z a t i o na i m w i t hm eh e l po f o r t h o r h o m b i ce x p e r i m e n t s ，t h em a i nr e s e a r c hh a sb e e nd e t e r m i n e dw h i c hi n c l u d e s o p t i m i z a t i o ne x p e n m e n t so ft h ek e yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na 1 1 dm u l t i - p a m m e t e r s c o m p r e h e i l s i v em a t c h i n g t h ep m t o t y p ew 船d e s i g n e db a s e do nc o m e n ta i l da i mo f m ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fk e yp a r 锄e t e r so p t i m i z a t i o ns h o wt h a tp h a s ea 1 1 9 l eo f a d v e r s ec i r c u l a t i o ns h o u l db e1 a 唱e r t h a l lm i x i n ga n t l sp h a s ea 1 1 9 1 eo nt h es i n g l es h a f t f o rt l l e a m n g e m e m sp r i n c i p l e s o fm i x i n ga n l l s ， d o u b l e p o s i t i v e i n e r l a c e d a n d d o u b l e p o s i t i v e - p a r a l l e ld i s s u c c s s i v ea r r a n g e m e n t sa r er e c o m m e n d e d l e n 百h w i d e n m t i oo f m i x i l l gt r o u g hs h o u l db ec h o o s e d 矗o m0 7 1 3a n dt h er a n g eo f l i n e s p e e do f m i ) 【i n gb l a d e si s1 4 1 1 1 st o1 7 1 1 1 s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fm u l t i - p a r 锄e t e r sc o m p r e h e n s i v em a t c h i n gg i v eo u tt h e m t i o n a lm a t c l l i n gr a l a t i o n s h i p t h ea r r a l l g e m e n to fm i x i n ga n ss h o u l db ea r o u n d i n g c i r c u l a t i o nf b 册p h a s ea n 9 1 eo fm i x i n g 姗so ns i n g l es h a f ti s6 0 。，l e n g t h - “d e n m t i oo f m i x i n gt r o u g hl e s st h a i l1a 1 1 dm i x i n gb l a d e ss e ta ta i la 1 1 9 l eo f a b o u t3 5 。 t h eo p t i m i z e dw o r k i n gd e v i c ec a ni m p r o v em i x i n gq u a l i t yw i t hs m a l l e re n e 唱y c o n s u m p t i o na i l dt 1 1 eo r g a n i z a t i o n sa r es i m p l e r ，s oi ti se a s l yb ei n d u s m a l i z c d k e yw o r d s ：f o r c e da c t i o nm i x e r o r t h o r h o m b i ce x p e r i m e n t s p a r 锄e t e ro p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确滓明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 擞作者签名彦慨 z 聊辞厂月7 日 ， 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何力+ 式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：夕轳弓亿u 瓣f 月7 日 导师签名：歹蝠当衫彩删年易月曰日 第一章综述 1 1 混凝土基本概念及其搅拌技术 1 1 1 混凝土的基本概念 混凝土是由胶凝材料将矿质混合料胶结而成的固体复合材料，作为现代土木 工程中用量最大宗的建筑材料之一，广泛应用于工业、农业、交通、国防、水利、 市政和民用等基础建设工程中，在国民经济中占有重要地位。根据胶凝材料的 不同，混凝土分为水泥混凝土、沥青混凝土等，水泥混凝土在建筑工程中用量最 大，沥青混凝土主要用作高等级公路的路面材料。 水泥混凝土( c e m e mc o n c r e t e ) ，常简称为混凝土，是由水泥、砂、石和水按 设计配合比，经搅拌、成型、养护而得到的一种人造石材n 。硬化前的混凝土称 为新拌混凝土( f r e s hc o n c r c t e ) ，或混凝土拌和物。其中，水和水泥组成水泥浆， 硬化后称为水泥石，占混凝土总体积的2 0 r 3 0 ，起胶凝作用；砂、石起骨架 填充作用，故称为骨料，占混凝土总体积的7 0 一8 0 ，能提高混凝土的强度和 耐久性；此外，在混凝土中还含有少量气孔。 混凝土是一种非匀质多相复合材料。从宏观结构看，混凝土是由骨料和水泥 石组成的二相复合材料，如图1 1 所示；从亚微观上来看，混凝土是由粗骨料、 细骨料、水泥水化产物、毛细孔、气孔、微裂纹( 因水化热、干缩等使水泥石开 裂) 、界面微裂纹( 因干缩、泌水等所致) 及界面过渡层等组成。搅拌匀质的混 凝土中，水泥浆将砂包裹成为砂浆，砂浆又将石子包裹，并填满石子间空隙，经 成型密实和养护，水泥浆硬化后就将粗、细集料牢固胶结为具有一定强度和其他 许多重要特性的整体3 。 匮q e e 剐 图卜1 混凝土宏观结构 工程上应用的混凝土，在合理使用和节约原材料的原则下，一般需满足和易 性、强度、耐久性和经济性等基本要求。 混凝土结构主要承受各种载荷或抵抗各种作用力。强度是混凝土最重要的力 学性质1 。通常包括抗压、抗拉、抗折、剪切和粘结强度等。混凝土的抗压强度 较高，因此，在各种混凝土结构中，主要用其承受各种压力。同时，其他力学强 度都与抗压强度相关，在结构设计中，均可通过抗压强度折算。因此，水泥混凝 土的强度往往以抗压强度作为基准，强度等级按立方体抗压强度标准值划分，相 关规定见混凝土强度检验与评定标准( g b j l 0 7 - 8 7 ) ，相关试验方法见普通 混凝土力学性能试验方法( g b j 8 1 8 5 ) 。混凝土抗拉强度较低，约为抗压强度的 7 1 4 ，在混凝土结构中一般不承受拉应力。对于承受弯曲作用的结构件，混凝 土抗弯折强度尤为重要，如道路路面、机场道面，此时，通常采用抗折强度作为 主要强度指标，抗压强度作为强度参考指标。 影响混凝土强度的主要因素如下”1 ： 1 原材料的质量：水泥、添加剂、骨料等的质量； 2 配合比：水灰比、含气量等； 3 施工方法：搅拌方法、浇筑方法、捣固程度； 4 养护方法( 温度、湿度等) 与龄期； 5 试验方法：试件尺寸、形状及加载速度等。 研究发现，界面是混凝土结构中最为薄弱的环节6 1 ，因此，改善界面过渡层 的结构或界面粘结强度是提高混凝土强度及其他性质的重要途径，而合理的搅拌 是简单、经济的重要方法之一。 1 1 2 搅拌目的及新的搅拌概念 众所周知，水泥混凝土作为一种分散的介质分子的水化物薄膜层粘结各相颗 粒而形成的胶凝结构 1 ，具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放时间 等物理力学性能。而高的剪切强度、粘性使混合物各组分均匀分散的搅拌过程 变得复杂、困难。通过搅拌，只有当所有组分均匀分布和每一骨料颗粒都被水化 物薄膜包裹时，即各组分同时达到宏观和微观上的均匀分布时，混合物的胶凝结 构才最稳定。这样的结构能够消除混凝土内部的宏观及微观缺陷，凝固后才能达 到最大强度8 。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于9 1 ： 2 ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上均匀； ( 2 ) 破坏水泥粒子的团聚，使其各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发展： ( 3 ) 破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层： ( 4 ) 由于集料表面常覆盖一薄层灰尘及粘土，有碍界面集合层的形成，故应 使物料颗粒间多次碰撞和互相摩擦，以减少灰尘薄膜的影响； ( 5 ) 提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹交叉的频率，以加速达 到匀质化。 为了达到上述搅拌目的，搅拌过程中物料的位移必须通过对流运动和扩散运 动实现。对流运动使各组分在宏观上达到均匀分布，这种运动在搅拌过程中是最 基本的，也是最主要的；扩散运动使各相表面间结合良好，达到微观上的均匀。 换言之，比较完善的搅拌过程，物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运 动来完成。这就是新的搅拌概念。它的提出，主要基于对建筑材料性能及其结构 形成过程和搅拌机工作机构与混合料间相互作用关系的研究。 1 1 3 搅拌机理 根据前述搅拌目的和概念，为了使混凝土各组分达到宏观和微观上的匀质， 在搅拌过程中，必须设法使各组分颗粒和液滴都产生运动，并使其运动轨迹交叉， 交叉运动愈剧烈、交叉次数愈多，混凝土愈易混合均匀。混凝土混合料在搅拌过 程中要达到均匀混合的机理是十分复杂的，根据混合物各组分颗粒和液滴产生运 动的方法不同，混凝土混合料搅拌过程中有如下基本运动： ( 1 ) 对流运动 对流运动是指混合料各组分在宏观范围内循环流动、趋于混合均匀的现象。 在搅拌过程中，混合料各组分在外力作用下，具有不同的运动速度和轨迹，形成 对流运动，使混合料各组分不断相互混合。因此，对流运动在搅拌中是最基本的， 也是最主要的，使混合料达到宏观上的匀质性，保证混凝土使用的基本要求。 ( 2 ) 扩散运动 扩散运动是指混合料各组分在微观界面上相互穿插渗透、力求稳定状态的现 象。与对流运动不同，扩散运动主要在微观范围内发生，促使各组分相表面间的 良好结合，达到微观上的均布，大大改善混凝土的性能。如果说对流运动使混合 料在宏观上拌匀，扩散运动则使混凝土在微观上拌透。 ( 3 ) 剪切运动 剪切运动是指混合料各组分沿滑动面相对滑动、逐渐混合均匀的现象。在搅 拌过程中，各组分除相互间的匀化，还不断发生水化反应，增加搅拌的难度。剪 切作用克服物料的惯性、摩擦力和粘滞性，使物料不断重新匀化，保证混合料各 组分的均匀混合。 在实际搅拌过程中，混凝土混合料要达到均匀混合的运动方式是综合性的， 各运动良好配合，同时作用，使混合料各组分相互碰撞、相互渗透，促使各组分 颗粒，特别是水泥颗粒的弥散分布，达到混凝土在宏观和微观上的匀质。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外发展现状 1 9 世纪4 0 年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的自落式搅 拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到8 0 年代，才开始用铁或钢件 代替木板，但形状仍然为多面体。1 8 8 8 年法国申请登记了第一个用于修筑战前 公路的混凝土搅拌机专利。2 0 世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及， 其工作原理如图卜2 所示。形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积， 提高了搅拌质量和效率。1 9 0 3 年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混 凝土的预拌工厂。1 9 0 8 年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电 动机则成为主要动力源。从1 9 1 3 年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1 9 5 0 年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶 片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主川。 自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。工作时， 随着拌筒的转动，物料被搅拌筒内壁固定的叶片提升到一定高度后，依靠自重下 落。由于各物料颗粒下落的高度、时间、速度、落点和滚动距离不同，从而物料 各颗粒相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。自落式搅拌机结构简单，可 靠性高，维护简单，功率消耗小，拌筒和叶片磨损轻，但搅拌强度不高，生产率 低，搅拌质量不易保证。此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土，广泛应用于中小 型建筑工地。按拌筒形状和卸料方式的不同，有鼓筒式搅拌机、双锥反转出料搅 拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等，其中鼓筒式搅拌机技术性能落后， 已于1 9 8 7 年被列为淘汰产品。 随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对 4 混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性 能和技术水平方面的提高与发展。各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形 式、传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产工艺等方面进行改进和探索。 2 0 世纪4 0 年代后期，德国e l b a 公司最先发明了强制式搅拌机，和自落式 搅拌机的工作原理不同，强制式搅拌机利用旋转的叶片强迫物料按预定轨迹产生 剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到匀质 搅拌。强制式搅拌机工作原理如图卜3 ，与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机搅 拌作用强烈，搅拌质量好，搅拌效率高，但拌筒和叶片磨损大，功耗增大。此种 搅拌机适于拌制干硬性、轻骨料混凝土以及特种混凝土和专用混凝土，多用于施 工现场的混凝土搅拌站和预拌混凝土搅拌楼。根据构造特征不同，主要有立轴涡 浆式搅拌机、立轴行星式搅拌机、立轴对流式搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅 拌机等。 图卜2 自落式搅拌机工作原理示意图 图卜3 强制式搅拌机工作原理示意图 随着技术的发展，强制式搅拌机在德国的b h s 公司和e l 队公司、美国的 j o h n s o n 公司和r e xw o r k s 公司、意大利的s i c o m a 公司和s i m e n 公司、日本的 日工株式会社和光洋株式会社等企业发展迅速，目前己形成系列产品。比如德国 的e m c 系列、e l s 系列搅拌站和u 叫系列、e m t 系列搅拌楼，意大利的m a 0 系列 搅拌站、m s o 系列大型搅拌基地等。 我国混凝土搅拌设备的生产从2 0 世纪5 0 年代开始。 1 9 5 2 年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌 机，进料容量为4 0 0 l 和1 0 0 0 l 。7 0 年代末至8 0 年代初，我国为适应建筑业商品 混凝土大规模发展的需要，在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了 新一代j z 型双锥自落式搅拌机、j d 型单卧轴强制式搅拌机。其中，j s 型双卧轴 搅拌机在8 0 年代初研制成功。8 0 年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商 品混凝土成套设备，研制出了1 0 多种混凝土搅拌楼( 站) 。经过引进吸收、自主 开发等几个阶段，到本世纪初，国内混凝土搅拌机技术得到长足发展，在产品规 格和生产数量上，都达到了一定规模，出现了一批具有自主知识产权的新技术， 逐步形成了一个具有一定规模和竞争能力的行业。 1 2 2 发展趋势 实践证明，用自落式和强制式搅拌机搅拌混凝土，一般在较短的时间内就 可以达到宏观上的均匀。但对这种拌和料仔细观察时，发现新拌水泥混凝土中有 些骨料表面是干燥的，另外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀的 混凝土中的水泥浆放在显微镜下，还会发现水泥颗粒并没有均匀分散在水中。有 1 0 3 0 的水泥颗粒三三两两聚在一起，形成微小的水泥团，如图1 4 ( a ) 所示。 水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。因为水泥的水化作 用只在水泥颗粒的表面进行，如果水泥颗粒聚团，则水化作用的面积减小，使混 凝土具有强度的水化生成物减少。所以，必须把聚团的水泥颗粒分开，使其尽可 能接近图1 4 ( b ) 所示的理想分布状态。使用双卧轴强制搅拌机拌和沥青混凝土 时，也有人做过测定，相应拌和时间为2 m i n 和3 h ，沥青包裹骨料表面的概率分 别为8 3 3 和9 6 1 。 b ) 图卜4 水泥颗粒分布情况 因此，仅仅依靠机械搅拌作用，难以使建筑混合料达到完全均匀，必须采用 其它的辅助方式或新的搅拌原理，来提高混合料的均匀度。实践中，为提高混凝 土的性能指标，控制其复杂的结构形成过程，采用着各种强化方法“”。 随着对混凝土生产质量要求的不断提高和各种新技术在搅拌技术中的应用， 近年来，出现了多种新型搅拌机，主要包括：连续式搅拌机、二次搅拌装置、无 搅拌叶片的摆盘式搅拌机、蒸气加热搅拌机、超临界转速搅拌机、声波搅拌机、 自落一强制式搅拌机和振动搅拌机等。但总的来说，搅拌机的发展与混凝土的发 展密切相关柏，并进一步向大型化、多功能和智能化方向发展。 6 1 3 课题研究背景及意义 1 3 1 课题研究背景 随着经济建设的日益发展，国家不断加快城市建设和基本建设，西部大开发、 西气东输、南水北调和奥运工程等一大批国家重点建设项目全面展开，国内对混 凝土搅拌设备的需求量随之增加。根据散装水泥发展“十五”规划发展目标 要求，2 0 0 5 年，我国预拌混凝土生产能力要达到3 亿m 3 ，预拌混凝土占混凝土 浇注总量的比例达到2 0 ，其中大中城市要达到5 0 以上，这为混凝土的搅拌行 业提供了巨大的发展商机。商品混凝土的大力推广和工程建设施工的高质量化、 高效率化和高效益化，从客观上推动了混凝土搅拌质量、搅拌设备在使用性能与 技术水平方面的迅速提高和发展。此外，从市场需求看，用户对施工质量的要求 越来越高，一些传统搅拌设备已无法满足越来越高的施工要求们。 在公路交通事业快速发展的推动下，我国已成为沥青混凝士和道路稳定材料 的生产大国，搅拌设备的年产量也居世界首位。然而，相比之下，我国混凝土搅 拌设备的发展却相对落后，搅拌质量与效率比较低，拥有自主知识产权的技术很 少。因此，在现有搅拌设备与技术的基础上，探索新的搅拌理论，研究搅拌过程 优化技术，开发适合我国国情且发展潜力大的新型高效搅拌设备迫在眉睫。 1 3 2 课题研究意义 目前我国年产水泥混凝土约1 5 亿m 3 ，搅拌机的年产量也居世界首位。相对 而言，我国混凝土搅拌技术相对落后，具有自主知识产权的技术很少。随着近年 来商品混凝土的大力推广以及工程建设施工的高效率化、高质量化和高效益化， 客观上推动了混凝土搅拌设备向高效率、高质量方向发展。此外，从市场需求看， 用户对施工质量和效率的要求也越来越高，一些传统产品已无法满足越来越高的 施工要求。因此，必须在现有结构基础上进行参数优化卯，同时寻求新型搅拌 原理或新型搅拌机型。 在现有强制式搅拌机基础上，开发适合我国国情、发展潜力较大的新型搅拌 机迫在眉睫。一方面，通过新型搅拌设备的开发、新技术的探讨和创新，提高混 凝土搅拌设备的设计和技术水平，并带动相关技术发展，创造良好的社会效益： 另一方面，通过高效混凝土搅拌设备的研究，推动搅拌设备性能的全面提高，推 出适应市场要求、具有更高可靠性和较强竞争力的产品，获得更好的经济效益。 依据新的搅拌理论，采用理论分析和试验研究相结合的方法，较好地解决强制式 搅拌机多参数优化匹配问题，为研制具有自主知识产权的高效搅拌设备奠定基 础，将具有良好的经济和社会效益。 1 4 本文研究内容及方法 为了提高混凝土的搅拌质量和效率，全面提升混凝土搅拌设备的工作性能， 并使混凝土的搅拌质量与拌和设备效率相统一，搅拌装置的参数优化问题成为搅 拌技术的研究重点。 针对搅拌机多参数综合优化及其试验研究问题，本文提出以下研究内容： ( 1 ) 多参数优化目标及方法； ( 2 ) 搅拌机构及其多参数综合优化分析； ( 3 ) 多参数综合优化的试验研究与结果分析。 为了达到本课题研究目的，完成搅拌机构多参数的匹配和优化，本文采用理 论分析和试验研究相互结合，互为补充的方法。一方面，通过理论分析，针对强 制式搅拌机特点和多参数优化目标，对多参数进行理论分析，为试验研究提供理 论依据和试验基础；另一方面，利用设计的试验样机进行试验研究，测定整机的 各项性能，通过分析试验结果，完成对理论分析的检验，得出多参数优化和匹配 结论，完成课题研究内容，为工业化应用奠定坚实的基础。 第二章多参数优化理论及样机设计 2 1 多参数优化理论 2 1 1 优化目标 新拌水泥混凝土可以看作一种由水和集料分散粒子组成的复杂分散体系，具 有弹性、粘性、塑性等诸多特性。目前许多学者应用流变学理论深入研究混合料 各种特性，以便了解其变形的本质，一般借助宾汉姆饵以g 蛔聊) 模型进行研究们。 混凝土的搅拌过程涉及物理的、化学的等多个过程，极其复杂，与搅拌过程 相关的参量众多。搅拌过程既受搅拌介质物理性能的影响，又受搅拌机工作时运 动参数的影响，还受搅拌机结构几何参数的影响。其中，表达搅拌装置机械结构 的几何参数决定了搅拌的物理模型，是影响混凝土搅拌过程的首要因素；而有关 搅拌装置工作时的运动参数和搅拌介质性能的物理参数则体现于对搅拌过程的 数学描述方程中，是影响混凝土搅拌过程的重要因素。 搅拌过程的模型化为搅拌装置参数的优化提供了理论依据7 1 。分析搅拌过 程所得到的搅拌系数的物理意义，结合工程实践中对混凝土搅拌机的技术要求， 就可以得到搅拌装罱参数优化的目标与方法们。 强制式搅拌机构由圆槽形拌筒、按特定方向转动的搅拌轴和其上安装的搅拌 叶片组成。搅拌叶片的作用半径是相互交叉的，叶 片与轴中心线成一定角度，并且前后上下都错开一 定的空间。图2 1 所示为普通双卧轴搅拌机结构示 意图，当搅拌轴转动时，叶片一方面带动混合料在 两个拌简内轮番地作圆周运动，上下翻滚，同时在 搅拌叶片相遇或重叠的部位，混合料在两轴之间的 共域相互交换体位：另一方面推动混合料沿着搅拌 轴方向，不断地从一个旋转平面向另一个旋转平面 运动。通过复杂的搅拌作用，混合料能很快达到需 要的匀质性。 图2 一l 双卧轴搅拌机结构示意图 在强制式搅拌机中，取一运动的微小混凝土混合料作为一个运动单元，该单 元在搅拌过程中有着复杂的运动形式“”。当搅拌叶片带动该单元由拌筒底部向 上运动时，由于其处在重力作用下没有其他阻挡，混合料从由挤紧状态松脱出来 9 产生分散抛落，如同自落搅拌过程；当搅拌叶片推动该单元向下运动时，由于拌 筒内壁和附近物料的阻力，使混合料受到挤压力、摩擦力作用，既有大循环的流 动，又有小范围的挤散和重新混合，如同强制搅拌过程。所以，在搅拌轴旋转的 过程中，强制式搅拌机既有自落搅拌作用，也有强制搅拌作用；既有对混凝土的 切割，也有一定的冲击。如双卧轴搅拌机，两根 反向旋转的搅拌轴带动叶片所形成的交叉料流， 如图2 2 ，在混合料间产生强烈的对流挤压，使 混合料在任一瞬间受到不同方向外力作用，为混 凝土实现宏观和微观匀质性创造有利的条件。 图2 2 双卧轴物料运动特性 为了达到最优条件下的匀质搅拌目的，根据新的搅拌概念，优化设计的目的 就是要寻求搅拌机构最佳的几何参数和工作参数组合，使其产生最佳的工作效 果，具有最佳的工作性能。从搅拌机的工作实际出发，理想的强制式搅拌机应具 有搅拌质量好、生产效率高、能耗低和机构简单等特点。因此，选取搅拌机构参 数优化的目标为：在尽可能短的时间内，保证搅拌质量最优，即在给定的搅拌时 间内，拌筒三维坐标方向都能同时达到较好的均匀性。 2 1 2 优化方法 混凝土的搅拌过程就是搅拌机构连续不断克服混合料的屈服应力和塑性粘 度值的过程。混合料各组分相表面间的粘结力是工作阻力的主要来源，使混凝土 完全拌匀变得特别困难。 从本质上讲，搅拌过程就是在流动场中进行动量传递或者是进行动量、热量、 质量传递及化学反应的过程。其任务是要达到包括宏观和微观在内的均匀度。但 实际上，理想的完全均匀拌合是无法达到的，其最 佳状态总是无序的不规则排列，是一种“概率拌 和”。为了实现混凝土的均匀拌和，就必须研究形 成过程中物料的运动规律，研究搅拌机构与混合料 间的相互作用关系。混凝土搅拌的动态变化和发展 过程，可用图2 3 的搅拌曲线定性地描述心们。 h t mt 图2 3 搅拌的动态过程曲线 从图中可以看出，混凝土搅拌的动态过程分为三个阶段：初始阶段在宏观 水平进行，搅拌质量取决于物料的循环流动。此时，各组分间的相界面小，所以 0 各组分的扩散现象和离析现象都不明显，搅拌过程的发展速度取决于搅拌机中物 料流的运动特点。 “时刻起各组分主要是在搅拌机的工作容积内扩散分布，循环流动和扩散分 布在总的搅拌过程中起的作用趋于相近。此时，各组分运动在微观水平进行，并 且从某一时刻起扩散分布过程起主要作用( i i 段) ，与此同时离析的过程也加快。 这两种相反的过程从某时刻r 。起达到动态平衡。 此后，搅拌的实际意义已经不大，因为均匀度变化很小( i i i 段) 。个别情况时， 上述相反过程的平衡要比搅拌质量最优的r 。时刻稍晚( i i i 段曲线2 ) 。在i i 段和i 段，物料颗粒重新分布的速度不仅取决于物料的运动特点，而且还取决于物料的 结构流变特性，比如颗粒的大小、相间表面的大小和粘结力的值等。 搅拌介质在搅拌工作腔内的不同拌和运动形式是由搅拌装置的工作机构在 一定的工作参数下产生的，因此，对于具有一定物理性能的搅拌介质，使其搅拌 质量最优的完善的搅拌过程，应该是由优选的搅拌装置机械结构参数与最佳的工 作参数合理匹配的结果，这些主要参数包括：搅拌臂的排列形式，搅拌叶片的安 装角度，搅拌筒的长径比，搅拌轴的工作转速( 或叶片线速度) 等。 在圆柱空间坐标系( 瓜几幻或( 五，、妒) 中，在不同的搅拌时间，若 按三维坐标方向测搅拌的均匀度就可知道在所有方向都达到给定均匀度的时间。 一般来说，在三个方向同时达到给定均匀度指标是不可能的，总是有先有后。以 立轴式强制搅拌机为例，在搅拌工作腔不同坐标方向按极限分布加料，在不同的 搅拌时间段检测相应的均匀度，就能发现难以达到均匀的方向。应根据试验测试 的结果，朝着优化目标，调整搅拌参数，使被搅拌的混合物能够在所有方向都同 时达到给定的均匀度。 试验研究时，对应着工作腔空间三个坐标方向，可采用如图2 4 所示的a 、 b 、c 三种不同的极限分布加料方式： a 分层布料：将石子1 、水泥2 、砂3 分成三层，按层撒布，最后加水搅拌。 这时，搅拌速度系数a 。，的角标中，力= l ，五爿司，即在牙向初始分布最不均匀， 数学表达式为 叱矶，小 0 z z 。 ( 2 1 ) z z 0 b 按圆环形布料：这时门爿= 0 ，柑，沿，向分布最不均匀。 叱矶 小口葚 z ) c 按扇形布料：这时门面= 0 ，j ：1 ，物料沿p 向分布最不均匀。 叱矶，r ，小 o ：翟石 c z - s ， ( a ) 分层布料( b ) 按圆环形布料( c ) 按扇形布料 图2 4单立轴间歇式搅拌三种不同的布料方式 某立轴间歇式强制搅拌机的主要结构参数是r = o 2 m ，尺2 0 6 2 5 m ，= 0 1 5 m 。按国标给定均匀度指标：粗骨料质量的相对误差g 6 i 。，以保证搅拌质量，同时缩短搅拌时间。 双卧轴强制式搅拌机的发明与改进，正符合本文提出的搅拌装置参数优化的 目标及研究方向。图2 6 是一种双卧轴搅拌装置工作时的物料运动示意图， 复杂的物料运动更易保证搅拌质量。 图2 咱一种双卧轴搅拌装置工作时的物料运动示意图 2 2 试验样机的设计 2 2 1 设计要求及主要参数 根据课题研究，样机首先要能完成不同搅拌参数的对比试验，验证各搅拌参 数对样机性能的影响：其次，应能通过试验完成搅拌参数的优化，实现样机在尽 量短的时问内达到匀质搅拌；同时，力求结构紧凑，易于操作和维护，特别搅拌 机构的设计应尽可能是在现有机构上的简单改造，以便工业化试验和推广。 为便于搅拌参数优化试验的实施，在参考文献【3 】所设计的双卧轴试验样 机的基础上，通过更换双叶片搅拌机构，完成样机设计。该样机同时具备静态搅 拌( 普通搅拌) 和振动搅拌两种作用，可用于不同的试验研究目的，其主要搅拌性 能参数见表2 1 ，主体结构见图2 7 。 表2 1 试验样机主要搅拌性能参数 性能参数单位数值 公称容量 l1 0 0 叶片线速度 m s1 4 7 搅及 型号 b w d 7 5 4 2 9 拌减 功率 k w7 5 电速 减速比2 9 机器 输出转速 5 0 | 童 ， 僵筛赫 黯舒1 酗地 盛 懂刚斟 _ 一 塞 陟 l 目 黼 骨 l 蹲i | l l 一搅拌电机2 一同步齿轮3 一轴承座i4 一轴端密封5 一搅拌机构 6 一卸料机构7 一轴承座i i8 一振动电机 图2 7 双卧轴搅拌机主体结构图 振动作用能够强化搅拌过程，并显著提高混凝土的搅拌质量2 。考虑振动 强化搅拌的作用，样机设计有振动搅拌装置。但本文主要是研究双卧轴搅拌机整 机参数优化及匹配问题，以便改善搅拌性能，提高搅拌质量。因此本次试验只考 虑静态搅拌( 普通搅拌) 的作用，对振动搅拌暂不作研究。该试验样机静搅拌的基 本工作原理与普通双卧轴搅拌机一样，动力从电机通过摆线针轮减速器，变速后 由弹性联轴器直接传递给一对同步齿轮，从而带动两根搅拌轴作反向同步转动。 轴端密封共采用三道密封技术，即迷宫环、浮封环o 型圈和骨架油封。卸料采用 手动方式，通过搅拌筒底部的偏心旋转扇形闸门来控制。由于试验条件的限制， 也为了简化设计，该样机没有设计耐磨衬板和上料机构，试验中采用人工上料， 这虽然会对搅拌质量和搅拌时间产生一些影响，但由于是在相同条件下进行试 验，所以仍然能够完成试验任务。 搅拌机构是本次试验研究的重点。由于试验中要分别比较拌筒不同长宽比 和搅拌臂不同排列形式以及搅拌叶片不同安装角度对搅拌质量的影响，因此要求 4 拌简的长宽比、搅拌臂的排列和搅拌叶片的安装必须能够调节，而且要求拆装、 维护方便。 2 2 2 搅拌机构的设计 ( 一) 搅拌叶片的设计 搅拌叶片的形状是根据拌简直径、叶片安装角度( 轴向和径向安装角度) 、 叶片在轴向和径向所占搅拌区域长度和叶片设定高度等参数设计的。其中，侧搅 拌叶片分左旋和右旋两种。 搅拌叶片的外缘利用拌简直径构成的圆柱体， 与拌筒内壁的间隙大小对叶片使用寿命和搅拌能 耗的影响，设计搅拌叶片的外缘与拌简内壁的间隙 4 m m ，并且成变间隙的楔形，见图2 - 8 。先接触 物料的前端间隙小于后端，相差l 2 m m ，利于集 料一旦被卡后的释放2 2 1 。 对于搅拌臂和搅拌叶片的安装设计，则都 采用了抱瓦结构，通过螺栓的夹紧作用分别固 定在相应的搅拌轴和搅拌臂上，具体结构如图 2 9 所示。试验中，根据拌筒长宽比的不同和试 验研究的要求，搅拌叶片的数量可以相应的增 减；通过调节搅拌轴抱瓦，可以调节单轴搅拌 臂相位和双轴搅拌臂相位差；通过调节搅拌臂 抱瓦，可以调节搅拌叶片的轴向安装角。 ( 二) 拌筒长宽比 通过曲线拟合得到。考虑叶片 图2 8 楔形间隙示意图 侧拌臂和侧叶片主拌臂和主叶片 图2 9 搅拌臂和搅拌叶片结构 拌筒长宽比变化是通过在搅拌筒中横置挡板实现的，即保持拌筒宽度不变而 对拌筒长度进行调节。挡板的形状与搅拌筒横截面是一致的，可以通过螺栓固定 在与拌筒焊接的角钢上，从而将拌筒由窄长形分隔为宽短形。样机设计窄长形拌 筒的长宽比为1 1 1 ，宽短形拌筒的长宽比为0 7 8 。 第三章试验研究 3 1 试验制度 3 1 1 混凝土配合比的设计 混凝土配合比设计必须满足四项基本要求吨”：a ) 施工性能一混凝土拌和物 应具备满足施工操作的和易性b ) 力学性能一硬化后的混凝土应满足工程结构设 计或施工进度所要求的强度和其它有关力学性能：c ) 耐久性能一硬化后的混凝土 必须满足抗冻性、抗渗性等耐久性要求；d ) 经济性能一应在保证混凝土全面质量 的前提下，尽量节约水泥，合理利用原材料，降低成本。 影响水泥混凝土性能的因素很多，其中各组成材料的质量和其配合比是影响 混凝土性能的内因。一个合理的配合比，对提高水泥混凝土在各方面的性能，有 着重要的作用。混凝土的配合比设计，实质上就是确定四项材料用量之间的三个 对比关系，即三个参数。 ( 1 ) 水灰比降，c ：水与水泥之间的比例关系，用水与水泥用量的质量比表 示。 ( 2 ) 砂率。：砂子与石子之间的比例关系，用砂子重量占砂石总重的百分 数表示。 ( 3 ) 单位用水量所。：水泥净浆与骨料之间的比例关系，用1 一混凝土的 用水量表示。 水灰比、砂率、单位用水量三个参数与混凝土的各项性能之间有着密切的 关系，如图3 1 所示( 图中，粗实线表示直接关系，细实线表示主要关系，虚线 表示次要关系) 。正确地确定这三个参数，就能保证混凝土满足一定的设计要求。 水灰比 用水量 砂率 强度 耐久性 和易性 图3 一l 配合比参数与混凝土性能关系 考虑本次试验研究的目的，同时为完成与参考文献【3 】和【2 1 】研究结果 的对比，因此在试验过程中保持混凝土组成材料及其配合比的恒定，即各组试验 所用的混凝土均采用同一配合比设计：水泥3 1 k g ，水1 7 k g ，砂6 6 蚝，石子1 2 7 k g 。 3 1 2 混凝土搅拌制度 为保证试验结果的客观性，尽可能减少人为因素，除严格控制原材料质量和 合理设计混凝土的配合比外，还需正确设计搅拌制度。 ( 一) 叶片线速度 搅拌叶片线速度作为双卧轴搅拌机的重要技术参数，不仅影响混凝土的搅拌 质量和工作过程中的能耗，而且还制约着整套设备的生产能力。确定合理的叶片 线速度对于充分发挥搅拌机的作用，具有很大意义。 目前，国内确定双卧轴搅拌机叶片线速度的方法主要有两种，一是根据国外 经验数据和实际使用经验，将搅拌叶片线速度范围控制在1 4 1 6 m s 之间：二 是以搅拌机工作时的物料的离心力不大于它与搅拌叶片间的摩擦力为条件导出 转速，即 名矿小警擦：珂 ( 3 - 1 ) 2 小可r ，摩擦2 删 ， 当混凝土与叶片间摩擦系数，取0 6 2 时， 打三毒兰，m i n( 3 2 ) 月 以上两种设计方法在实际中均有所应用。本次试验是根据叶片线速度为 1 5 m s 左右进行设计的，其实际取值受到减速器的输出转速和搅拌筒半径的影 响。试验过程中根据试验要求，利用变频器对电机调速，以获得所需搅拌速度， 依据试验结果最终确定合理的线速度。 ( 二) 搅拌时间 搅拌时间是指从所有物料投入搅拌筒时起至混凝土混合料开始卸出时为止 所经历的时间。它直接决定物料在搅拌机内受各种搅拌作用的持续时间，是影响 搅拌质量的重要因素，不同类型的搅拌机和不同坍落度的混凝土有着不同的最佳 搅拌时间2 4 “2 ”。搅拌时间的长短首先应保证混合料被彻底拌和成符合质量要求 的混凝土拌和物，保证混凝土拌和物达到要求的坍落度、含气量和密度，保证硬 化后达到规定的强度，同时满足生产率和经济性的要求。所以，搅拌时间的选取 应在保证搅拌质量的前提下，尽可能的短。但这个短是有限度的，因为搅拌时间 太短，会降低混凝土拌和物的匀质性，继而降低混凝土的强度，影响混凝土的质 量。国家标准混凝土结构工程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 9 2 ) 规定了最短的搅 拌时间2 6 1 ，实际搅拌中不能少于这个规定的时 间，以保证混凝土生产质量。另一方面，搅拌 时间过长，则会出现“过搅拌”问题，效果同 样不好。首先是会降低生产率，而更为严重的 是随着搅拌时间的延长，混凝土的离析加重， 粗骨料被挤碎的概率增加，从而使混凝土质量 变差，而且浪费电能、损耗设备。从图3 2 所 示的搅拌时间特性曲线中可看出，混凝土的搅 图3 2 搅拌时间特性曲线 拌存在着最短和最长搅拌时间，搅拌时间的选取要结合实际情况综合考虑。 在本次试验研究中，由于试验装置和试验条件的限制，特别是采取人工计量 和上料，在一定程度上影响了混凝土的搅拌质量，这需要通过延长搅拌时间来改 善。根据国家标准混凝土结构工程旌工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 9 2 ) 的有关规定， 选取搅拌时间为干拌8 s ，湿拌6 0 s ，以便尽可能接近工程实际的混凝土生产过程， 便于试验结果的纵向比较。 ( 三) 投料顺序 确定原材料投入搅拌机的先后顺序，应综合考虑提高混凝土拌和物的质量、 减少混合料粘罐和扬尘现象、降低能耗、提高生产率等几方面因素，其中搅拌质 量占首要地位。常采用的投料顺序有一次投料法和二次投料法等。 一次投料法是将砂、水泥、石子和水一同加入搅拌筒内进行搅拌。此时，供 水方式对搅拌质量和搅拌时间有较大的影响。试验证明2 ，当向搅拌筒整个空 间均匀供水时，只需很短的时间就可搅拌均匀；而集中供水时，搅拌时间长且强 度离差系数大。二次投料法也称先拌水泥浆法，是先将砂、水泥和水加入搅拌筒 内制成水泥砂浆后，再投入石子搅拌成均匀的混凝土。二次投料法是在不增加原 料的情况下，通过投料程序的改变，使水泥颗粒充分分散并包裹在砂子表面，避 免小水泥团的产生，因而可以提高混凝土强度。 在本次试验中，由于样机没有上料机构，完全是人工投料，只能采用先从拌 筒一侧投入干物料，干拌8 s 后，自动上水装置动作，开始定量加水。结合试验 条件，采用的具体投料顺序为：先倒砂子，再倒水泥，然后倒石子，以使水泥处 于砂石之间，可以避免水泥粘罐及降低水泥扬尘。 ( 四) 容积利用系数 搅拌机的容积利用系数是指搅拌机的出料容积与几何容积之比，主要以搅拌 质量的优劣为确定依据，目前主要存在两种观点：多加慢搅和少加快搅。即：一 次多投料，延长搅拌时间；反之，一次少投料，减少搅拌时间。显然，在确保搅 拌质量的前提下，容积利用系数越大，搅拌机的生产能力也就越大。但是，当容 积利用系数大到一定程度时，不仅搅拌功率急剧增加，而且由于每批拌和料数量 过多，造成物料拥挤，减少被翻拌机会，降低搅拌效果，从而导致搅拌质量下降。 因此，容积利用系数的增加是有限的。根据设计标准规定，搅拌机的出料容积与 进料容积之比为0 6 2 5 ，而几何容积应大于进料容积。此外，搅拌机还应具备1 0 的超载能力。于是， 容删用系数2 鼍瓦二一o s s s ， 本次试验研究中，长宽比为1 1 1 的窄长形拌筒时，设计容积利用系数为 o 1 6 ；长宽比为0 7 8 的宽短形拌筒时，设计容积利用系数为0 2 3 。 经初步试验，在该搅拌制度的条件下，混凝土的搅拌质量基本能够得到保证。 3 2 试验内容 本次试验在理论分析的基础上，通过对搅拌机构的设计和试验结果分析，研 究多参数综合优化的问题。主要试验内容包括： ( 1 ) 搅拌机构的搅拌臂最佳排列形式； ( 2 ) 搅拌叶片最佳安装角度： ( 3 ) 搅拌筒最佳长宽比： ( 4 ) 搅拌线速度的合理取值范围； ( 5 ) 与普通搅拌机的对比试验。 在搅拌时间、投料顺序、混凝土配合比等试验条件完全相同的情况下，按正 交设计试验方案2 8