（机械工程专业论文）搅拌机设计和使用中主要参数的选取.pdf

摘要 搅拌机是搅拌设备的心脏。在搅拌机设计及使用过程中，合理的选取搅拌机的结构， 运动和工作参数，直接关系到混凝土等材料的搅拌质量和搅拌效率。 论文对搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒长宽比、搅拌机转速和搅拌时间等 主要参数的选取进行分析与试验研究。通过归纳，给出了双卧轴搅拌机的主要参数，包 括搅拌臂排列、叶片安装角、拌筒长宽比、搅拌线速度等；给出了评价搅拌机参数合理 与否的准则；给出了搅拌臂排列的基本原则。 论文通过试验研究，建议用叶片推动的物料量与该搅拌机的公称容量的比值r l ，来 综合评定搅拌臂的个数，叶片面积和其他参数匹配的合理性，并作为设计时的参考；双 卧轴搅拌机的叶片的安装角范围为3 l 。一4 5 。，对国内广泛使用的宽短型双卧轴搅拌机 叶片安装角度推荐为4 5 。；对目前国内外普遍使用的双卧轴搅拌机，它的长宽比的选择 范围为0 7 1 3 ，推荐使用值为小于1 ；搅拌机的转速主要受搅拌过程中混合料不发生 离析现象所限制，对目前常用的双卧轴搅拌机，推荐的叶片线速度为1 4 m s - 1 7 m s ； 合理的搅拌时间是保证搅拌质量符合要求条件下的最短搅拌时间，它受充盈率等多种因 素影响，合理的搅拌时间应通过试拌来确定。 关键词：搅拌机、主要参数、合理性、实验研究 a b s t r a c t t h em i x e ri st h eh e a r to ft h em i x i n gp l a n t s i nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n du s eo ft h e m i x e r , t h er e a s o n a b l es e l e c t i o no fm i x e rp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d ei t ss t r u c t u r e ，m o v e m e n t a n dw o r k ，r e l a t e st ot h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ec o n c r e t eo ro t h e rm a t e r i a l sd i r e c t l y t h i sp a p e rc a r r i e so na na n a l y t i c a la n dt r i a lr e s e a r c hf o rt h es e l e c t i o no ft h em a i n p a r a m e t e r sw h i c hc o n s i s to ft h ea l i g n m e n to fm i x i n ga r m s ，t h ef i x i n ga n g l eo fm i x i n gl e a v e s ， t h el e n g t h w i d t hr a t i oo fm i x i n gt u b e ，t h er o t a t i n gs p e e do ft h em i x e ra n dm i x i n gt i m e t h o u g hs u m m a r i z i n g ，t h i sp a p e rg i v e st h em a i np a r a m e t e r so ft h ed o u b l e - h o r i z o n t a l - s h a f t m i x e ri n c l u d i n gt h ea l i g n m e n to fm i x i n ga r m s ，t h ef i x i n ga n g l eo fm i x i n gl e a v e s ，t h e l e n g t h - w i d t hr a t i oo fm i x i n gt u b e ，t h el i n e a rv e l o c i t yo ft h em i x e r ；i ta l s og i v e st h es t a n d a r d s w h i c hc a ne v a l u a t ew h e t h e rt h em i x e rp a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l eo rn o t ；i tg i v e st h eb a s i c p r i n c i p l e so ft h ea r ma l i g n m e n t b yt h et r a i lr e s e a r c h ，t h et h e s i ss u g g e s t su s i n go ft h em a t e r i a lq u a n t i t yp u s h e db yt h e l e a v e sa n dt h en o m i n a lc a p a c i t yv a l u er o ft h em i x e ra sas y n t h e t i c a l l yr u l ew h i c hc a na s s e s s w h e t h e rt h en u m b e ro fm i x i n ga r m s ，t h ea r e ao ft h em i x i n gl e a v e sa n do t h e rp a r a m e t e r sa r e r e a s o n a b l eo rn o t ，a n dt h er u l em a yb e c o m et h er e f e r e n c eo ft h ed e s i g n s ；t h ef i x i n ga n g l eo f d o u b l e h o r i z o n t a l s h a f tm i x e r sl e a v e si s31 。 4 5 。；t h ea n g l eo ft h ew i d ea n ds h o r tt y p e d o u b l e h o r i z o n t a l s h a f tm i x e rw h i c hu s e se x t e n s i v e l yo nt h ed o m e s t i ci sr e c o m m e n d e dt o4 5 0 ； f o rt h ed o u b l e - h o r i z o n t a l s h a f tm i x e rw h i c hi sp o p u l a ro nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，i t s l e n g t h w i d t hr a t i oi so 7 - 1 3 ，a n di sr e c o m m e n d e dl e s st h a n1 ；t h er o t a t i n gv e l o c i t yo ft h e m i x e ri sm a i n l yl i m i t e db yt h ep h e n o m e n o no ft h es e g r e g a t i o no fm a t e r i a l s ，a st ot h em o r e p o p u l a rd o u b l e h o r i z o n t a l s h a f tm i x e r , l i n e a rs p e e do fi t sl e a v e si sr e c o m m e n d e d1 4 r n s 1 7 m s ；t h er e a s o n a b l em i x i n gt i m ei st h es h o r t e s tm i x i n gt i m e ，b u ti tm u s te n s u r et h e q u a l i t y i ti si n f l u e n c e db ym a n y f a c t o r s ，f o re x a m p l ef i l l i n gr a t e ，a n dt h er e a s o n a b l em i x i n g t i m el i e so nt h et r a i l k e yw o r d s ：m i x e r ；m a i np a r a m e t e r s ；r a t i o n a l i t y ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 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 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者签名：同西压力 础铽月p 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。学校享有以任何方式发表、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。 劾咯年，月如日 仇伊扩年厂月伽日 k 安 碗# 位论i 第一章综述 11 混凝土及其搅拌技术的目的 1 1 1 混凝土 混凝土是由胶凝材料将矿质混合科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m 。根掘胶凝材料的不同，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 n tc o n c r e t e ) ，常简称为混凝士，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口i 。 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l1 所示；从亚微观上柬看，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( 园水化热、干缩等使水泥石开裂) 、界面微裂纹( 冈 干缩、泌水等所致) 及界面过渡层等组成。搅拌匀质的混凝十中，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自一定强度和其他许多重要特性的整体p l 。 瓣i 缫鬻二 瓣栅 嚣黼“ 瓣。 图1 1 混凝土宏观结构 研究发现，界面是混凝土结构中最为薄弱的环节，因此，改善界面过渡层的结构 或界丽粘结强度是提高混凝土强度及其他性质的重要途径，而合理的搅拌参数和工艺是 第一章综述 改善界面粘结强度的较简单、经济的方法之一。 1 1 2 搅拌目的 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 成的胶凝结构引，具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放时间等物理一力学 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【6 1 。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于【7 】： ( 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 ) 1 主1 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。 1 1 3 搅拌机理 根据前述搅拌目的，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【8 1 ： ( 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 2 长安大学硕士学位论文 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| 、日j 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 国内外搅拌设备的发展历程 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白落式搅拌机， 其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到1 9 世纪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1 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19 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。 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、时问、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，生产效率低，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， 其中鼓简式搅拌机技术性能落后，已于1 9 8 7 年被我国建设部列为淘汰产品。 3 第一章综述 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1 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1 2自落式搅拌机工作原理示意图图1 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 b a 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，目前已形成系列产品。比如德国的e m c 系列、 e m s 系列搅拌站和u b m 系列、e m t 系列搅拌楼，意大利的m a o 系列搅拌站、m s o 系列大型搅拌基地等【9 】。 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 。2 0 世纪7 0 年代未至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、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 4 长安人学硕l 学位论文 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。2 0 0 6 年，我国生产装机容量o 5 6 m 3 的搅拌站2 1 0 0 多台，已成为混凝土搅拌设备 的生产大国。 1 2 2 国内外搅拌机参数的研究现状 对搅拌设备来说，搅拌机构是核心装置，混凝土搅拌质量的好坏，搅拌机生产率的 高低以及使用维修费用的多少都与它有关，目前，双卧轴搅拌机是国内的主导机型，因 此，国内外对卧轴搅拌机技术进行了比较广泛、深入的研究。 国外对卧轴搅拌机技术的研究起因于对沥青混和料拌和抽样和方法准确度的分析 【7 1 ，由于试验中采用的1 t 间歇式卧轴强制搅拌器，抽取的样品测试数据显示了在搅拌器 的一种设计与另一种设计之间，由于桨叶的排列方式不同，有可能成为造成混合料均匀 度的明显差别的主要原因。研究人员分析认为：所用的双轴桨叶式搅拌器中，材料的主 要运动是一种在与轴垂直的平面内，围绕着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的 部位，材料在一根轴之间的区域内相互交换着，材料的辅助运动是与两根轴平行的，从 搅拌轴的一个旋转平面到另一旋转平面。在用来构成辅助运动方面，不同设计方案的搅 拌器，变化是很广泛的。混合料在两根轴之间的区域内运动是不规则的，但是在轴的两 侧，物料则围绕着搅拌器内壁在水平面内作某种循环运动，运动的程度都会受到桨叶端 面与它们移动方向的夹角的影响。 为了找到在搅拌器其它设计特点保持不变的情况下，由于改变桨叶端面的角度和安 装方式而产生的不同方案的辅助运动，以及对被搅拌的混和料均匀度的影响程度，研究 人员制造了一套带有可调桨叶的特殊桨臂。通过央紧作用，将桨叶紧固到桨臂的圆柱部 分，并可按任意角度调整，而且可按根右旋或左旋螺距来安装于搅拌轴上。在一些搅拌 器中，将垂直于它们移动方向的平面桨叶，向左和向右交替地转一定角度，使这些桨叶 的排列方式不是按照产生一种有规则的辅助运动，所以在搅拌器内材料的输送不是始终 如一地从一端到另一端。当使物料由轴的两端向中心运动时。物料向中心堆积，有一些 物料则从堆积料的顶端溢出，再从两端返回，那旱物料的水平面要低得多。在另外一些 搅拌器中，桨叶的排列可使物料产生有规则的辅助运动。一轴上的所有桨叶端面都使物 料朝一个方向运动，而另一根轴上的所有桨叶端面部使物料朝相反的方向运动。 5 第一章综述 在桨叶相对于搅拌轴不同的倾斜角度情况下，分别采用两种桨叶排列方式进行试 验：将所有桨叶调至使物料向搅拌器的中心运动：将一根轴上的所有桨叶都安装 成使物料向右运动，而另一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向左运动，以便能使物料 在平面内围绕着搅拌器产生顺时针方向的循环或旋转运动。这两种排列方式被称为“向 心”方式和“旋转”方式。试验按1 8 批物料作为一个系列来进行，它覆盖的变化因素包括： 三种桨叶角度( 1 5 。、3 0 。和4 5 。) 、两种桨叶排列方式和三种搅拌时间( 1 m i n 、2 m i n 和4 m i n ) 。获得拌和匀质性分析的样品总数为2 1 3 个。分别计算出每批混和料样品中粘 结料的百分比标准离差和通过给定筛子的物料百分比标准离差，将标准离差转换为离差 系数，以便提供不同混和料之间合理有效的比较。 研究采用按比例定量配料和向搅拌器加示踪材料的方法，发现了不同桨叶排列方式 和桨叶角度对混合料均匀度的主要影响归纳如下：评价搅拌器效果的所有三种方法： 粘结料和细料含量的一般变化规律、沿着搅拌器长度的有规则变化和示踪材料的分布， 都证明了桨叶的旋转排列方式比向心排列方式更能使粘结料和骨料产生均匀的搅拌。 在桨叶采用旋转排列方式的情况下，3 0 。和4 5 。的桨叶安装角度比1 5 。更能使粘结料 分市均匀。而在3 0 。和4 5 。的安装角度之间，则没有显示出明显的差别。当采用桨 叶的旋转排列方式时，搅拌l m i n 后已基本达到均匀度要求。在更长的搅拌时间里，均 匀度没有明显的差别。而采用向心排列方式，则要花费4 m i n 才能够达到类似的均匀度。 虽然在这项比较试验中，桨叶在不同角度下的磨损情况没有进行比较，但研究人员 发现：在被试验的搅拌器中，利用更换桨叶安装方式对搅拌效果进行比较，一个良好的 搅拌作用是由与轴线成3 0 。以上夹角的桨叶通过这样的排列方式提供的：此时一根轴上 的所有桨叶驱使材料向搅拌器的一端移动，而另一根轴上的所有桨叶则驱使材料向搅拌 器的相反一端移动，并在水平面内产生某种旋转运动。 2 0 世纪末的几年中，美国、日本等国家对卧轴搅拌机的研究取得大量专利技术【8 9 】。 出于知识产权的保护，有关卧轴搅拌机的研究方法、过程和关键技术的文献资料与数据 公开发表的比较少，大都隐含在他们的产品性能指标说明书中。 到了2 1 世纪，制造出世界上最大的搅拌机m s 0 9 0 0 0 型搅拌机的意大利西门 ( s i m e n ) 公司，研制出的m s o 系列双卧轴搅拌机的轴端密封装置拥有世界专利，所 采用的连续式润滑密封系统被证明是目前最有效的。所设计的搅拌臂厚实坚固，能适应 搅拌各种混凝土骨料，最大骨料粒径可达1 8 0 m m ，并且可以完成从零坍落度到高坍落 度的各种混凝土的搅拌，在3 0 s 内混凝土搅拌均匀度可达9 5 以上，达到我国的标准要 6 长安大学硕i ：学位论文 求和德国工业标准d i n l 0 4 5 的规定。而且搅拌臂位置可以随意调整，搅拌臂之间的夹角 可根据骨料的大小进行排列，在搅拌标准混凝土时，搅拌臂安装成9 0 。，搅拌细料时安 装成4 5 。，搅拌大骨料时可呈1 8 0 。搅拌叶片与搅拌臂用螺栓与主轴联接，维修与更 换方便快捷，为了便于磨损后的调整和更换，每组搅拌叶片均能方便地在受力磨损方向 上伸缩以调整叶片与拌筒内壁之间隙。m s o 系列双卧轴搅拌机的拌筒尺寸较同类产品 略长而低【2 0 】。 双卧轴强制式搅拌机是在单轴的基础上经过改进得来的，国内对于双卧轴搅拌机技 术的研究应追溯到对单轴强制式搅拌机的研究。 2 0 世纪9 0 年代初，哈尔滨建筑工程学院的李良、孙福玉和顾迪民认为强制式混凝 土搅拌机叶片比阻力是搅拌机设计中的一个重要数据，对不同筒径、不同角度的叶片， 其比阻力如何确定缺乏试验依据。因此分析了强制式混凝土搅拌机叶片比阻力的影响因 素：混凝土的物料参数和搅拌装置的结构参数，利用因次分析原理和模型试验手段，主 要研究了不同筒径下，叶片比阻力随叶片角度螺旋角( 叶片母面与搅拌轴轴线的夹 角，或称为安装角) 、拌和角( 叶片前面与拌和面间的夹角) 的变化关系，建立了计算 比阻力和搅拌机功率的经验公式。提出了叶片合理的设计角度。研究表明：在螺旋角一 定的情况下，降低拌和角，即给以定的前角( 拌和角的9 0 。余角) ，可使叶片比阻力 下降。前角约2 0 。时，比阻力最低：而前角一定时，又以螺旋角5 1 。时比阻力最低， 所以，得到叶片以5 1 。螺旋角和2 0 。前角安装为宜，认为，只要保证叶片有通常的搅 拌面积，在标准规定的搅拌时间内，完全能保证其均匀度【旧】 9 0 年代中期，吉林市工程机械厂的洪玉坤认为，搅拌铲臂的合理排列及安装是影响 水泥混凝土搅拌机使用性能的一个不可忽略的重要因素，对双卧轴搅拌机显得尤为突 出。安装在铲臂上的铲片与搅拌轴成4 5 。角，物料在拌筒内的运动是圆周上的一段弧形 运动和轴向运动的合成，从而使物料得到充分的搅拌，但是如果铲臂排列不当，无论有 多少组铲臂参与搅拌，都会造成单位时间里搅拌物料次数的相对减少，因此，不论双卧 轴搅拌机有多大规格和型号，铲臂的合理科学安装都有其不可忽视的技术和经济价值， 铲臂只有在搅拌轴上恰当地排列，才能取得最佳的技术状态，充分发挥搅拌机械的使用 性能】。 9 0 年代末，建设部长沙建筑机械研究院的符忠轩为了揭示采用单卧轴强制搅拌机构 工作原理的混凝土泵叶片的搅拌效果，也认为混凝土泵搅拌叶片的布置合理与否，直接 影响着混凝土泵的吸料性能甚至泵送性能，发现当时几乎所有的闸板阀搅拌叶片的布置 7 第一章综述 形式使叶片对搅拌物料仅仅起到搅动作用，根本没有使搅拌物料形成轴向对流作用和向 吸料口喂料功能，甚至对吸料还形成阻碍，而且还容易产生搅拌阻力矩的脉动，导致搅 拌液压系统的冲击。因此分析了混凝土泵搅拌叶片的布置形式对混凝土泵吸料性能的影 响，设计了合理的闸板阀泵和s 阀泵不同搅拌叶片的布置形式；使这些布置形式有利于 提高混凝土泵的吸料性能【l2 1 。稍后几年，南京建筑工程学院的夏海南、江苏省建筑机械 厂王继强以及中国建筑科学研究院的马英俊采用液压驱动对j d y 7 0 型单卧轴强制式搅 拌机的总体参数及其主要系统进行了设计，使其用于野外流动性较大的现场维修工【1 3 】。 本世纪初，华东建筑机械厂的李超、陈礼祥认为：对于获得理想的搅拌效果，混凝 土的搅拌时间，搅拌轴的转速，搅拌叶片的线速度，呈不连续螺旋状排列的叶片所构成 的近似螺旋升角，搅拌功率，筒体的容积和长宽比等参数十分重要【1 4 】。因此，对双卧轴 混凝土搅拌机的这些主要参数进行了设计计算。同时他们分析认为：适当提高搅拌轴转 速和增加搅拌时间，可以改善混凝土的搅拌质量，但转速过高，线速度过大，能耗和衬 板、叶片之间的磨损将增大；转速过低，则必须延长搅拌时间，生产率将受影响。为了 提高混凝土生产的经济效益，必须选择合理的搅拌时间、搅拌轴转速和叶片的线速度， 这些参数又为选择搅拌功率提供了主要依据。此外，搅拌简体的容积、长宽比以及近似 螺旋升角的取值对混凝土搅拌效果也同样十分重要。在对这些参数进行计算时分别采用 了如下理论依据或者国外推荐值： 对搅拌轴的转速计算按自落式搅拌原理分析并推导理论转速，混凝土在外力和 自重的作用下，受力交替变化，产生着强制和自落相迭加的搅拌运动。双卧轴搅拌机按 自落式搅拌原理所推得的理想转速的条件，必须是在该转速下混凝土元的径向下滑力大 于( 或等于) 该混凝土元的离心力与摩擦力之和。 在假定混凝土物料在某叶片上的单位阻力系数为常数，按螺旋方式排列的若干 搅拌叶片看作近似的螺旋叶片，假定混凝土与叶片的压力是作用在螺旋叶片平均半径的 螺旋线上，将螺旋叶片中的摩擦、效率问题视为斜面摩擦和效率问题。同时考虑混凝土 本身对钢板摩擦角的影响以及满足混凝土内部剪切角的要求，螺旋升角的可选范围是 3 3 7 。3 9 6 。为使双卧轴搅拌机获得较好的搅拌质量，应选择较为合理的螺旋升角。 混凝土的级配，特别是水灰比，对混凝土物料之间的内部剪切力起着关键的作用，是选 取螺旋升角的主要依据。如果取值过小，则混凝土之间相对剪切运动较弱，达不到预期 的搅拌效果。反之，混凝土之间相对剪切运动过大，使驱动力增大，同时降低效率。通 常所选取螺旋线中径位置上的螺旋升角，以3 4 。最为理想，因为搅拌叶片有一定高度， 8 长安人学硕 ：学位论文 故叶片内径处的螺旋升角将大于中径处的螺旋升角。 搅拌功率精确的理论计算是非常困难的，因为搅拌过程中各种参数的变动范围 较广，搅拌运动也十分复杂。在假定搅拌过程中叶片上的运动阻力与其投影面积成j 下比， 同时在转速不变的条件下，搅拌轴上所消耗的功率与搅拌叶片的中径叶片高度、螺旋升 角的正切值及叶片的立面展开角成正比，与机械的传动效率成反比，可以估算功率。此 外，在搅拌轴运行过程中，叶片的外径，与简体的内径之间、端面刮板与拌筒端面之间 的卡料现象是经常发生的，所以功率估算时必须引入电动机的容量储备系数，然后选用 标准系列的电动机。 双卧轴搅拌机的简体呈两个相连的圆槽形，根据国外资料荐用：筒体容积与公 称容积( 搅拌机一次出料的混凝土体积) 之比1 9 - 一2 3 、简体长宽比1 0 5 - - 1 2 、宽径比 1 7 1 8 ，拌筒宽度与搅拌轴距比取2 2 - - - 2 3 。 近几年，我国福建南方路面机械有限公司研究开发的j s 系列搅拌主机工作时，搅 拌轴相向转动，在搅拌臂与叶片的作用下，使物料呈环形运动，同时在搅拌臂的剪切作 用下，较短时间内可达到充分拌和的目的，为了适应不同的工况和骨料粒径的要求，搅 拌臂可在轴上做6 0 。、9 0 。、1 2 0 。和18 0 。的排列。搅拌臂与搅拌叶片均由螺栓联接， 维修与更换方便快捷。为了便于磨损后的调整与更换，每组搅拌叶片能方便地在受力磨 损方向上调型4 。 从国内外对卧轴搅拌机技术的研究情况来看，双卧轴搅拌机结构参数的选取对混合 料的搅拌效果、搅拌机的功率消耗等方面影响很大。国内外虽对搅拌机的参数的选取进 行了一定的研究，但缺乏较全面和系统的研究，这是造成目前在搅拌机参数选取时随意 性大，仍主要依靠类比法和经验设计为主的主要原因。 1 3 课题研究背景及意义 1 3 1 课题研究背景 随着经济建设的同益发展，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。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， 随着高速公路和高速铁路建设的加快，用户对施工质量的要求越来越高，一些传统搅拌 9 第一章综述 设备已无法满足越来越高的施工要求( 1 l 】。 今年2 月2 3 日，建设部副部长仇保兴说【2 】：“目前，我国每年城乡新建房屋建筑面 积近2 0 亿r r l 2 ，其中8 0 以上为高能耗建筑。单位建筑面积能耗是发达国家的2 3 倍 以上，建筑用实心粘土砖每年毁阳1 2 万亩，能耗水平与发达国家相比，钢材消耗高出 1 0 - - - , 2 5 ，每拌和l m 3 混凝土要多消耗水泥8 0 k g 。 也就是说，2 0 0 5 年我国的混凝土 要多消耗1 2 0 0 亿k g 水泥，以目前水泥的市场价每公斤0 4 0 元计算，价值人民币4 8 0 亿元! 这中间有材料的原因，也有搅拌技术落后的原因，由此而知，搅拌技术的研究具 有重要的社会和经济意义。 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 的大力推广以及高速铁路工程建设等施工的高效率化、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对搅拌机进行参数优化【1 2 】，同时寻求新型搅拌原理或新型搅拌机 型。 提出“搅拌机设计和使用中主要参数的选取”这一课题，旨在提高混凝土生产质量， 提高搅拌设备工作效率，从而节约生产成本。它既是对现有搅拌理论的深入探讨，更是 进一步技术的提升与创新，对提高我国搅拌设备的使用性能和技术水平，以及工程建设 的质量和速度都具有重要的理论和实用价值，并有着广阔的应用前景。它的重要意义还 在于利用优化技术提高混凝土搅拌设备发展速度和国家重点项目施工质量，提升我国混 凝土搅拌设备的市场竞争力和工程施工国产设备的装备水平。 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，需要合 理的设计搅拌机结构，生产出节能高效的搅拌机才能有效的提高搅拌质量。为此本文将 从搅拌机以下三个方面的主要参数来进行较全面和综合性研究： ( 1 ) 搅拌臂的合理布置，包括搅拌臂的料流排列和排列形式，以及搅拌臂数目和 搅拌叶片面积。 1 0 长安人学硕士学位论文 ( 2 ) 搅拌叶片安装角和搅拌筒长宽比。 ( 3 ) 搅拌机的合理转速和搅拌时间。 本文采用理论分析和试验研究相互结合，互为补充的方法对搅拌机的主要参数进行 分析。一方面，通过理论分析，针对搅拌机主要参数进行理论分析，为试验研究提供理 论依据和试验基础；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，确定搅拌机主要参数，完成课题研究内容， 为搅拌机的设计提供参考。 第一帝搅拌帆主要# 数 第二章搅拌机主要参数 2 1 双卧轴搅拌机的主要参数 本文以目前广泛使用的双卧轴搅拌机为主，对搅拌装置几何和运动参数的合理取值 范围进行分析和试验研究。搅拌装置参数主要有：搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、 拌筒的长宽比及搅拌线速度等，其结构如图21 ( a ) 所示，主要参数如图21 ( b ) 所列： 搅拌臂f $ 列 图2 1 【a ) 双卧轴搅拌机结构 黼俐播凳嚣 相对位置关系 搅拌臂数目 叶片面积 叶片安装角 拌筒长宽比 ：i i 搅拌线速度 单轴搅拌臂排列 般轴搅拌僻排列 相似 f 正排列：了琏续排列 排列方式 、 l 反排列非连续排列 双轴相位 ；i f 双正排列 排列方式 双反排列 l 正反排列 图2 1 m 双卧轴搅拌机主要参数 长安大学硕士学位论文 2 2 搅拌机参数选取的准则 目前国内外广泛使用的自落式和强制式搅拌机己沿用了5 0 余年。但在搅拌机设计 和使用中，仍采用类比法这样的经验方法，缺乏合理性；由于对搅拌过程的机理研究不 够，对如何选择这一参数，说法不一，缺乏科学性；在搅拌过程中，混合料的物理一化 学性能都发生了变化，这一过程极其复杂而影响因素又较多，但由于对诸参数综合优化 的试验研究不深入，且设计和使用者在选择转速值时缺少依据。 搅拌机是混凝土制备设备的心脏，它必须满足搅拌质量与搅拌效率等性能要求。搅 拌质量就是生产出符合国家标准要求的新拌混凝土；搅拌效率就是在满足搅拌质量的前 提下，搅拌时间要尽量短，以提高设备的生产率和设备的利用率，降低生产成本。百年 大计，质量第一。混凝土是重要的建筑材料，新拌混凝土质量是对搅拌机性能的最基本 的要求，也是首要的性能要求。混凝土质量用其宏观及其微观均匀度来评价，宏观均匀 性用拌和物中砂浆密度的相对误差埘 o 8 和粗骨料质量的相对误差a g 5 来衡 量【15 1 ，微观均匀性用混凝土强度的平均值豆，标准差盯和离差系数g 来衡量【1 1 。豆值越 高，盯、g 值越小，说明混凝土质量越好；反之亦然。因此，搅拌机械应在保证新拌 混凝土质量满足国家标准要求的前提下高效节能的工作，这就是确定搅拌机合理参数的 准则。 搅拌机在设计和使用中主要参数的选取准则也可用数学表达式来表示。文献 1 】中对 搅拌搅拌过程进行综合模拟，给出了搅拌机参数优化的目标函数： i ，o ，o 毛 l o 毛 o ，l ( 2 一1 ) 式中，搅拌的平均时间f 的角标表示拌缸( 或拌筒) 三维坐标( x ，y ，z ) 或( z ，r ，由) 及其顺序。该式的物理意义是：合理的搅拌机参数应保证在满足给定的均匀度指标的前 提下，在拌缸内各个方向的搅拌时间相接近。这时选取的搅拌机的主要参数较合理。可 利用实验来调整搅拌机的参数，使其趋于合理。在不同的搅拌时间，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的均匀度的时间。一般来 兑，在三个方 向同时都达到给定的均匀度指标是不可能的，总会有先有后。应根据实验结果，调整搅 拌机结构及相应的参数，使得能够在搅拌室内所有方向上能接近同时达到给定的均匀 度。 1 3 * 一搅抨机凄参数 2 3 试验样机与实验条件 23 l 试验样机 试验样机主要搅拌参数见表2l ，主体结构见图2 2 表2 1 试验样机主要搅拌性能参数 性能参数单位数值 公称辑晕l1 0 0 叶片线速度m s l4 7 型号b 、v d 75 4 2 9 搅及 功率k w7 5 拌减 电迪 减速比2 9 机器 输出转速 r r a i n5 0 蹰 】一搅拌乜机2 一司步齿轮3 一轴承庠i4 一轴端密封5 搅拌机构 6 卸料机构7 一轴承库i i8 一振动电机 图2 2 双卧轴搅拌机主体结构图 该试验样机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，变速后由弹性畦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，印迷宫环、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l 料机构，试验中采用人1 = 上料，这虽然会 对搅拌质爵和搅拌时捌产生一些影响，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 斟 一翮 一鼹霹一 长安人学硕 ：学位论文 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，因此要求拌筒的长宽比、 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 3 2 搅拌机构的设计 2 3 2 1 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，通过曲 线拟合得到。考虑叶片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筒内壁 的间隙4 m m ，并且成变间隙的楔形，见图2 3 。先接触物 j 料的前端间隙小于后端，相差1 - - - 2 m m ，利于集料一旦被 卡后的释放【1 6 】。 对于搅拌臂和搅拌叶片的安装设计，则都采用了抱 瓦结构，通过螺栓的央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 4 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。 图2 3 楔形间隙示意图 f 碗霹王 i j ，拦口 囝囝 冷冷 2 3 2 2 拌简长宽比 侧拌臂和侧叶片主拌臂和主叶片 拌筒长宽比变化是通过在搅拌筒中横置挡板实现图2 4 搅拌臂和搅拌叶片结构 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o 7 8 。 2 3 3 试验用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【1 7 】：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 1 5 第_ 二章搅拌机主要参数 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w 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 ) 砂率厦：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m w d ：水泥净浆与骨料之间的比例关系，用l m 3 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2 5 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2 5 配合比参数与混凝土性能关系 考虑本次试验研究的目的，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