（机械工程专业论文）沥青搅拌站搅拌机构的优化研究.pdf

摘要 搅拌是沥青混凝土生产工艺中最为关键的工序，搅拌装置的设计合理与否直 接影响到沥青混凝土搅拌站搅拌质量和效率。从沥青混凝土搅拌设备的发展历程 与趋势以及从国内外搅拌技术的研究来看，搅拌装置的优化研究己成为现代搅拌 技术的重点研究对象。由于搅拌是一个极其复杂的动态过程，确定了搅拌装置最 佳参数及其合理匹配关系的同时，搅拌装置的强度、应变、振型、以及疲劳失效 是否满足设计的要求也是研究的重点和难点。 本论文在现有4 0 0 0 型沥青搅拌站的双卧轴强制式搅拌装置的基础上，对搅拌 机构的主要搅拌参数取值进行了理论分析，最终确定了比较合理的搅拌装置参数 组合，认为搅拌臂围流排列、4 5 0 叶片安装角、8 个搅拌叶片、9 0 0 单轴相位角、双 轴相位布置为正正交错关系和长宽比为1 1 的窄长型搅拌缸较为合理。 最后，运用p r o e 对搅拌装置进行虚拟样机的建模和装配，并利用a n s y s 对 搅拌装置的重要零部件进行有限元分析。a n s y s 分析的结果表明：搅拌轴应力强 度满足设计的要求且有较大的富余，同时疲劳寿命接近额定的使用寿命；但是搅 拌臂和叶片应力分布极不均匀，为了避免材料的浪费对搅拌臂和叶片进行了结构 上的优化。 关键词：沥青搅拌站；搅拌装置；有限元分析；疲劳寿命；参数优化 a b s t r a c t m i x i n gi st h em o s tc r i t i c a lp r o c e s s e si nt h ea s p h a l tc o n c r e t ep r o d u c t i o np r o c e s s ， t h ed e s i g no ft h em i x i n gd e v i c ei sr e a s o n a b l eo rn o td i r e c t l ya f f e c tt h em i x i n gq u a l i t y a n de f f i c i e n c yo fa s p h a l tc o n c r e t em i x i n gp l a n t f r o mt h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n d so f t h ea s p h a l tm i x i n ge q u i p m e n ta n dt h er e s e a r c ho fm i x i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ，m i x i n gs t r u c t u r eh a sb e c o m eaf o c u so fs t u d yo fm o d e mm i x i n gt e c h n o l o g y a s m i x i n gi sa ne x t r e m e l yc o m p l e xa n dd y n a m i cp r o c e s s ，d e t e r m i n et h eb e s tp a r a m e t e r s o fm i x i n gm e c h a n i s ma n dr a t i o n a lm a t c h i n gr e l a t i o n s ，a tt h es a m et i m e ，t h es t r e n g t h ， s t r a i n ，v i b r a t i o nm o d ea n df a t i g u e f a i l u r eo fm i x i n gs t r u c t u r et om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa l s oi sr e s e a r c hp r i o r i t i e sa n dd i f f i c u l t i e s o nt h eb a s i so fm i x i n gm e c h a n i s mo ft w i n s h a f tc o m p u l s o r ym i x i n go ft h e e x i s t i n g4 0 0 0 - t y p ea s p h a l tm i x i n gp l a n t ，t h ep a p e rt h e o r e t i c a l l ys t u d y o nt h er a n g e so f m a i n m i x i n gp a r a m e t e r s o fm i x i n gm e c h a n i s m ，a n dd e t e r m i n ear e a s o n a b l e c o m b i n a t i o np r o g r a mo ft h em i x i n gd e v i c ep a r a m e t e r s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h e a r r a n g e m e n to fm i x i n ga r m ss h o u l db ec i r c l ef l o w i n g ，s e t t i n ga n g l eo fm i x i n gb l a d e s s h o u l db e4 5 0 , t h en u m b e ro fm i x i n gb l a d e ss h o u l db e8 , p h a s ea n g l eo fa d j a c e n tm i x i n g a r m so ns i n g l es h a f ts h o u l db e9 0 0 , t h ea r r a n g e m e n to fm i x i n ga r m so nd o u b l es h a f t s h o u l db ep o s i t i v ea n dc r o s s e d ，l e n g t h b r e a d t hr a t i oo fm i x i n gt r o u g hs h o u l db e1 1 f i n a l l y , t h i s t h e s i su s ep r o et ov i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i n ga n da s s e m b l yo f m i x i n gd e v i c e ，a n du s i n ga n s y st of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ei m p o r t a n tp a r t so f t h em i x i n gd e v i c e t h er e s u l t so fa n s y sa n a l y s i ss h o wt h a tm i x i n gs h a f ts t r e s s i n t e n s i t yt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dal a r g es u r p l u s ，a n df a t i g u el i f ec l o s et o t h er a t e du s el i f c ，b u tm i x i n ga r ma n db l a d es t r e s sd i s t r i b u t i o ni sv e r yu n e v e n ，i no r d e r t oa v o i dt h ew a s t eo fm a t e r i a l s ，t h i st h e s i sh a v et h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h e m i x i n g a r r na n db l a d e k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x i n gp l a n t ；m i x i n gd e v i c e ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； f a t i g u el i f e ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 第一章绪论帚一早三百下匕 搅拌器是搅拌设备的核心装置，其设计的好坏将直接影响搅拌站的出料能力 和所拌混合料的质量。由于搅拌过程中影响搅拌质量和搅拌效果的参数比较多， 因此在搅拌器结构的设计过程中，参数的优化和相互匹配显得尤为重要，同时搅 拌装置的强度、应变、振型、以及疲劳失效是否满足设计的要求也是研究的重点 和难点。本文以最新的搅拌理论为基础，通过理论分析搅拌机构参数优化匹配之 间的关系，最终提出了本论文主要研究的课题和内容。 1 1 课题研究的背景和意义 近2 0 年来，伴随着我国公路交通事业迅猛发展，我国公路机械化施工获得了 巨大进步，拥有大型沥青混凝土搅拌设备已然是市场准入的必要条件之一。尽管 我国自主生产沥青搅拌设备的厂家有很多，但是大型搅拌设备的市场占有率不高， 生产能力在3 2 0 吨小时及以上的设备还是以国外的品牌为主。随着我国经济的迅 猛发展，沥青搅拌设备市场潜力巨大，但是我国生产沥青混凝土的企业在一些核 心技术上特别是搅拌技术仍落后于国外，只能在中低端领域，凭借本土自身价格 优势保持一定地位，但是整个行业的高端领域成为了我国企业的软肋。随着我国 公路建设的日渐成熟和发展，农村道路建设已经全面展开和更加多样化的工程建 设，因此也需要更多的道路筑养设备。专家预计未来的1 0 年内我国农村公路建设 至少需要筑路机械设备9 0 0 - 1 0 0 0 亿元【l 】，即每年大概9 0 - 1 0 0 亿元左右，这是一 个不容忽视的巨大市场。面对如此大的市场和盈利空间，国内产品如何才能占有 更大的市场? 搅拌效果和搅拌效率是衡量沥青混凝土搅拌设备最重要的标准之一，因此国 内产品要更好的占有国内市场、推向世界，必须从核心的搅拌技术入手，提高产 品的搅拌效果和搅拌效率，但是国内一些品牌在搅拌技术上只是简单的集国外所 有品牌特点于一身，东拼西凑，这样就给产品性能带来很大程度上的随意性和不 稳定性。因为没有相关搅拌理论上的支持，搅拌性能肯定是不佳的，及时偶尔有 一台搅拌性能很好也不知是何缘故，因此也就无法积累经验，稳定产品的质量， 促进搅拌技术上的提升1 2 j 。 因此对沥青混凝土搅拌站搅拌机构的优化研究能为我国搅拌设备提供搅拌技 术的理论依据，另一方面利用设计的虚拟样机对搅拌参数的应变、强度、疲劳寿 命和振型进行有限元分析，能大大缩短产品设计周期，为该类型搅拌器的设计和 系列化生产提供依据。 1 2 混凝土搅拌设备的发展 1 2 1 搅拌设备发展历程 图1 1 自落式搅拌机工作原理示意图 鼓筒式搅拌机是最古老的自落式搅拌机，其历史可以追溯至1 9 世纪4 0 年代， 在美、德、俄等国家出现了一种以蒸气机为动力源的其搅拌腔由多面体状的木制 筒构成自落式搅拌机，自落式搅拌机是依靠拌筒内径向布置的搅拌叶片，把拌筒 内的物料提升到筒径的0 7 倍高处，然后靠物料自重落下进行搅拌【3 】，工作原理如 图1 1 所示。这种机型的主要特点是工作腔的磨损和功率消耗都比较小，结构简单、 容易制造，但是搅拌强度不足，难以保证搅拌质量，生产效率比较低，只适用于 搅拌一些普通的塑性混凝土。自落式搅拌机主要包括：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。 随着社会对干硬性混凝土的需求，强制式搅拌机应运而生。它主要依靠叶片 对物料进行强制搅拌，使物料在相对剧烈的运动过程中相互挤压、剪切和对流。 强制式搅拌的优点：( 1 ) 搅拌剧烈，搅拌均匀。( 2 ) 搅拌叶片的形式多样。( 3 ) 由于间歇式搅拌采用的是二次计量，所以级配精度高，计量精度可达0 3 。( 4 ) 搅拌时间短。缺点和不足：( 1 ) 设备投入资金和占地面积都比较大。( 2 ) 废气含 尘量大，对环境污染严重，需要配带高成本的除尘系统。强制式搅拌机的工作原 理如图1 2 所示： 图1 2 强制式搅拌机的工作原理 2 连续式搅拌机，对比于其他机型，连续式搅拌有其很大的优点：( 1 ) 连续搅 拌设备采用的是连续加料、搅拌和出料，所以生产效率高。( 2 ) 已破坏的沥青路 面再生能力强，更环保和节能。( 3 ) 设备可靠性高，维修费用低，易于维修。缺 点和不足：( 1 ) 采用连续式的动态计量方式，所以计量上的误差难以避免，精度 不高。( 2 ) 沥青混凝土中含水量较高。( 3 ) 沥青容易老化。 其他搅拌机，无搅拌叶片的摆盘式搅拌机、蒸汽加热搅拌机、超临界转速搅 拌机、声波搅拌机和自落强制式搅拌机。 1 2 2 沥青混凝土搅拌设备发展趋势 现代沥青混凝土搅拌设备主要有间歇式和连续式两种。连续式搅拌设备工艺 流程简单、设备简化，且更环保节能。而间歇强制式搅拌设备由于骨料进行二次 筛分，各种组分按批次分开计量再强制搅拌混合能可靠保证级配，粉料与沥青的 计量都可达到比较高的精度，所以拌制的混凝土质量好，可满足各种公路级别施 工要求。连续式沥青混凝土搅拌技术传入中国始于2 0 世纪7 0 年代，但不论是从目 前国内技术研发的能力，还是目前市场同类产品的占有率来看，尽管技术的先进 性，但市场前景不被看好，间歇强制式沥青搅拌设备仍然占据我国主要的市场1 4 1 。 在沥青混凝土生产行业，先进的搅拌技术对于所生产沥青的质量以及生产效 率和经济效益是至关重要的因素。由于双卧轴搅拌技术具有很多优点，因此强制 间歇式搅拌设备中的双卧轴搅拌技术在沥青混凝土生产领域已经成为主流，双卧 轴搅拌机己经成为生产沥青混凝土的主导设备【5 1 。 1 3 国内外双卧轴搅拌技术研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外最先对双卧轴搅拌技术的研究是通过对沥青混凝土拌和抽样方法准确度 的研究【6 j ，发现搅拌叶片的排列方式是造成混合料搅拌均匀的主要因素。通过不 同的排列方式和叶片安装角的参数组合进行了相关的试验，最终得出结论：搅 拌叶片旋转排列比向心排列更能使沥青混凝土搅拌均匀。在旋转排列的情况下， 3 0 0 和4 5 0 叶片安装角较之1 5 0 安装角搅拌效果更佳。当搅拌l m i n 后，混凝土基本 达到搅拌均匀，在以后的搅拌时间内搅拌没有明显的效果。 2 0 世纪末，日本、德国等机械强国对搅拌过程中的参数进行了更加系统的研 究，但是其中的研究方法和专利成果的关键技术很少被公开【7 1 。 1 - 3 2 国内研究情况 2 0 世纪9 0 年代，哈尔滨建筑工程学院的孙福玉、顾迪民和李良通过相关的实 验研究得出l s 】：搅拌装置的叶片比阻力是影响搅拌效果的重要参数，通过研究表 明，叶片以5 l o 的螺旋角和2 0 0 安装角为最佳。吉林市工程机械厂的洪玉坤通过相 关的试验研究发现：搅拌臂排列方式及安装方式是最重要的因素。长沙建筑机械 研究院的符忠轩通过研究分析单卧轴强制搅拌机构工作原理，也得出相关类似的 结论【9 l 。 2 l 世纪初，华东建筑机械厂的李超和陈礼祥通过比较系统的正交对比试验得 出【1 0 l ：影响搅拌效果的因素很多，如搅拌的转速和时间，搅拌筒体的容积和长宽 比，搅拌功率等【1 1 】。长安大学的冯忠绪教授通过对混凝土搅拌理论的探讨分析， 对双卧轴搅拌技术进行了比较系统试验研究，包括搅拌轴转速的确定、叶片安装 方法、搅拌臂的排列方式和搅拌功率的计算。 ， 1 4 本论文研究的内容和方法 双卧轴搅拌技术在我国还处于比较年轻的研究阶段，对于其搅拌机构的结构 设计及其参数匹配的研究，依然很不成熟。由于涉及到搅拌装置参数选择的因素 很多，且相互影响较为复杂，而导致产品设计周期长，影响公司产品的开发和整 个行业技术的进步。更为重要的是，由于不清楚它们内在规律，也就不能使其参 数组合达到最优，不能充分地发挥搅拌器的作用和效率。传统的搅拌理论认为， 搅拌的主要目的是在规定的时间内达到规定的均匀度。因此，各种搅拌器的搅拌 装置主要作用是使骨料产生对流、扩散及剪切的循环运动，从而使骨料达到均匀 分布，但是只有这种运动是不足以彻底搅拌均匀的。对双卧轴搅拌机来说，骨料 的位移必须由轴向大循环运动和轴间小循环运动的良好配合来共同完成。为了获 得匀质的沥青混凝土，必须研究混凝土形成过程中物料之间的运动规律，以及搅 拌机搅拌装置与混合料间相互作用的关系。同时搅拌装置的搅拌轴经常会出现弯 曲变形，疲劳寿命不能满足设计的要求，因此对搅拌装置的强度、应变、振型和 疲劳寿命是否满足设计的要求需要进行有限元分析和验证，从而进行结构上优化 改进，因此提出了搅拌机构优化研究的课题。本课题研究内容主要包括两个方向： 一方面是搅拌器与混合料间相互作用的关系；另一方面是搅拌器参数的优化和搅 拌器的有限元分析。 搅拌过程是极其复杂的动态过程，物料的状态、性质和结构随着搅拌的发生 随时发生着变化。搅拌参数的优化不能简单的采用常规的机械工程优化方法。为 了达到工业实际应用的目的，产品走向国际市场，采用结合理论分析和仿真试验 研究相结合的研究方法。一方面通过理论分析，针对最新的搅拌机理和双卧轴搅 拌器的一些特点，对双卧轴搅拌装置参数进行优化分析，并为搅拌提供理论上的 依据：另一方面利用设计的虚拟样机对搅拌参数的应变、强度、疲劳寿命和振型 进行有限元分析，为该类型搅拌器的设计和系列化生产提供依据。因此，本文将 主要研究l b 4 0 0 0 型沥青搅拌站双卧轴搅拌机构参数的优化，通过参数优化得出最 4 佳搅拌效果的搅拌参数，再通过三维建模完成虚拟样机的设计，通过a n s y s 进行 静强度分析，对比其应力是否超出许用力；在此基础上，分析搅拌轴在a n s y s 下 的疲劳失效是否在设计的允许范围之内，避免疲劳寿命不达标。 由以上分析，本文的主要研究内容是： ( 1 ) 搅拌器参数优化及其与混合料相互作用的理论分析，其体包括：搅拌叶片 数量和面积、搅拌臂排列方式的组合、搅拌缸长宽比的设计和搅拌叶片安装角等 主要参数进行理论上的探讨研究，最终确定搅拌过程中主要参数的优化及其取值 的范围和条件。 ( 2 ) 通过搅拌参数优化，对搅拌器进行结构上的设计，再利用p r o e 对搅拌器 进行三维建模仿真，具体包括：搅拌缸的长宽比、搅拌功率、充盈率、搅拌叶片 面积和厚度、搅拌轴的直径等搅拌器的主要零部件进行计算取值，最终通过p r o e 完成搅拌器的虚拟样机的设计。 ( 3 ) 搅拌器在a n s y s 下的静强度和疲劳仿真分析和优化，具体包括：搅拌轴 的静强度和疲劳分析；搅拌臂与叶片的静强度和模态分析；整体搅拌轴、搅拌臂 和搅拌叶片的模态分析。通过a n s y s 有限元分析得到的结果表明搅拌臂和叶片在 结构上还有很大的优化空间，进而对搅拌臂和叶片进行优化。 5 第二章搅拌原理和参数优化 搅拌过程是通过搅拌器与物料的相互作用完成的，它决定着沥青混凝土质量 和生产效益。搅拌过程是极其复杂的，混凝土各组分间既存在物理作用，又存在 化学作用，从微观和宏观上来看，物料既发生了量的变化，同时也发生了质的变 化。这种变化既是随机的过程，又可认为是有一定内在规律可寻的过程。因此， 研究介质与搅拌器的相互作用是件困难而复杂的事情。一直以来，国内外学者试 图将这一过程数学模型化、定量化，虽然做了很多的研究，但都未取得令人信服 的结果，因此这也成为了搅拌设备的急需攻克的难题之一。 2 1 沥青混凝土搅拌过程理论分析 搅拌就是搅拌装置不断克服物料之间的剪切力和物料与搅拌器之间的相互阻 力，其中混合料中的剪切应力是工作阻力的一个重要来源。从运动和能量传递的 本质上来看，搅拌就是在流动场中进行动量和能量的传递或者是进行热量、动能 传递的过程，其最终目的是要达到物料宏观与微观上的均匀分布。完全均匀拌和 只能是一种理想状态，实际上只是一种“概率拌和 ，是很难达到完全均匀的。 为了实现拌和均匀，就必须研究形成沥青混凝土过程中的搅拌运动规律，分析搅 拌器与物料间的相互作用关系。沥青混凝土搅拌过程可用图2 1 的搅拌曲线定性地 描述【1 2 】： 图2 1 搅拌过程动态曲线 从图2 1 可以看出，沥青混凝土的动态搅拌过程分为三个主要阶段：初始阶段i ： o - t k 时刻各组分在搅拌缸内分布极不均匀，通过物料的循环流动搅拌在宏观上渐趋 于均匀，均匀度处于上升时段，但此时还远没有到达最佳混凝土搅拌质量的平衡 点，所以物料的离析现象并不是很明显。搅拌缸中物料流的运动决定了拌和均匀 的发展速度1 1 3 l 。 6 t k 时刻起各组分主要是在搅拌器的工作容积内进行扩散运动，在总的搅拌过程 中扩散分布和循环流动起的作用渐趋于相近。此时在物料宏观分布较均匀的搅拌 过程中，混合料各组分间的相互接触混合概率大大增加，实现微观上的拌和均匀， 扩散分布运动主要起作用的阶段分布在搅拌阶段i i ，同时随着搅拌的继续，离析现 象也加剧，最后两者达到一种动态平衡。 第1 i i 阶段混合物均匀度变化很小。在i i 阶段和i i i 阶段，物料的运动特点和物 料结构流变特性决定了物料颗粒重新分布的速度。搅拌机型的不同可能导致搅拌 曲线不是一样，但是总体搅拌曲线形状基本一样。对于搅拌缸是圆筒式或者双圆 筒式的搅拌设备，如双卧轴搅拌机，可以采用如图2 2 圆柱坐标将物料的运动分解 为：径向运动、轴向运动和周向运动三部分。通过空间不同方向的运动形式的有 机组合构成了整个搅拌运动过程。 图中横坐标表示搅拌时间，纵坐标表示拌和的均匀性。 z x 图2 2 物料运动的空间分解图 因此，只有在保证不同方向的物料运动都同时达到均匀搅拌时，整体的搅拌 时间才能最短，搅拌效果和混凝土的生产效率也能大大提高。这样的搅拌过程才是 最理想的。文献【h l 中对混凝土搅拌过程进行了综合的模拟，基于空间三个方向同 时达到均匀搅拌的目的，提出了搅拌参数优化的目标函数： ，1 o o t o 1 。o t o o j ( 2 1 ) 混合搅拌过程中的平均时间t 的下标代表搅拌缸三维坐标( x ，y ，z ) 。该目标函 数说明搅拌参数的合理应建立在即能满足已设定的搅拌均匀度的基础上，在搅拌 的各个方向上，达到均匀搅拌的搅拌时间应该接近，这样的搅拌才是最合理的搅 拌机理【”】。 2 2 搅拌目的 搅拌均匀是我国长期以来衡量搅拌质量的最主要的指标。这是由传统的搅拌 理论导致的，只要搅拌达到设计的搅拌均匀度即可。因此在搅拌器的设计过程中， 搅拌机构的主要作用就是通过物料之间相互的扩散、对流、剪切的循环运动使混 合料达到搅拌均匀。而最新的搅拌概念提出：为了获得较均匀的混合料，必须先 7 研究物料的运动特点和混凝土形成的规律，分析搅拌器与物料之间的相互作用力 1 16 1 。一般认为混凝土搅拌的主要目的是【1 7 l ： ( 1 ) 各组分分布均匀，达到宏观及微观上的均匀分布； ( 2 ) 破坏粒子团聚的现象，使其各骨料表面被沥青浸润，加速弥散现象的发展： ( 3 ) 破坏骨料粒子表面的初始化物薄膜包裹层； ( 4 ) 提高骨料各成分参与运动轨迹的交叉频率和运动次数，加速搅拌均匀。 为了达到上述目的，搅拌过程中物料的位移必须由物料在搅拌缸内的循环运 动和骨料之间相互挤压，翻滚和穿插运动来实现。第一种称为对流运动，这种运 动在搅拌的开始阶段能确保各组分在宏观上的均布。传统的搅拌装置的设计就是 基于这种最基本的宏观搅拌均匀运动来设计的。而物料间的相互挤压、翻滚和穿 插的运动使各相表面间结合相对良好，达到微观上的均匀相间，形成较快的扩散 运动。因此比较完善合理的搅拌过程，必须由两者共同完成。 2 3 影响双卧轴搅拌器生产能力的因素 影响搅拌器的生产能力的因素比较多，可以分为三大类：即设计因素，材料 因素和运行因素。设计因素是由生产制造搅拌器的厂商予以考虑设计的，在沥青 混凝土生产的过程当中已成为不可改变的因素；材料因素取决于工程的需要和设 计，公路级别的要求不同，施工单位要求的级别不同，必然会导致不同的沥青混 凝土的级配不同、质量也会不同、搅拌效果也会不同，这个环节可以根据要求进 行调整，以满足搅拌任何沥青混合料均能生产出合格的产品：生产能力的大小主 要受运行因素影响，而运行因素的变化是为了适应材料的不同和级配比的变化， 最终能生产出合格的混凝土。 1 设计因素 设计因素主要包括：搅拌器的结构型式、搅拌速度、充盈率、几何参数以及 搅拌臂和搅拌桨叶的形状、尺寸、数量、排列方式和安装角度等，这些决定混合 料在搅拌器内的运行方式、运行速度和充盈程度，最终影响搅拌质量和生产效率。 ( 1 ) 结构型式的影响 经过国内外学者多年来的实验研究与应用，对于强制间歇式的搅拌设备普遍 采用双卧轴的结构型式，但是各个生产厂家在叶片的排列方式、拌筒的长宽比、 叶片面积和安装角度方面还是各有不同，不同的组合情况下对生产效率和生产质 量还是不同的，各个参数之间有一定的制约关系，这些参数的确定在一定程度上 反映出公司产品的技术性能。 ( 2 ) 搅拌速度的影响 通过对搅拌装置内物料运动过程的分析，搅拌转速的提高能增强物料在垂直 面内的相互翻拌效果，促使物料在中央搅拌区内的相互交流作用，促使物料在更 8 短的时间内将物料搅拌均匀，进而提高沥青混凝土搅拌站的生产能力。但是搅拌 速度的提高也会带来负面影响：它不仅加大了搅拌所需的功率，而且过高的搅拌 速度会增加物料在搅拌器内被二次破碎的概率，从而破坏原有混合料的级配，增 大了骨料的表面积，导致被沥青裹覆程度的恶化，此外也加速了搅拌器的磨损， 所以搅拌速度的提高是限制在一定范围之内的。有学者做过这方面的研究，搅拌 桨叶端头的线速度一般控制在1 8 3 5 m s 范围内。 ( 3 ) 充盈率的影响 搅拌器的设计容量是给定值，其有效容量取决于它的几何参数。当搅拌器的 有效容量_ 定时，充盈率越大，搅拌器的生产能力也就越大。然而大到一定程度 时，不仅驱动功率急剧增加，而且由于材料的拥挤，减少了被翻拌的机会，降低 了翻拌效果，使拌和质量恶化。在这种情况下，为达到拌和均匀的目的，必须要 延长拌和时间，这样又导致生产率下降，沥青针入度的损失加大，因此充盈率的 增加是有限度的。充盈率一般设计范围在4 0 6 0 之间，也有部分产品达到7 0 。 例如交通部西安筑路机械厂引进英国p a r k e r 公司技术生产的l b 1 0 0 0 型搅拌设 备的搅拌器，其充盈率为6 9 7 1 1 8 j 。 2 材料因素 混合料组成的不同，对搅拌均匀的难易程度有很大的影响。这里起作用的主 要因素是：细矿料和矿粉所占的比例，因为它们的比表面积往往占到混合料总表 层面积的7 0 以上，甚至可达9 0 。因此要使一定量的沥青完全裹覆在它们的表面 上，形成一层厚度均匀一致的油膜，并且没有游离的沥青存在，势必要比大颗粒 矿料含量较高的混合料难于拌合。此外沥青用量的多少和沥青的粘度等也将影响 拌合的难易程度，搅拌混凝土的混合料级配比是由工程要求已经确定的。但是搅 拌装置的任务是要保证在任何级配比的情况下，都能生产出搅拌质量合格的混凝 土。因此为了满足不同级配比下，不同材料的混凝土都能搅拌合格，必须有一个 可以调整的参数，一般选搅拌时间来调节。不同的混合料所需的拌合时间是通过 实验来确定的。 3 运行因素 运行因素主要包括：搅拌时间、放料的先后顺序以及时间间隔。搅拌时间分 干拌时间和湿拌时间，它是影响沥青混凝土搅拌站搅拌生产效率和产品质量的关 键因素。为了实现不同级配下生产出不同的合格的沥青混凝土，运行因素是唯一 可以进行调节的因素。拌合时间的缩短意味着生产效率的提高，而拌合时间的增 加是确保拌合均匀和搅拌质量。从图2 1 中可以看出第三阶段搅拌时间的增加对搅 拌效果影响不大，相反沥青针入度的损失会加大。因此，提高混凝土的生产效率 的同时应该确保沥青性能达标。 9 2 4 搅拌臂排列方式的优化分析 2 4 1 搅拌臂的料流排列 针对沥青混凝土双卧轴搅拌设备而言，搅拌臂的料流运动主要是指不同排列 的搅拌臂方式导致物料不同运动形式和效果的料流运动。料流排列取决于搅拌臂 上单轴上两个彼此相邻的两个臂之间和双轴上搅拌臂与搅拌臂之间的的相对相位 角位置关系【i9 1 。由于沥青混凝土搅拌生产的方式和搅拌轴数量不同，导致卧轴搅 拌设备搅拌缸内的料流形式有所差别。通过分析物料在搅拌缸内的运动形式，结 果表明叶片参数以及搅拌臂的不同排列方式是影响间歇强制式双卧轴搅拌设备拌 简内物料运动最主要的因素。物料在搅拌缸内运动轨迹主要表现为“围流 和 “对流 两种。 2 4 2 对流与围流 对流排列：物料在搅拌缸内的流动过程如图2 3 所示：在搅拌臂和搅拌叶片的 推动下，处于搅拌器的两端底部的混合料由两端向中央运动，并向上抛掷再随自 重自行落下，以锥体形状堆积在搅拌缸中央处。此时在搅拌双轴中间的上方形成 一个类似开水沸腾状态的“沸腾层 ，通过相互充分碰撞混合之后，部分物料从 顶端溢流出来流向搅拌轴的两端，搅拌轴两端的搅拌叶片再一次将物料从搅拌缸 的两端推向搅拌缸的中间位置，这样就完成了一次完整的对流循环运动。 图2 3 对流排列 一 弋 心c ，心 心s ， 钎彳、j 、心、州、过 弋沁、咚l 念太l 膨 、) 妯。、) 吣吣吣妒 、一 ， 图2 4 围流排列 围流排列：物料在搅拌缸内的流动过程如图2 4 所示：在搅拌器内的右边轴上 l o 的桨叶将混合料推向左端，左边轴上的桨叶将物料推向右端，完成混合料在轴间 的小循环圈运动。搅拌器其中的一根轴上的叶片在水平平面内促使物料沿轴向方 向螺旋推进，由于搅拌叶浆与搅拌轴之间成一定的安装角度，且两轴上的搅拌桨 叶的方向是相反的，所以另一根轴上的叶片把物料推向另一个沿轴向相反的方向 运动。当物料运动到两轴的末端时，搅拌轴两端的返回叶片把混合料从搅拌缸的 端面流向相邻的另一根轴的端面，物料在水平方向上形成了大循环的回环运动。 2 4 3 对流和围流搅拌效果分析对比 由前一节的混凝土搅拌机理分析物料的运动形式可知，理论上对流和围流都 能使搅拌缸内的质点到达拌筒内的任意位置，整体上来说，对流和围流两种不同 搅拌臂排列方式都实现了物料的循环流动，但是物料在搅拌缸内主要分布状态和 集中搅拌的位置是不一样的。对流排列中，由于物料的运动形式是物料从轴的两 端向中间推进，再通过中间堆积之后的自落进行搅拌，所以搅拌缸内会出现中间 多而两端少的现象，这样必然导致中间部位的叶片所受载荷大，而两端所受载荷 小，进而导致中间的叶片和臂过载损坏、搅拌主轴弯曲失效和疲劳损伤加剧。而 围流排列能使混合料均匀分布在搅拌缸内的各个位置，理论上来说，围流排列可 以使搅拌轴和搅拌叶片受载均匀，拌筒上的衬板和叶片之间的的磨损均匀。因此 搅拌臂围流排列要比对流排列性能上更具优势。 2 4 4 围流形式的搅拌臂的排列基本原则 目前，国内外各大沥青混凝土的生产厂家几乎都采用围流排列形式【2 们。分析 围流排列物料的运动特点，可归纳其基本运动特征：当右( 左) 手四指顺着搅拌轴旋 转方向时，物料的流动方向就是大拇指的指向，符合右( 左) 手定则；以轴为基准， 物料在搅拌桨叶的推动作用下，使得物料轴向流动分量和径向流动分量的方向相 反，如图2 5 所示。 图2 5 围流捧列运动特点 此时，在中央的主搅拌区两轴之间的物料存在着强烈的高频次的逆流运动和 物料在搅拌缸内的大循环流动。逆流运动：i n i i n i 之间物料的运动。用1 3 表示搅拌 8 7 6 5 4 3 2 l 8 7 6 5 4 3 2 l 轴上叶片的序号，l 、i i 来表示两轴的序号。在搅拌轴转动过程中，由于搅拌双轴 上两相邻叶片i 。和i i n 1 到达中央搅拌区的顺序和时间有先后，肯定存在相位差。两 轴上相邻搅拌臂相位差角不能太多也不能太小，当两者之间相位差太小，甚至为 零时，由于相邻二搅拌臂对物料推动的方向相反，且两相邻的搅拌臂到达搅拌中 央区的时间很接近，必然会在轴的周向形成局部“死循环 现象，类似一堵“墙”， 阻断了料流的大循环运动。相位差过大，相邻搅拌臂之间存在明显的滞后，这样 会影响相邻搅拌臂之间的逆流作用，影响物料的搅拌效果和质量。相位差的合理 取值存在一个范围，这样既能保证大循环的畅通，也能保证逆流效果作用强烈。 合理布置i 。和i i n 1 两搅拌臂到达搅拌区的相位时间差，促使大循环频率和次数 更多，物料逆流效果更明显，物料在相邻搅拌桨叶间相互碰撞搅拌越充分，沥青 混凝土搅拌的效果和质量就越好【2 1 1 。首先逆流是一种以不破坏物料的大循环流动 为前提强制搅拌的运动效果，布置的合理与否，会影响整个搅拌效果。布置合理， 物料之间作用的强度剧烈，频次快，能充分搅拌搅拌轴附近的物料，在一定程度 上弥补因搅拌轴速度梯度所造成的搅拌低效区的问题。布置不合理，逆流运动会 破坏物料的大循环运动，恶化搅拌质量和效果，根本起不到强化搅拌的作用。 在确保尽可能的加快和增加物料轴向大循环的频率和次数1 2 2 1 ，同时合理的增 加逆流搅拌效果，增加物料在相邻搅拌叶片直接接触强制碰撞搅拌的机会，进一 步提高搅拌效果，这就是搅拌臂排列形式优化的最终目的。 双卧轴搅拌装置搅拌臂布置的基本原则总结如下： 确保合理正常的大循环流动的畅通，在最短的时间内把物料拌和均匀。 在运转过程当中，保证搅拌臂和桨叶的数目相等和分布均匀对称，避免造 成电机负荷不均冲击过大的情况。 物料均匀分布在拌筒内，不要集中堆积在某个局部区域，这样会导致个别 叶片和搅拌臂过载而失效。 2 4 5 双轴搅拌臂排列关系 1 单轴相位及排列 单轴相位是指单轴上相邻两个搅拌臂之间的相位关系。 目前各大公司选用的相位角主要是6 0 0 和9 0 0 ，也有部分公司选用4 5 0 布置；从 搅拌轴旋转方向与单轴上搅拌臂的相位方向的关系来进行分类，单轴排列方式可 分为：正排列和反排列。如果顺着料流方向看，搅拌臂排列的相位方向与搅拌轴 转向相反；逆着料流方向看，二者反向，则为正排列，反排列则反之。如图2 6 所 示，图中“ 表示物料从纸面流出。 图2 6 中( b ) 图为反排列布置。由于物料在搅拌叶片的作用下，连续递推式向前 推进，当第四搅拌臂上的叶片推动物料向前时，此时第三搅拌臂上的叶片需经过 1 2 2 7 0 0 才能把物料继续向前推进，因此n 个搅拌臂就需要( n 1 ) 倍的2 7 0 。图( a ) 为正排列：同理，可推出正排列只需经过( n 1 ) 倍的9 0 。就能完成。因此在搅拌 臂数目、相位角和搅拌时间定的情况下，搅拌臂正排列推搅物料的速度比反排 列快，物料在轴向流动的次数更多。 3 3 2 ， 一 l - j 、 】4( ：) 正排 4 r r 1 l j 、 2( 1 图2 6 单根轴上搅拌臂的排列 2 双轴相位和搅拌臂排列 双轴相位是指双轴上同截面搅拌臂的相位关系。目前从各个沥青混凝土公司 的双卧轴搅拌设备产品来看，搅拌臂布置可分为交错布置和平行布置。双卧轴搅 拌机是在单卧轴的基础上发展来的，但是双卧轴搅拌臂的排列形式更加复杂和多 样，只研究某一根轴上的搅拌臂排列是不科学的，应该对双轴的搅拌臂排列关系 进行整体讨论和分析。这包括双轴上搅拌臂正、反排列组合形式和搅拌双轴上拌 臂间的交错、平行相位关系。由于单轴搅拌臂的相位关系有正、反两种排列臂， 因此双卧轴搅拌臂的排列组合形式多样，必须做全面的讨论。在所有符合排列基 本原则的情况下，通过分析选择出双轴上拌臂间的最佳相位关系。 2 4 6 搅拌臂的正、反排列组合形式 双轴拌臂排列组合形式：正反排列、正正排列和反反排列。 正反排列：正排列搅拌臂由于顺着搅拌轴旋转的方向，物料在沿轴向方向的 推动搅拌速度明显比反排列搅拌臂上轴向的推搅速度快一些。由于围流的存在， 物料沿着搅拌双轴方向的大循环运动物料是一条闭合运动曲线，所以当物料沿着 正排列轴运动到为反排列的轴上时，由于反排列的原因速度变慢，必然会出现物 料拥挤堵塞的情况，从而导致物料的大循环不畅通1 矧，在很大程度上影响了沥青 混凝土的搅拌质量和效果。正正或反反组合排列时，物料在沿两根轴上的运动速 度是相同的，所以这两者组合不会出现正反排列时大循环不畅通的情况。理论上 1 3 分析，大循环运动频率和次数最高的应该是正正排列，其次是正反排列，最后是 反反排列组合。一定程度上大循环运动对物料的搅拌起了主要作用，但是不能因 此否定正反排列和正正排列，有部分的公司采用的是正反排列，因为影响沥青混 凝土搅拌质量和效果不是大循环次数越多越好，物料的逆流也能强制性的加强搅 拌效果和搅拌质量，因此必须做全面的讨论和分析，从中选出最佳的搅拌臂排列 组合方式。 文献 1 9 】中选用搅拌轴上为7 个搅拌臂、单轴相位角为6 0 0 、搅拌周期6 0 s 和搅 拌轴转速为5 0 r m i n 的双卧轴搅拌器机型进行了相关的样机试验研究，通过对不同 的相位和排列的组合方式的试验研究，分析大循环和逆流运动之间的关系，最后 确定其每个组合下搅拌效果的优缺点。在选定的搅拌臂及其叶片排列方式和搅拌 臂排列基本原则的基础上，为了确保负载稳定，搅拌臂每旋转6 0 0 的瞬间，要求到 达搅拌区的搅拌叶片为7 个，其中2 个返回叶片，同时为了避免搅拌叶片相互干涉， 两搅拌轴上相同序号的叶片最好不要同时到达搅拌区。由此筛选出几种排列方案， 进行对比分析，选择出搅拌效果较优的方案，进而对局部个别叶片位置排列进行 调整优化。 通过文献【1 9 】的实验结果表明：双卧轴搅拌臂的交错布置优于平行布置，正正 排列能使混凝土达到更好的均匀度。双卧轴搅拌臂采用正正排列既能保证大循环 的畅通也能增加逆流的次数能使物料在搅拌缸内的三维空间内都能快速的达到搅 拌均匀，所以双卧轴搅拌最好选用的排列方式是正正交错排列。因为正正平行布 置过程中会出现0 0 相位差的不合理逆流，可以通过调整为正正非连续排列方式， 也能得到比较好的搅拌效果。在调整过程中应该注意以下的基本调整原则： a 尽量保持搅拌臂的正排列性质； b i n - i i n 1 的逆流相位差至少应大于单轴拌臂相角才能消除“死循环”的形成； c 为了实际加工及安装的方便，调整搅拌臂的相位角尽可能是原单轴相位角 的整数倍； d 为了保持搅拌臂整体排列的对称性，尽可能减少调整搅拌臂的数量； e 调整后的排列不降低物料的大循环流动的次数和搅拌效果。 2 4 7 搅拌臂数目优化 从宏观与微观搅拌均匀度上分析：搅拌臂个数n 对搅拌机的工作效率和混凝土 的搅拌质量都有很大影响，因为搅拌臂的增加导致搅拌机的长度增加，同时要求 搅拌电机的功率增加，同时搅拌轴在搅拌物料的过程中，物料在周向的一个完整 循环需要搅拌轴旋转2 n 转，在功率一定的情况下，n 越大，宏观上物料搅拌均匀的 时间也会随之增加，影响搅拌生产效率；同时n 太大，会破坏搅拌器的总体布置。 搅拌臂个数n 增加会使石料被挤碎的概率增加，这样会破会骨料的级配精度，同时 1 4 搅拌臂数量的增加，会导致有搅拌缸容积内的有效搅拌区降低，物料在搅拌缸内 参与搅拌的空间大大降低，影响搅拌质量。搅拌臂个数太少，叶片搅拌物料的宏 观循环运动会因此减弱，同时叶片过少会导致搅拌叶片对物料的剪切作用大大降 低，物料之间的相互作用也会降低，影响物料在微观上的搅拌均匀度。因此选择 合适的叶片个数n 具有重要的意义。搅拌臂数量有一个上限n m 戤和下限n m i n 搅拌臂数目的确定要考虑以下等相关因素： 1 为了保证物料流动的连续性，单根轴上相邻叶片在轴向方向的投影必须有 一定的重叠部分；为了给搅拌缸的清洗带来方便，卸料时缸内的混合料尽可能的 少【2 4 】。 2 搅拌轴旋转一圈，物料在沿搅拌轴轴向的行程应大于或等于搅拌缸内轴向 空间的长度。假设相邻两搅拌臂之间的相位差为9 ，则n o 3 6 0 0 ，一般要求满足 3 6 0 0 n o 7 2 0 0 1 2 5 】。 3 搅拌臂个数与相邻搅拌臂相位角之间的关系还受双轴搅拌臂的布置形式影 响。特别是正正平行排列时，如果单轴相位角的大小与叶片数量不合理匹配，这 样的排列方案的搅拌效果就不一定是最佳的，因为它没有完全符合搅拌臂排列的 基本原则。 由此分析得之相位角大小与搅拌臂数目的匹配关系： 3 6 0 0 n os 7 2 0 0 ： 当0 = 6 0 0 时，n 不能取6 、8 、1 0 。 当0 = 4 5 0 时，n 不能取9 、l l 、1 3 、1 5 。 当0 = 9 0 0 时，n 不能取5 、7 。 因此，当选用搅拌臂单轴相位角为9 0 0 时，搅拌臂选6 片或者8 片为好。考虑到 设计的是4 0 0 0 型大生产功率的产品，为确保每个搅拌臂上叶片受到较少的阻力， 因此搅拌臂选用8 个较为合理。 2 5 本章小结 本章主要介绍了沥青混凝土搅拌过程的搅拌原理和部分搅拌参数优化的理论 分析，主要分析了物料的料流排列方式、搅拌臂的相对相位关系以及搅拌臂的数 目，通过理论上的参数优化，得到了以下结论，从而为下章的搅拌装置的结构设 计做准备。 ( 1 ) 双卧轴搅拌器物料的料流排列选用围流。 ( 2 ) 建议双轴搅拌臂采用正正交错布置，双轴搅拌臂之间的相位角应不小于 单轴相位角。 ( 3 ) 相邻搅拌臂相位角为9 0 0 、正正排列组合时，搅拌臂数目为8 个位最佳。 1 5 第三章搅拌装置主要零部件的设计和优化 3 1 双卧轴搅拌器结构设计优化的主要参数 根据前一章的搅拌装置参数优化理论为基础，对双卧轴搅拌器结构主要参数 进行设计，需要设计的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速度等，其主要参数如图3 1 所示【2 6 】： = 3 2 搅拌简的设计 料流排列 相对位置 关系 对流排列 围流排列 r 相位角 l 单轴臂排列t 排列方式 图3 i 双卧轴搅拌设备主要参数 连续排列 非连续排列 以前一章的参数优化分析为理论依据，设计一个最大生产能力为3 6 0 t h 沥