（机械设计及理论专业论文）jf3000型自落式搅拌机的改进设计.pdf

摘要 摘要 混凝土是当今世界上使用最广泛的建筑材料之一，大量应用于工业、农业、 水利、交通、市政、民用以及国防等基础设施建设工程中，在国民经济中占有 非常重要的地位。水工混凝土是水利水电工程特别是大型工程中最主要最基础 的建筑材料。随着未来十年国家对水利建设的大力支持和投入，中国水利建设 将展开前所未有的发展速度，并将最终带动和促进相关工程设备的快速发展。 搅拌作为混凝土生产过程中最关键的一道工序，它的优劣会直接影响到生 产混凝土的质量和水平。大型自落式搅拌机因其具有结构简单紧凑、运行平稳 可靠、构件磨损小、超载能力强、搅拌性能优越、噪音小、能耗低、维护简便、 具有很好的社会经济效益等优点被广泛应用于国内外各大型水利水电工程中。 由水工混凝土的诸多特殊要求，决定其搅拌过程具有多变性和复杂性，而一直 以来对于自落式搅拌机的参数设计主要依靠经验数据和经验公式得到，缺乏可 靠的理论支持。这就决定了产品在改进优化以及同类新产品研制开发方面必然 存在周期长、成本高、效果不理想等问题。本文对j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机的工 作原理进行详细的阐述，并对其主要技术参数的选取进行了理论分析。 首先，论文概述了混凝土以及水工混凝土的组成及特点，并详细分析搅拌 过程中混凝土的状态，明确了搅拌对混凝土的质量和效率的重要影响，特别强 调了搅拌机参数研究的重要意义； 第二，应用拉格朗日乘数法求得拌筒长径关系，讨论在多种参数影响下的 取值，得出所需要的材料最少的搅拌机筒体几何尺寸最优化方案；利用c a t i a 三维建模，找到搅拌机筒体及筒内物料的重心位置，最终确定搅拌机倾翻支点 的最佳位置；以使物料具有合理的运动轨迹并达到最好的抛洒效果为原则，对 处于搅拌筒中不同位置的物料应用静力学进行分析，得到滚筒转速的合理取值， 保证搅拌效率与搅拌效果达到最佳状态； 第三，针对实际工程中反馈的出现的问题构件，利用a n s y s 对其进行的静 力学分析，找到问题原因，为构件改进设计提供参考。 本文通过对上述问题的分析，得出相关的合理的设计参数，为设备的优化 改进及同类产品的开发研制提供理论参考和技术支持。 关键词：自落式搅拌机几何参数搅拌机支点搅拌机转速搅拌机后锥体 t a b s t r a c t a bs t r a c t c o n c r e t ei so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e db u i l d i n gm a t e r i a l si nt h ew o r l dt o d a y , w i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，w a t e rc o n s e r v a n c y , t r a n s p o r t a t i o n , ，m u n i c i p a l ， c i v i l ，a n dd e f e n s ei n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，a n do c c u p i e sav e r yi m p o r t a n t p o s i t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m y t h eh y d r a u l i cc o n c r e t ei st h em o s ti m p o r t a n ta n d b a s i cb u i l d i n gm a t e r i a l so ft h el a r g e - s c a l ew a t e rc o n s e r v a n c ya n d h y d r o p o w e rp r o j e c t w i t ht h ec o u n t r yi nt h en e x td e c a d es t r o n g s u p p o r ta n di n v e s t m e n ti nw a t e r c o n s e r v a n c yc o n s t r u c t i o n , c h i n a sw a t e rc o n s e r v a n c yc o n s t r u c t i o nw i l ls t a r tt h e u n p r e c e d e n t e dp a c eo fd e v e l o p m e n t , a n du l t i m a t e l yt os t i m u l a t ea n dp r o m o t et h e r a p i dd e v e l o p m e n to fr e l a t e de n g i n e e r i n ge q u i p m e n t t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o n c r e t em i x i n ga so n eo ft h ek e yw o r k i n g p r o c e d u r e ， i t s q u a l i t yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n dl e v e lo ft h ep r o d u c t i o no fc o n c r e t e l a r g es e l f - f a l l i n gm i x e rb e c a u s eo fi t ss i m p l ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，s t a b l ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o n ，s m a l la b r a s i o n ，m e m b e ro fo v e r l o a dc a p a c i t y , m i x i n g p e r f o r m a n c e ， s m a l ln o i s e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，a n dh a sg o o ds o c i a l a n de c o n o m i cb e n e f i t sa n do t h e ra d v a n t a g e si s w i d e l yu s e di nd o m e s t i ca n df o r e i g n l a r g e s c a l e w a t e r c o n s e r v a n c y a n d h y d r o p o w e rp r o j e c t d u et ot h es p e c i a l r e q u i r e m e n t so fh y d r a u l i cc o n c r e t e ，w h i c hd e t e r m i n e dt h em i x i n gp r o c e s sh a st h e v a r i e t ya n dc o m p l e x i t y , s oi th a sb e e nf o rs e l f - f a l l i n gm i x e rd e s i g np a r a m e t e r sm a i n l y d e p e n do ne x t e n s i v ee m p i r i c a ld a t aa n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l a , t h el a c ko far e l i a b l e t h e o r e t i c a ls u p p o r t t h i sd e t e r m i n e st h ep r o d u c ti ni m p r o v i n gt h eo p t i m i z a t i o na n d s i m i l a rn e w p r o d u c td e v e l o p e da s p e c t st h e r em u s tb eal o n gl i f ec y c l e ，t h eh i g hc o s t a n dt h ee f f e c ti sn o tp e r f e c t t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h ej f 3 0 0 0 t y p es e l f - f a l i n gm i x e r w o r k i n gp r i n c i p l ew a se x p o u n d e d ，a n dt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa l ea n a l y z e d f i r s to fa 1 ，t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h e c o n c r e t ea n dh y d r a u l i cc o n c r e t e c o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h es t a t eo ft h ec o n c r e t e m i x i n gp r o c e s s ，m a d ec l e a rt h em i x i n go fc o n c r e t eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e i m p o r t a n ti n f l u e n c e , a n de m p h a s i z e st h es i g n i f i c a n c eo fm i x e rp a r a m e t e r s ； i i a b s t r a c t s e c o n d ，t h ea p p l i c a t i o no fl a g r a n g em u l t i p l i e rm e t h o dw i t hal o n gt u b ed i a m e t e r o b t a i n e dr e l a t i o n s h i p ，d i s c u s s e di nt h ev a r i o u sp a r a m e t e r su n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e v a l u e ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h em a t e r i a l sn e e d e da tl e a s tt h eb l e n d e rc y l i n d e rg e o m e t r y s i z eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o n ；u s i n gc a t i a3dm o d e l i n g ，f i n dm i x e rc y l i n d e ra n dt h e c e n t e ro fg r a v i t yo ft h em a t e r i a li nt h e6 y l i n d e rp o s i t i o n , t h ef m a lo v e rt h eb e s to u to f t h em i x e rp i v o tl o c a t i o n ；t om a k et h em a t e r i a lh a sr e a s o n a b l et r a je c t o r ya n dt o a c h i e v et h eb e s te f f e c tf o rt h r o w i n gp r i n c i p l e ，t os t i ri nd i f f e r e n tl o c a t i o n so ft h e m a t e r i a li nt h ec y l i n d e rs t a t i c sa p p l i c a t i o na r ea n a l y z e da n dr o l l e rr o t a r ys p e e do ft h e r e a s o n a b l ev a l u e ，m i x i n ge f f i c i e n c ya n dm i x i n ge f f e c tt h a tt oa c h i e v et h eb e s ts t a t e ； t h i r d , i nt h ea c t u a lp r o j e c tf e e d b a c kc o m p o n e n tp r o b l e m s ，t h eu s eo fa n s y s t o c a r r yo nt h es t a t i ca n a l y s i s ，f i n dt h e c a u s eo ft h ep r o b l e m , a st h ec o m p o n e n t i m p r o v e m e n td e s i g nr e f e r e n c e t h i sa r t i c l et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea b o v ep r o b l e m s ，g e tt h er e a s o n a b l e d e s i g np a r a m e t e r s ，f o re q u i p m e n tt oi m p r o v et h eo p t i m i z a t i o na n ds i m i l a rp r o d u c t s d e v e l o p e dt op r o v i d et h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r t k e y w o r d s ：s e l f - f a l l i n gm i x e rg e o m e t r i cp a r a m e t e r s m i x e rf u l c r u mm i x e rs p e e d m i x e ra f t e rc o n e i i i 1 绪论 1绪论 1 1本课题研究的背景及意义 我国幅员辽阔、江河纵横，地势西高东低，蕴藏着相当丰富的水利水电资 源。我国拥有的流域面积在一百平方公里以上的河流就有五千多条，多年平均 径流量高达2 8 万亿立方米；可开发的水能资源达到3 7 8 亿千瓦，居世界第六 位，这是我国拥有的潜在的巨大能源财富【n 。但同时我们也面临着水资源分布不 均、资源利用率低下、污染严重等严峻的水利发展现状。虽然自建国以来，特 别是改革开放以后，在我国政府的带领下全国人民开展了大规模的水利建设， 但是据水利部门统计结果显示，目前我国水资源人均占有量世界排名第1 1 9 位， 仅为世界人均水平的四分之一。全国近三分之二的城市存在不同程度的供水不 足现象，即使在正常年份全国每年的缺水总量也高达三百多亿立方，地下水超 采区面积达到1 9 万平方公里。再加上近年来，受全球气候变化的影响，我国极 端水旱灾害事件呈频发、多发、突发趋势，洪涝灾害、干旱缺水、水污染和水 土流失等水问题更加复杂。所以尽快合理的开发和利用水利水电资源，充分发 挥其在防洪、发电、灌溉、航运、城市供水、养殖和旅游等方面具有的综合社 会经济效益，将对我国的国民经济快速发展具有积极的推动作用 2 1 。2 0 1 1 年1 月2 9 日中央发布了“关于加快水利改革发展的一号文件，这是自新中国成立 六十二年以来中央文件中首次针对我国水利发展工作进行的最系统、最全面部 署，将水利发展上升到影响社会经济发展全局的战略高度，在文件中还特别指 出：水是“生命之源、生产之要、生态之基 ，并且水利具有公益性、基础性和 重要的战略地位；水利建设及发展是保障现代农业建设的首要条件，是促进生 态环境改善的重要保障系统，同时也是发展现代社会经济的基础和支撑。加快 水利设施建设、促进水利改革发展，不仅直接影响着农业和农村发展，关系到 供水、粮食及防洪安全，而且会间接影响到整个社会经济发展的全局，关系到 整个生态环境和经济环境的安全甚至关系到国家安全。文件还提出：要建立投 入的稳定增长机制来保障和促进水利发展，力争自2 0 1 1 年起的今后十年内，全 社会水利建设投入平均每年比2 0 1 0 年高出一倍，即中国未来1 0 年在水利方面 的总投资将会达到4 万亿元；力争通过五到十年的时间，依靠全社会的共同努 1 l绪论 力，从根本上扭转和改变我国目前存在的水利发展建设明显滞后于经济快速发 展的局面。可以预计，“十二五”时期既是针对水利薄弱环节重点加强建设的关 键时期、也是推动民生水利发展、加快民生水利建设的关键时期；既是加强水 利机构管理、促进水利深化改革的攻坚阶段，同时也是推动制约经济发展的“传 统型水利 向可持续发展的“现代化水利转变的重要时期。可以预测在政策 和资金的双重作用下，中国水利建设将展开前所未有的发展速度，并将最终带 动和促进相关工程设备的快速发展【2 j 3 1 。 水利发展必然离不开水利基础设施的建设，水利基础设施建设需要大量优 质的水工混凝土的供给。根据水利工程中混凝土快速、高强度、大方量浇筑的 施工特点，可以预见大容量混凝土搅拌机将成为主力设备。本课题研究的j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机就是专门用于生产水工混凝土的大型搅拌设备，曾在很长一段 时间内它是国产化容量最大的自落式搅拌机型；曾被选用于国内多个著名的大 型水利水电工程，在今后的水利大发展中它还将继续担任主要角色，并具有可 观的市场前景【4 j 【5 j 【6 】。 本课题将在充分借鉴现代优化设计理论的基础上，利用数学计算和软件分 析相结合的方法对j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机做相关参数分析和改进设计，达到提 高设备使用性能、解决设备存在的问题的目的，为研制j f 4 8 0 0 超大型自落式搅 拌机提供可靠的参考依据和分析经验。 1 2 国内外相关研究现状及发展 1 2 1搅拌设备的研究现状 早在上世纪四十年代，在美、德、俄等国家就出现了动力源为蒸汽机的自 落式搅拌机，其搅拌腔是木制筒构成的多面体状。直到上世纪八十年代，才开 始使用铜铁件来代替木板，但形状仍然为多面体状。1 8 8 8 年法国登记申请了第 一个用于修筑公路的混凝土搅拌机专利。二十世纪初，圆柱形搅拌筒的自落式 搅拌机才开始普及。搅拌筒形状的改进不仅避免了混凝土在搅拌筒内壁上的凝 固沉积，还使搅拌质量和搅拌效率都得到了提高。1 9 0 3 年德国在斯太尔伯格建 造了世界上首座水泥混凝土的预拌工厂。1 9 0 8 年，美国出现了第一台由内燃机 驱动的搅拌机，之后电动机就成为了搅拌机的主要动力源。从1 9 1 3 年，美国开 始大量生产并使用预拌混凝土，到1 9 5 0 年，亚洲的日本也开始使用搅拌机来生 2 1 绪论 产预拌混凝土。在这期间，仍然是以发明与应用各种无叶片或有叶片的自落式 搅拌机为主。目前世界最大型的自落式搅拌机是美国约翰逊j o h n s o n 公司设 计生产的，单机容量达1 1 5m 31 7 儿引。 一从上世纪五十年代起，我国陆续开始生产制造并使用混凝土搅拌设备。1 9 5 2 年，由上海建筑机械厂和天津工程机械厂联合试制成功了我国国产第二代混凝 土搅拌机，进料容量分别为4 0 0 l 和1 0 0 0 l ：六十年代初，我国生产出首批仿苏 式搅拌楼；七十年代末至八十年代初，我国建筑业发展迅速，为适应市场对混 凝土大规模的需要，在大量引进国外样机的基础上，有关院所、厂家先后开发 出新一代j z 型双锥自落式搅拌机、d 型单卧轴强制式搅拌机、j s 型双卧轴强 制式搅拌机等多种搅拌机型。由于借鉴并吸取了当时国外的先进技术，我国的 搅拌机技术虽然起步晚，但发展比较迅速，在产品规格和生产数量上，都远远 超过了其他进口机型。八十年代末，我国混凝土搅拌装置的开发重点开始转向 更适于连续生产大方量混凝土的成套设备，开发研制出了十几种混凝土搅拌楼。 “八五 期间，原郑州水工机械厂与杭州机械设计研究所联合研制开发出4 x 3 m 3 大型预拌混凝土搅拌楼，生产率为2 4 0 m 3 h ；“九五”期间，又完成了4 x 4 5 m 3 特大型预拌混凝土搅拌楼的开发设计，其生产率为3 2 0 m 3 h 。2 0 0 7 年5 月，由 国电机械设计研究院设计研发的j f 4 8 0 0 型自落式搅拌机完成样机试验，成为目 前国产最大型替代进1 ：3 设备的主力核心机型一儿引。 纵观建国几十年以来的水利发展历程，大容量自落式搅拌机因其具有更适 合于拌制普通塑性混凝土、水工大体积混凝土及水工碾压混凝土的良好的综合 性能以及社会经济效益等优点被广泛应用在长江葛洲坝、黄河万家寨、公伯峡 以及长江三峡、广西龙滩、贵州构皮滩、云南小湾、埃塞、苏丹、云南居甫渡、 陕西汉江蜀河、万家寨龙口、黄河拉西瓦、溪洛渡、官地、向家坝、龙开1 2 1 等 国内外各大型水利水电工程中，成为国内水利建设中水工混凝土生产设备的首 选机型。 总的来说，随着与国际市场交流的逐渐频繁以及国外混凝土机械产品的不 断涌入，在经历了引进消化、学习吸收、自主研发、改进创新等发展过程之后， 目前国产混凝土搅拌设备已取得突破进展，无论是设计研发还是生产制造都已 具有相当水平，产品数量达到相当规模，产品规格基本实现系列化，更产生一 批拥有自主知识产权的核心技术，并迅速发展成为规模不断扩大，具有较强市 场竞争能力的行业。虽然我国搅拌设备在较短时间内取得了较快的发展和较大 3 1绪论 的提高，但是综合来看，国产混凝土搅拌设备在质量、性能和技术先进性等方 面与国外前沿产品相比还存在一定的差距，自主创新略显不足，仿造印迹比较 明显 9 1 1 0 】 1 1 】。 本课题研究的j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机( 见图1 1 ) 虽然在业内曾被普遍使用， 但是它却并不是一种成熟完美的产品。 首先，它的设计参数是在原有的j f 系列中小型自落式搅拌机的基础上依靠 经验数据和经验公式得到，缺乏可靠的 理论支持。 第二，产品多年未进行系统的改进， 经过工程使用反馈表明，设备使用中存 在问题需要解决。 第三，在产品系列化及同类新产品 研制开发时存在成本高、效果不理想等 问题。 图1 1j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机二维模型 1 2 2 搅拌设备的发展趋势 搅拌设备的发展与混凝土的市场需求密切相关。一方面，随着国家近些年 对城市基础设施和高铁建设投入的激增，市场对商品混凝土的质量和产量提出 更高的需求，强制式搅拌机由于其在商品混凝土生产方面具有的明显的优点而 被越来越广泛的研究和使用；另一方面，2 0 11 年中央发布的一号文件显示，未 来的1 0 年时间我国的水利基础设施建设将迎来前所未有的发展速度，可以预测 在今后国内水利建设中大方量自落式搅拌机还将作为水工混凝土的主要生产设 备得到广范应用。 随着市场的多样化需求及各种新技术在搅拌设备中的应用，多种新型搅拌 机如：无轴式搅拌机、螺旋轴式搅拌机、蒸气加热搅拌机、超临界转速搅拌机、 声波搅拌机等也应运而生。可以预见在市场带动下，未来搅拌机将迸一步向高 效节能型、多功能和智能化方向发展，在今后很长一段时间内搅拌机市场将呈 现百花齐放、百家争鸣，在竞争中发展的态势1 0 1 【1 1 1 。 4 1 绪论 课题研究的主要内容 j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机主要用来生产大方量大粒径的水工混凝土，并广泛 用于大型水电工程中的混凝土浇筑。水利工程施工时对混凝土质量及浇筑时机 都有严格控制，所以要求混凝土搅拌设备在满足高强度浇筑的同时，必须具备 高可靠性和高稳定性。通过对本课题的研究，将达到提高j f 3 0 0 0 型自落式搅拌 机综合性能的目的。主要研究内容及方法： 1 ) 通过简要分析混凝土的搅拌过程，确定搅拌对混凝土质量的影响及重要 意义，明确研究搅拌机主要参数的重要性； 2 ) 利用数学计算及c a t i a 软件建模等方法，分别对系统的主要设计参数进 行理论分析并计算得出合理结果，为保证系统稳定性提供理论依据；并 与现有产品参数进行对比分析，确定系统结构的合理性及改进方向； 3 ) 针对设备目前使用中存在的问题，在a n s y s 中建立有限元模型，对系 统的问题构件进行分析，为构件的优化提供可靠数据。 5 2 混凝土搅拌机理及其设备 2 混凝土搅拌机理及其设备 2 1 混凝土概述 混凝土是当今世界上使用最广泛的建筑材料之一，大量应用于工业、农业、 水利、交通、市政、民用以及国防等基础设施建设工程中，并在国民经济中占 有非常重要的地位。混凝土是一种固体复合材料，它是由凝胶材料与骨料胶结 而成的。根据凝胶材料的不同可分为水泥混凝土和沥青混凝土等，通常所说的 混凝土多指水泥混凝土。在各种建筑工程中水泥混凝土用途最广、用量最大， 可通过不同的物料配合比来实现工程中不同的性能需求【1 2 1 。 水泥混凝土是由水泥、石、砂和水等物料按一定的配合比进行搅拌混合而 成。理想的水泥混凝土状态是：水和水泥组成水泥浆后包裹在砂粒的表面，并 填充于砂粒之间的空隙中形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹在石子的表面，并填 充于石子之间的空隙。水泥浆和水泥砂浆在混凝土浇筑的初期分别起到润滑砂、 石的作用，使得混凝土满足在施工过程中要求具备的流动性。待其浇筑完毕硬 化后，又可将砂、石粘结起来形成一个牢固地整体，使混凝土最终达到并具有 一定强度的重要性能【乃】【h 】。 水利水电工程建设中用于修建挡水、输水、排沙、泄洪、发电等不同类型 的水工建筑物的混凝土，称为水工混凝土。由于实际工程中水工建筑物的使用 条件大多比较严酷，会经常或周期性地受到环境水的作用，因此水工混凝土无 论是原材料选择还是配合比设计都有其特殊性，要求必须严格按照工程的使用 条件和实际需求进行，使其具有更高的物理性能、力学性能和耐久性能等。 工程中根据建筑物大小不同，水工混凝土可分为大体积混凝土和普通混凝 土。根据使用环境的不同，大体积混凝土又分为外部混凝土和内部混凝土。水 工混凝土种类繁多、用途广泛，可用于水上、水下以及水位变动区等多种部位。 因用途和使用目的不同，要求其具有的技术特性也不同：经常与环境水相接触时， 通常要求具有良好的抗渗性；在严寒地区、特别是应用于水位变动区时，要求 具有较强的抗冻性；经常与带有侵蚀性的水相接触时，则要求具备良好的耐蚀 性；使用于大体积建筑物时，为防止出现温度裂缝，要求具有低热性和低收缩 率；在使用于经常受到高速水流冲刷的部位时，则要求具有抗冲刷、高耐磨性 6 2 混凝土搅拌机理及其设备 及抗气蚀性等。 水工混凝土是水利水电工程中，特别是大型工程中最主要最基础的建筑材 料。中国近三十年来建成的大、中型混凝土结构的闸、坝达数百座，其中有些大 型工程中混凝土用量高达1 0 0 0 万立方米以上，如著名的长江三峡工程、葛洲坝 工程和位于台湾省的德基大坝等，除此以外水工混凝土还大量应用于农田水 利、河港建设以及地下防水工程中1 2 】。 水工混凝土密实度高，捣实后的体积质量通常在2 5 2 7f f m 3 ，高于普通商 品混凝土的2 4 伽；普通商品混凝土所使用的骨料粒径通常较小都在6 c m 以下， 而水工混凝土用于级配的骨料粒径通常很大可达1 5 c r n 、 1 8 c m ，甚至可能出现在 搅拌机额定粒径规格基础上仍然超径5 的情况；与普通商品混凝土具有的流动 性好、坍落度大等特性相比，水工碾压混凝土的流动性差、坍落度小( 通常为 8 c r n 以下，一般用微析值来衡量) ；与普通商品混凝土相比，水工混凝土所使用 的机制砂石粉含量可高达1 6 - - - - 2 0 ，粗骨料中的石英含量高达5 0 - - 8 0 ；普 通商品混凝土每次循环搅拌时间一般在2 0 - - - 一6 0 s 之间，水工混凝土会根据混凝土 标号不同以及混凝土出机口温度要求与环境温度的关系进行调整。表2 1 将水工 ( 碾压) 混凝土与普通商品混凝土的性能进行比较。 表2 1 水工( 碾压) 混凝土与普通商品混凝土的性能对照表 7 2 混凝土搅拌机理及其设备 2 2 混凝土搅拌机理 1 在实际工程中使用时，一般要求混凝土具有较好的和易性、耐久性、高强 度、经济性等性能。而达到这些性能要求则主要取决于混凝土的内部结构，通 常体现在两方茴：混凝土配比和搅拌均匀程度。混凝土配比设计合理且搅拌后 各组分分布均匀，混凝土质量就较高。从微观来看，水泥混凝土是由分散的介 质分子的水化物薄膜层粘结各相颗粒而形成的胶凝结构。这种结构具有很高的 粘性、剪切强度、弹性模量和内应力，其中前两者是搅拌设备在搅拌过程中受 到阻力的主要来源。可见，在微观上各组分达到均匀分布时，即当所有组分均 匀分布并且每一粒骨料都被水化物薄膜包围时，混合物的胶凝结构才具有最稳 定的状态，凝固后的混凝土才会具有最大强度。为了达到混凝土各组分的均匀 分布，最终形成良好的内部微观组织结构，“搅拌 作为最基本的方法和手段， 对制备混凝土起着极为重要的作用【1 3 】【1 5 】【1 6 1 。 综合宏观和微观两方面分析混凝土搅拌的目的1 1 4 】： 1 ) 促进各组分均匀分布，实现宏观和微观上的匀质； 2 ) 消除水泥颗粒团聚现象，打破包裹在水泥颗粒表面的初始水化物薄膜层； 促使水浸润每个颗粒表面，加快水泥的水化作用；加快弥散现象的发展，进而 提高水泥浆的活化性能，形成理想的水化生成物；促进水泥颗粒与其他组分颗 粒的结合； 3 ) 由于骨料表面常覆盖灰尘层或粘有粘土等，将妨碍骨料与其它组分形成 界面结合层，故可通过搅拌使骨料颗粒间相互碰撞和摩擦，以降低灰尘薄膜的 影响； 4 1 增加混合物料各单元体参与混合运动的次数，提高其在运动轨迹中相互交 叉的频率，以加速达到匀质化。 为了使混凝土各组分在宏观和微观上均达到匀质，要保证使其各组分颗粒 和液滴在搅拌过程中都能产生运动，并使它们的运动轨迹相互交叉。简单来说， 交叉运动越剧烈、交叉次数越频繁，混凝土各组分越容易混合均匀。在实际搅 拌过程中要使混凝土混合料达到均匀，其混合的机理十分复杂，通常根据混合 物各组分在搅拌时产生运动的不同方式，将其总结描述为对流运动、扩散运动 和剪切运动，以下将对三种运动分别进行说明【1 3 】【17 】： 1 )对流运动 8 2 混凝土搅拌机理及其设备 对流运动是指物料颗粒在较大尺度范围内的规则流动。在搅拌过程中这种 流动是最主要的，也是最基本的，可促使物料达到一种宏观上的匀质化。可以 直观地理解为，通过外力的直接作用，物料各组分之间发生相对流动，促使各 种不同粒径的粒子群大幅度地移动位置，由于不同颗粒的运动速度和各自的运 动轨迹不同，从而形成多种环流，使物料相互混合。可知由搅拌产生的对流运 动对大粒径、体积相近的组分的混合效果和效率是非常显著的。它的存在能够 保证混凝土达到使用的基本要求。 ： 2 )扩散运动 扩散运动是指物料颗粒在较小尺度范围内进行的随机移动。通常发生扩散 运动的对象都是粒径很小的组分，形成的一种亚微观上的局部混合。物料颗粒 的扩散运动通常发生在两种情况下：一是粒子相互之间的移动频率增加，二是 在不断产生的新的混合料表面上物料的再分布。所以，可以通过增加单个粒子 的移动性来促进物料颗粒的扩散运动。对比对流运动，扩散运动的速度明显降 低，但它却能更好地促进各组分相接触表面间的良好结合，从而达到亚微观上 的均匀。如果对流运动是使混凝土在宏观上拌匀，那么扩散运动则能使混凝土 在亚微观上拌透。扩散运动可以显著提高混凝土的性能，对改善搅拌效果具有 重要意义。 3 )剪切运动 剪切运动是指物料颗粒凝聚体沿着其滑动面发生剪切变形时产生的位移。 在混凝土搅拌过程中，由于粒子群内部不同组分的速度分布不同，造成各粒子 间产生相互滑动和碰撞，就形成了剪切运动。粉状物料的凝聚体是发生剪切运 动的主体。在搅拌初期，水泥与水接触后，由于水存在表面张力，而水泥微粒 的附着性大且易团聚成小水泥球，这些原因严重影响了混合料的微观均匀性。 所以搅拌时，剪切运动必须通过克服这些凝聚体的表面张力、剪应力、内聚力、 甚至分子间的库仑力，才能促使这些团聚颗粒的分散、破碎，保证水泥等粉状 物料的混合在微观上的均匀分布。 搅拌混凝土混合料的搅拌机理是非常复杂的，搅拌过程中出现的对流、扩 散和剪切三种运动不是在各自的区域内独立存在并起作用的，而是会同时出现 在搅拌的每一个过程中，通过不同形式的组合达到千变万化的搅拌效果。 混合料中各物料之间通过搅拌发生相互碰撞、对流和扩散，从而达到促进 物料颗粒( 特别是水泥颗粒) 的弥散分布，使其充分包裹于骨料表面，最终实现混 9 2 混凝土搅拌机理及其设备 凝土在宏观和微观上的匀质。为了更好的了解混凝土搅拌与其均匀性的关系， 就需要研究物料在搅拌过程中的运动规律，并分析物料与搅拌机构间的相互作 用关系。搅拌过程中混凝土状态的动态变化和发展情况，可大致描述为如图2 1 所示的“混凝土均匀度与搅拌时间的关系 曲线【1 3 1 。 t ： 1 ：7 在搅拌的初级阶段主要是存在物料的循环流动( 图中i 段) ，此时的搅拌是在 宏观水平下进行的，各组分间的相临界面 小，其扩散现象不明显，而分离现象的影 响也较小，在此阶段搅拌进程的发展速度 主要决定于拌筒中物料的运动特性。从t k 时刻起在拌筒内各组分的扩散分布逐步加 快，循环流动和扩散运动在搅拌中的作用 效果将趋于相近。此时，各组分的混合己 在微观水平上进行，并从其中某一时刻起 扩散运动开始起主要作用( i i 段) ，与此同 图2 1混凝土均匀度与搅拌时间的关系 时，原来已经粘结在一起的各组分发生离析的过程也在加快。从某时刻如开始， 混合与离析这两种截然相反的过程将基本上达到动态平衡。此后，一般来说物 料的均匀度变化很小( i i i 段) ，搅拌对于物料混合的实际意义不大。个别情况时， 上述混合和离析过程的平衡时刻要比均匀度最好的乙时劾 ( i i i 段靠下曲线) 稍晚 出现。在i i 、i i i 阶段，物料组分重新分布的速度一方面取决于物料的运动特性， 另一方面也取决于物料的结构流变特性，比如物料颗粒的粒径大小，相间表面 的大小以及粘结力的数值等等【1 4 1 。 分析物料在搅拌工作腔内的宏观运动，其形式可以分为六种，即沿空间三 个方向的平移运动和绕这三个方向的旋转运动。只提供单一运动形式的搅拌机 工作机构无疑是最简单最容易实现的，但显然单调的物料运动形式既不能保证 搅拌质量也不能提高搅拌效率，而能同时具有上述六种运动形式的搅拌机工作 机构又因为太复杂而难以实现。因此，对搅拌机构设计技术的完善和改进，从 根本上来说就是对这些运动形式的增加和强化。所有合格的搅拌机构都要能保 证物料在有限的三维空间内获得充分的运动，提供其充分混合的机会，只有这 样才能保证搅拌质量【1 3 】。 通过以上分析可见，搅拌是混凝土生产过程中最关键的一道工序，它的优 劣会直接影响到生产混凝土的质量和水平。随着国家对混凝土的大力推广，各 1 0 2 混凝土搅拌机理及其设备 种基础设施建设对混凝土的需求量和质量都提出了更高的要求，这就必然会涉 及到混凝土搅拌方法的更新、搅拌设备的改进和相关理论的研究。 2 3 混凝土搅拌设备7 。一 。一 ! r 目前市场上最广泛使用的混凝土搅拌设备按照搅拌机理可分为两种：自落 式搅拌机和强制式搅拌机。前者主要用于水利水电工程中水工混凝土的生产， 而归属于后者的双卧轴搅拌机则是目前商品混凝土市场的主流机型。 自落式搅拌机设备工作时，驱动装置带动简体绕芯轴以一定速度旋转，进 入滚筒内的物料在安装于筒体内壁的搅拌叶片的带动下产生翻滚、穿叉、相互 混合，最终达到搅拌效果。自落式搅拌机因其具有结构简单紧凑、运行平稳可 靠、构件磨损小、超载能力强、搅拌性能优越、噪音小、能耗低、维护简便等 优点被广泛应用于水利水电工程中水工大体积及碾压混凝土的生产，具有很好 的社会经济效益。其具体的工作原理及搅拌过程详见本文3 1 2 部分，此处不再 累述。 双卧轴搅拌机顾名思义其搅拌装置是由两根平行且呈水平放置的搅拌轴组 成的，两根水平轴在沿圆周方向依次错落的安装若干组螺旋型搅拌叶片，在驱 动装置作用下两轴分别按相反方向转动，使物料在呈“c o 型的两个搅拌筒内得 到搅拌。搅拌过程中叶片在将位于搅拌筒中部和底部的物料向上翻动的同时又 将其沿轴向推动，进而形成强烈的交叉料流，最终促使混凝土匀质化。由其工 作原理可知双卧轴式搅拌机具有以下优点：结构合理坚固适于制造大容量设备， 搅拌质量好效率高，工作可靠性高，叶片和衬板磨损小、使用寿命长，使用维 修方便，装载运输便利，混凝土适应范围广等。但它同时存在结构复杂、制造 成本偏高的不足之处，而且通常双卧轴搅拌机的标准是以商品混凝土为主体， 所以对于生产水工混凝土，还存在以下局限性：生产水工混凝土时要降级使用， 即产量要乘以o 7 5 的系数；针对水工混疑土密实度高、碾压混凝土砂石粉及石 英含量高等因素，搅拌机容量、叶片臂夹角、功率配置以及耐磨措施都应采取 特殊措施；生产过程中能耗大的大容量的强制式搅拌机配置的液压站系统噪音 和振动都非常大；当生产需要加大量的片冰或特种外加剂的预冷混凝土时，要 延长搅拌时间( 此时失去强制式搅拌机搅拌时间短的优势) ，同时设备磨损量也 加大；当骨料的石英含量高于5 0 时，强制式搅拌机的磨损量为自落式搅拌机 2 混凝土搅拌机理及其设备 的4 倍以上，将大大增加维修工作量和更换易损件的运行成本，所以此时应考 虑选用自落式搅拌机。 由上节分析可知，由于水工混凝土中有超大粒径骨料的存在，不但改变了 骨料级配中的空隙率和表面积，容易造成混凝土质量的不稳定，而且当尺寸较 大的狭长或扁平型的天然卵石占比例较大时，还容易出现搅拌主机的“卡料” 现象，进而形成冲击和过载。所以搅拌设备设计时要充分考虑使主轴、搅拌臂、 减速机等搅拌机的传动系统和重要部件都具备优良的抗冲击性能；要求搅拌机 衬板、搅拌主轴、搅拌臂耐磨性要更强；要求主机具有更强抗超载能力掣5 】 6 】。 综上所述，水工混凝土对搅拌机的整体性能都提出了更高的要求，这些也 是设备进行改进设计应满足的基本要求。 2 4 本章小结 本章简述了混凝土的构成特点，通过分析混凝土的搅拌过程，明确搅拌的 目的和搅拌的重要作用以及对混凝土质量的重要影响；通过水工混凝土的特性 分析，明确水工混凝土对搅拌设备的特殊要求，给搅拌设备的改进提出要求、 指明方向。 1 2 3 1 1 ：3 0 0 0 型自落式搅拌机主要参数的改进分析 3j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机主要参数的改进分析 il 一， j ： i二 c i 3 1j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机简述 ：忙 依据国标d b f r9 1 4 2 2 0 0 0 及电力行业标准d l t4 5 6 2 0 0 5 规定，j f 3 0 0 0 型 自落式搅拌机型号说明如下【1 8 】： jf3 0 0 0 公称容积l ( 捣实) 锥形倾翻出料式 搅拌机 3 1 1 主要技术参数 进料容积：4 8 0 0 l 出料( 公称) 容积：3 0 0 0 l ( 捣实) 上仰( 工作) 角度：1 5 。 倾翻( 卸料) 角度：5 0 0 最大骨料粒径：s 18 0 m m 搅拌筒最小容积：7 9 3 0 l 3 1 2 工作过程简述 如图3 1 所示j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机在滚筒体、支持架及驱动装置等构件 的自重作用下，滚筒静止及进料搅拌时保持1 5 。仰角状态。驱动装置带动简体绕 芯轴以一定速度旋转，滚筒内壁安装有呈径向布置的搅拌叶片，进入滚筒内的 物料在各搅拌叶片的带动下进行旋转提升。当物料被叶片带动上升到一定高度 时，在其自身重力和搅拌滚筒提供强制外力共同作用下，物料开始滚落或形成 抛洒。在此过程中，由于物料各组分的颗粒大小和质量不同以及它们在滚筒内 所处的位置不同，会造成其在搅拌过程中下落点和下落时间，以及抛洒和滚动 的状态也不同，进而使物料产生翻滚、穿叉、相互混合，最终使物料扩散均匀 达到理想的搅拌效果；当搅拌完成，在气缸作用下搅拌筒绕支点旋转倾翻卸料， 13 3j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机主要参数的改进分析 倾翻角度为5 0 。，如图3 2 所示；卸料完毕后，系统恢复最初状态，可以进行下 一循环生产【13 1 。 图3 1搅拌机进料搅拌状态图3 2 搅拌机倾翻卸料状态 3 2j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机主要参数的改进分析 任何机械设备都存在着决定其性能优劣的主要技术参数。主要技术参数的 合理设置既能很好的满足设备的使用性能，又能合理的降低设备的各项成本， 真正做到性价比最优。根据j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机的工作原理以及对其工作过 程的分析可知，该设备的主要技术参数包括：搅拌筒几何参数、搅拌机支点位 置及搅拌筒转速等，以下将针对j f 3 0 0 0 型自落式搅拌机的这几项参数进行分析 及核定，确定其设计的合理性。 3 2 1搅拌筒几何参数的核定 搅拌筒主要几何参数包括滚筒几何容积、有效容积、几何尺寸等方面，是 本设备的主要参数，对设备的综合性能起着决定性作用。以下是根据相关标准 规定并总结使用经验提出的相关要求，合理的搅拌筒几何尺寸要符合以下原则： 1 ) 滚筒有效容积保证搅拌机在工作位置( 上仰1