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双叶片搅拌机参数优化发其试验研究 摘安 摘要 强制式搅拌机的搅拌低效区与搅拌机结构密切相关，本文分析了低效区的成 因，根据新的搅拌概念，提出了改善其搅拌性能的措施。通过理论分析，提出了 搅拌机构各参数的设计原则，在现有普通双卧轴搅拌机的基础上，根据搅拌目的 和参数优化目标，设计了双叶片搅拌机。通过试验研究，对双1 1 片搅拌机齐参数 进行了整体优化及匹配，检测了样机性能，并与普通强制式搅拌机进行了对比。 最后，给出了结论和建议，认为双叶片搅拌机极大改善了低效区搅拌性能，提高 了搅拌效率和质量，适于原有搅拌设备的改造和新型搅拌设备的开发。 关键词：混凝土搅拌机低效区双叶片参数优化试验研究 a b s t r a c t t h ei d e m c i e n tz o n eo ff o r c e da c t i o nm i x e ri sc l o s er e l a t e dt oi t s s t r u c t u r e ，a f t e ra n a l y z i n gr e a s o n so fh o wt h ei n e f f i c i e n tz o n ef o r m s ，t h i s p a p e rg i v e st h em e a s u r et oi m p r o v ei t sm i x i n gp e r f o m a a n c ea c c o r d i n gt o n e wm i x i n gc o n c e p t i o n ，t h ea u t h o rr a i s e st h ep a r a m e t e r sd e s i g np r i n c i p l e o fm i x e rb ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dh a sd e s i g n e do n ed o u b l e m i x i n g - b l a d e sm i x e ro nt h eb a s i so fo r d i n a r yd o u b l eh o r i z o n t a ls h a f t m i x e ro np u r p o s e so fm i x i n ga n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n w i t ht h eh e l p o fe x p e r i m e n ts t u d y , t h ea u t h o rd i s c u s s e sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n d m a t c h i n g ，a n dt e s t e st h ep e r f o r m a n c eo fp r o t o t y p ec o m p a r i n gw i t h o r d i n a r yf o r c e da c t i o nm i x e r a tl a s t ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h a tt h e d o u b l e m i x i n g b l a d e sm i x e r , w h i c hi m p r o v e sm i x i n gp e r f o r m a n c eo f i n e f f i c i e n tz o n ea n dm i x i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fw h o l em a c h i n e h i 曲l y , i sf i tf o rt h eu p g r a d eo fo l dm i x i n gd e v i c e sa n dt h ed e s i g no fn e w m i x i n gd e v i c e s k e yw o r d s ：c o n c r e t em i x e ri n e f f i c i e n tz o n e d o u b l em i x i n g - b l a d e s p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n ts t u d y 1 l 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 第一章综述 1 1 混凝土基本概念 1 1 1 混凝土组成及结构 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“1 。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，沥青混凝土主要作为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吨1 。硬化前的混凝土称 为新拌混凝土( f r e s hc o n c r e 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 - - 3 0 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 - - 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( 见图l 。1 ) ；从距微观上来看，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1 3 l 。 图卜1 混凝土宏观结构 1 - 取叶片搅拌机参数优化及其试验研究第一章综述 1 1 2 混凝土的基本要求和特性 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。 混凝土性能的形成是从混凝土的拌制、浇筑和硬化开始的，新拌混凝土首先 要满足易于施工、并能获得均匀密实结构的性质，称为工作性( w o r k a b i l i t y ) ，也 称和易性或工作度。对工作性( 或称和易性) 这一术语的含义，虽然目前仍有争议， 但通常认为主要包含“流动性”、“可塑性”、“稳定性”和“易密性”等内容1 2 1 。 优质新拌混凝土应该具有：满足输送和浇捣要求的流动性；不为外力作用产生脆 断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣成型的易密性。 流动性指混凝土拌和料在自重力或机械振动力作用下，易于产生流动、易于 运输、易于充满混凝土模板的性质。一定的流动性可保证混凝土构件或结构的形 状与尺寸以及混凝土结构的密实性。粘聚性指混凝土拌和料各组成材料具有定 的粘聚力，在施工过程中保持整体均匀一致的能力。粘聚性差的混凝土拌和料在 运输、浇注、成型等过程中，易产生离析、分层现象，造成混凝土内部结构不均 匀。保水性指混凝土拌和料在施工过程中保持水分的能力。保水性好可使混凝土 拌和料在运输、成型和硬化过程中避免发生大的或严重的泌水现象1 。 新拌混凝土的工作性是一项综合指标，所包含的一些要求，在不同场合下存 在矛盾性。如，稳定性要求混合料应具有较高的内聚性，以便减少粗集料的下沉 和泌水；而易密性则要求混合料有较小的内聚力和内摩擦以便易于密实成型。因 此，对于混合料的工作性应根据不同场合提出不同要求h 1 。 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 。在特定情况下，还要求混凝土具有其他性能，如不透水性和抗冻性等， 并且，这些性能往往与混凝土强度密不可分。因此，通常用混凝土强度评价和控 制混凝土质量。 混凝土强度通常包括抗压、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 s l 8 5 ) 。混凝土抗拉强度较低，约为抗压 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 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， 混凝土抗弯折强度尤为重要，如道路路面、机场道面，此时，通常采用抗弯折强 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巧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。 就混凝土的强度而言，由于骨料的强度一般均高于水泥石的强度，因而普通 混凝土的强度主要取决于水泥石的强度和界面粘结强度( 或界面过渡层的强度) ， 而界面粘结强度又取决于骨料的表面状况、凝结硬化条件及混凝土拌和物的泌水 性等。界面是混凝土结构中最为薄弱的环节哺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。通过同一配合比不同搅 拌条件的对比试验发现，若混凝土骨料与水泥石结合良好，则骨料发生粉碎性破 坏，此时抗压强度较高；若混凝土骨料与水泥石结合不佳，则破坏发生在骨料界 面，抗压强度较低。图1 - 2 是对比试验观察结果，图( a ) 对应的混凝土试块抗压 强度为2 7 2 9m p a ，图( b ) 对应的混凝土试块抗压强度仅为2 5 3 3m p a 。 ( a ) 骨料粉碎性破坏 ( b ) 界面首先破坏 图卜2 混凝土破坏情况对比 在各种工程结构，特别是在道路与桥梁工程中，混凝土除了要满足前述的强 度要求外，还要求具有优良的耐久性。如果混凝土结构遭受冻融循环作用，可导 致其强度降低甚至破坏，此时，耐久性首先强调抗冻性；对道路工程混凝土，频 繁遭受车胎作用，其耐久性则强调蒯磨性。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究第一章综述 此外，在各种混凝土工程中，应该考虑经济性，使混凝土各组分达到合理配 比，尽量节约水泥，以降低整体成本。 1 2 混凝土搅拌技术 1 21 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7 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1 8 。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于四1 ： ( 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。实际中存在的一些 矛盾问题，也要求用新的搅拌概念解释。 周期式振动搅拌机的试验研究 1 0 1 。就是从新的搅拌概念出发的：利用强制 搅拌来实现物料宏观的对流运动，结合使用振动加速扩散运动。试验结果证明， 这种新型的振动搅拌机与传统的强制式搅拌机相比较，生产的混凝土的均匀度虽 都能达到国家标准，其间没有多大差距，但抗压强度却有较大的差别，见表1 - l 。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究第一章综述 这种结果用传统的搅拌理论已无法解释，同时说明所提出的新的搅拌概念是有道 理的。它给出了利用机械方法改善混凝土的结构，提高其使用性能的可能性，为 搅拌机械的研制指出了新的努力方向。 表1 1 周期式振动搅拌与普通强制搅拌比较( 一组数据) 搅均匀度 抗压强度( 7 d ) 拌 粗骨料 方 砂浆容量相对误差强度值平均值 标准差 式m ( k g l ) a 武乡6 )质量 g ( ) ( m p a )( m p a l g ( k g ) 1 8 6 7 振动2 1 9 7 l 0 - 3 0 7 3 5 i 3 41 7 4 21 7 9 60 5 2 5 搅拌2 2 1 0 27 5 5 1 7 7 8 普通1 2 3 l 强制 2 2 1 0 3 o 3 6 7 6 5 1 6 79 8 71 2 9 92 8 7 2 1 9 4 57 4 0 搅拌 1 6 8 0 1 2 2 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 l l ( 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，促使各组分相表面问的 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。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究第一章综述 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 3 混凝土搅拌机 1 3 1 混凝土搅拌机概述 混凝土搅拌机是将由各组分如水泥、水、砂、石料和添加剂等按一定配合比 组成的混合料均匀拌和而生产出符合质量要求的流态混凝土的专用机械，是混凝 土搅拌设备的主要组成部分。相对于人工生产混凝土，混凝土搅拌机具有生产率 高、生产质量好和劳动强度低，易于实现自动控制等特点，是现代高质量、大批 量生产混凝土不可缺少的设备。 混凝土搅拌机可以作为单机使用，也可以作为搅拌楼( 站) 的配套主机，由 于使用条件不同，二者配置略有不同，但搅拌机构一致。为了满足不同混凝土的 生产要求，已发展了多种机型，各机型在结构和性能上各具特色，可以从不同角 度分类，如表l + 2 所示川。 表1 - 2 混凝土搅拌机分类 分类方式作业方式搅拌原理安装方式出料方式搅拌筒外形 形式 周期式白落式同定式倾翻式梨形，锥形，鼓形 连续式强制式移动式非倾翻式 盘形，槽形，其他 为了获得搅拌均匀、质量符合要求的混凝土，混凝土搅拌机必须具备下列条 件： ( 1 ) 能对混凝土的各组分进行均匀搅拌，并使水泥浆( 或沥青) 均匀地包裹骨 料表面； ( 2 ) 能将搅拌后的混凝土均匀地卸出； ( 3 ) 搅拌和出料时间短； ( 4 ) 占地面积小； f 5 ) 功率消耗小，符合环保要求。 影响混凝土搅拌质量的与混凝土搅拌机有关的主要因素有： ( 1 ) 混凝土搅拌机的形式和搅拌速度； ( 2 ) 混凝土搅拌机出料容量与拌筒几何容积比率，即容积利用系数的大小 ( 3 ) 搅拌叶片和衬板的磨损状况； ( 4 ) 各组分材料的加料顺序。 双叫片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 各种混凝土搅拌机工作原理不同，其结构和特点也不同。按其原理，可分为 自落式和强制式两大类，其主要区别是，搅拌叶片和搅拌筒间没有相对运动的为 自落式搅拌机，有相对运动的则为强制式搅拌机。 1 3 2 自落式搅拌机 自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的白落完成搅拌。自落式搅 拌机工作原理如图1 3 ，搅拌筒内壁装有叶片，工作时，随着拌筒的转动，物料 被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。按拌简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。 1 3 3 强制式搅拌机 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 4 ，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 3 自落式搅拌机工作原理示意图 图卜4 强制式搅拌机工作原理示意图 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 般叶片搅拌机参数优化及其试验研究第一章综述 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 5 ( 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 - 5 ( 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 r a 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 i 。 豸霉棼霉藜 器- - _ - - _ - -三攀 图卜5 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t 1 2 1 0 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1 1 3 l 并进一步向大型化、多功能和智能化方向发展。 1 ，4 课题提出及研究意义 1 4 1 课题提出背景 ( 一) 低效区的成因 强制式搅拌机，是随着混凝土施工工艺的改进而逐渐发展起来的新机型。其 中，双卧轴搅拌机是目前国内外搅拌设备中的主要机型，从二十世纪四十年代后 期开始在美国和德国出现，我国于二十世纪八十年代初研制成功，经过引进、吸 收和自主开发，发展迅速，在产品规格和生产数量上，都达到了一定规模。 随着建筑工程规模的不断扩大，特别像三峡工程等一批特大型工程的出现， 混凝土的需求量日益增加，混凝土质量和生产率要求更加严格，客观上推动了搅 硬叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 拌机向大容量和高生产率方向发展。如双卧轴搅拌机的规格己从0 3 5m 3 发展到 4 m 3 以上，国外有些厂家的产品甚至达到6 9 m 3 。对于这些大容量的强制式搅 拌机，其搅拌简直径很大，但单个搅拌叶片却不能做的太大，叶片高度也不能太 高。图1 - 6 是拌筒结构示意图，当搅拌轴转动时，叶片只能搅动靠近拌筒内壁的 一层物料，料层高即为叶片的高度，而处于叶片和搅拌轴之间的很大一段距离的 物料无法得到很好的搅拌。而且，在拌筒内，搅拌臂各处的圆周速度与它距搅拌 轴的距离成正比关系，即有 u = 0 9 r ( 1 1 ) 式中u 一搅拌叶片线速度： 国一搅拌轴转速： r 一筒内某点离搅拌轴的径向距离。 图1 - 6 拌筒结构示意图图1 7 速度梯度示意图 由此可见，速度v 沿拌筒半径方向存在着一个速度梯度，如图1 7 所示，即 沿着半径方向从简壁到搅拌轴之间速度是递减的，越是靠近搅拌轴的地方，搅拌 线速度就越低。因此，搅拌轴周围的物料流动不畅，得不到很好的搅拌，靠近搅 拌轴的区域形成搅拌低效区甚至死区，而且随着搅拌机容量的增大，这个问题就 显的愈尖锐和突出。 ( 二) 低效区的危害 低效区带来的问题是明显的。一方面，低效区内混合料流动缓慢，各相问的 对流、渗透作用不剧烈，搅拌质量得不到保证；另一方面，低效区内混合料不能 完成大范围内循环流动，总与搅拌轴若即若离，粘附的混凝土很难自行脱落，产 生抱轴现象；此外，为了在一定程度上改善低效区物料的流动，只好相对的加大 搅拌线速度，这无疑会增加叶片及拌筒衬板的磨损，增加整机的功耗。 ( 三) 解决方案 低效区的形成是搅拌机本身结构所致，在现有结构基础上的参数优化不能从 根本上解决问题 1 4 1 必须寻求新型搅拌原理或新型搅拌机型。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 ( 1 ) 方案一：新型搅拌机型 立轴行星式搅拌机是新发展的机型之一，有定盘式和转盘式之分。搅拌机有 著干个搅拌叶片组，工作时，一方面，搅拌叶片绕着自己的轴线转动( 自转) ， 另一方面，搅拌叶片组的转轴与拌筒形成绕圆盘中心轴相对的转动( 公转) ，如 图l - 8 。这样，若干个叶片围绕圆盘中心公转的同时，还绕自身轴线自转，从而， 叶片的运动轨迹比较复杂，布满整个拌筒( 见图卜9 ) ，其运动速度和方向时刻 变化，能对拌筒内所有物料进行有效搅拌，因而没有“死区”，除能搅拌普通混 凝土外，还可搅拌特殊混凝土，如彩色混凝土、发泡混凝土等。 ( a ) 定盘式( b ) 转盘式( a ) 定盘式( b ) 转盘式 圈卜8 立辅行星式搅拌机原理示意图图卜9 行星式搅拌机物料轨迹 虽然立轴行星式搅拌机搅拌效果较好，但传动系统结构复杂，制造和维护成 本较高，限制了规模化发展和应用。 ( 2 ) 方案二：振动搅拌 振动在工程机械中的应用较为广泛。经过对周期式振动搅拌机1 1 5 连续式 振动搅拌机“6 1 和立轴式振动搅拌机n 7 1 进行 的试验研究，证实振动搅拌技术在混凝土制各 上有明显的优越性。而双卧轴振动搅拌机的振 动机构与搅拌机构是一体i l o l 振动能量最大 限度的作用于混合料，如图卜1 0 所示，搅拌 轴附近的混合料得到强烈的振动作用，内摩擦 系数减小，易于搅拌均匀，克服了低效区缺陷。 图卜1 0 搅拌激振器激振方式 卜搅拌叶2 一搅拌筒3 一激振器4 一混凝土 虽然振动搅拌技术在混凝土制备上有良好的经济效益和应用前景8 1 i l g 但 采用振动搅拌技术不但整机结构变得复杂，而且整机可靠性也要下降。 ( 3 ) 方案三：双搅拌叶片 如何使靠近搅拌轴的物料得到有效的搅拌，是解决低效区问题的关键。通过 在与大搅拌叶片相对的侧、靠近搅拌轴安装小搅拌叶片，可以使靠近搅拌轴的 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 物料与靠近拌筒内壁的物料形成对流，增强物料的搅拌效果。 双叶片结构简单，仅增加小搅拌叶片，其他机构无需更改，制造和维护成本 增加不大。在此基础上，增加大、小搅拌叶片的径向安装角度，会使物料沿拌筒 半径方向的对流更趋强烈，并进一步增强微观的扩散作用，达到宏观和微观的更 快匀质搅拌。 采用双搅拌叶片结构后，影响混凝土搅拌质量的因素涉及大、小搅拌叶片的 安装角度、搅拌臂的排列关系、搅拌线速度和搅拌时间等。如何使各参数得到优 化和匹配是本文研究的主要内容。 14 2 课题研究意义 目前我国年产水泥混凝土约1 0 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。 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 搅拌机存在的低效区问题，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 5 本文研究内容及方法 为了改善强制式搅拌机低效区的搅拌性能，针对双叶片搅拌机参数优化及其 试验研究问题，本文提出以下研究内容： ( 1 ) 搅拌机构及参数优化分析； ( 2 ) 双叶片搅拌机构的设计； ( 3 ) 双叶片搅拌机构的试验研究与结果分析； ( 4 ) 整机参数优化及匹配。 般叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第一章综述 为了达到本课题研究目的，完成双叶片搅拌机构各参数的匹配和优化，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新拌混凝土结构及流变特性，提出改善强制式搅拌机低 效区搅拌性能的方案，完成双叶片搅拌机构的设计，为试验研究提供理论依据和 试验基础；另一方面，利用设计的双叶片搅拌机构进行试验研究，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，得出整机参数优化和匹配 结论，为双叶片搅拌机的系列化设计和生产奠定坚实的基础。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第二章混凝土搅拌理论 第二章混凝土搅拌理论 2 1 新拌混凝土流变特陛 2 1 1 新拌混凝土流变特性 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。 流变学是研究物体流动和变形的科学，是近代力学的一个分支。儿是在适当 的外力作用下，物质能流动和变形的性能称为该物质的流动性。流变学综合研究 物质的弹性变形、塑性变形和粘性变形。对水泥混凝土而言，则研究水泥浆、砂 浆和混凝土混台料粘、塑、弹性的演变，以及硬化混凝土的强度、弹性模量和徐 变等问题。 一般认为，新拌混凝土的流变特性可以借助宾汉姆佃i n g h a m ) 模型来研究 其流变特性可表示为瞳0 1 d o 仁7 0 + 叩面 ( 2 1 ) 式中彳一混凝土的实际剪切力； “一屈服剪应力： 叩一混凝土的塑性粘度； 旦竺一混凝土的剪切变形速率。 d r 屈服剪应力0 和塑性粘度叩是决定混凝土混合料流变特性的基本参数。其 中，n 由混合料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起，是阻止塑性变形的最大应力； 玎是内部结构阻碍流动的一种性能，随剪应力或速度梯度而变化。图2 1 表示了 塑性粘度玎与剪应力r 以及变形速率d v d t 与剪应力r 的关系曲线1 2 1 1 。可以看出， 当d v d t 小于某值时，f 小于某定值，叩具有确定的最大值。此时的混凝士 混合料表现为固态特性，虽然也会发生缓慢的流动，但实际上几乎察觉不到。随 着d v d t 的增加，r 值增加，玎则大大降低。这时混凝土混合料的凝聚结构开始 破坏，表现出较好的流动性；当d v d t 增大到某值时，f 达到值，叩下降到 最小值。此时混凝土的凝聚结构完全遭到破坏，流动性达到最佳。这之后叩不 再随着d v d t 或r 的变化而变化。 取口搅拌帆参数优化及试验_ i i j | 究 上述宾汉姆流变方程只能描述搅拌结果，不能描述搅拌过程，但可以用来指 导混凝土搅拌参数的选择。 矧2 一l 新拌混凝卜秕塑性随剪j 节力变化戈系 显然，较小的塑性粘度有利于搅拌。由混凝土的流变特性可知，在一定范围 内，塑性粘度是随着物料速度梯度的增大而减小的。因此，搅拌过程中必须保证 混合料得到较强烈的运动，并尽可能使混合料各组分颗粒间有较大的相对运动， 以便促使混合料各组分颗粒充分混合、渗透，达到混凝土混合料宏观和微观的同 b _ j 匀质。 此外，由于水泥颗粒团聚体常常以单元体形式整体运动于一定厚度的液相 中，所以如果仅是被叶片带至一定高度靠自落碰撞或是只有叶片有限的切割，这 样所产生剪切的范围十分有限，不足以有效地破坏单元体存在。只有在混合料产 生强烈运动和较复杂的运动轨迹时，才能产生最强烈的挤压和碰撞，从而有效地 破坏这些单元体，促进水泥颗粒最大限度地弥散。 2 2 混凝土搅拌过程 2 2 1 混凝土搅拌过程分析 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 2 的搅拌曲线定性地描述1 2 2 1 。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究第= 章混凝土搅拌理论 从图中叮以看出，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。 如如 剧2 - 2 搅拌的动态过程曲线 ，。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f 。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 段曲线2 ) 。在i i 段和i i 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。 搅拌过程还可以根据搅拌机内物料的运动形式来分类。除了已被淘汰的鼓筒 式搅拌机，其物料运动仅限于二维平面外，目前所有合格的搅拌机都能保证物料 的运动在三维空间进行。对于具有圆柱形壳体的搅拌机，可以采用圆柱坐标将物 料的运动分解为三部分：轴向运动、周向运动和径向运动。整个搅拌过程就是空 间三维坐标方向不同形式运动的有机组合。因此，只有在保证拌筒不同坐标方向 的物料，达到要求均匀度的搅拌时间相近时，整机的搅拌时间才能够最短。这时 的搅拌过程也是最理想的。 2 22 混凝土搅拌过程模拟 在混凝土的实际搅拌过程中，物料的结构和状态不但有量的变化，而且还有 质的变化。这种变化既可看成是随机的“生灭”过程，又可认为是确定的，有一 定的规律。所以，对于搅拌的动态过程，可用确定的或随机的方程来模拟。 确定的方程有扩散的、区间的和复合的三种 2 3 1 。例如，所有具有圆柱形壳 体的搅拌机，其搅拌过程可用扩散方程来描述1 詈一v 豢+ 6 f 。警+ b la ( r 石o w v - a l ( z 屯， 百一”i + 6 “萨+7 石j 喵吃 取叶片搅拌机参数优化及其试验研究第二章混凝土搅拌理论 式中混合物单元体中某关键成分的含量； f 搅拌时间； v 物料流沿x 方向运动的平均速度； b 、b i 分别为纵向和横向搅拌作用系数； x 沿圆柱体中心线方向的坐标； r 搅拌室的径向坐标。 采用随机的方程，则是将搅拌过程中组分含量的变化场看作为随机的马尔柯 夫过程，因此可用柯尔莫高洛夫( k o l m o g r o v ) 微分一差分方程来描述搅拌过程1 掣一z 。e o , ( o 础) ( 2 - 3 ) 式中，2 j 在时刻f ，在搅拌室内某成分结合数量的随机值； 只，o ) 随机值。取整数值c 的概率，即只，= ，忙，o ) = c i ： 五，常数。 上述的描述方法在化学工业中研究溶液之类的混合过程时得到了广泛地应 用。但在混凝土搅拌中，由于搅拌叶片是不可少的工作元件，它的运动将破坏混 合料的连续性，应用上面的连续方程就失去真实性。同时，在搅拌过程中，由于 从离散状态转变为扩散的连续状态，混凝土的结构一流变特性也发生了很大变 化。先不说方程的求解困难，问题还在于，研究搅拌过程动力学时，利用上述方 程无法确定机器的功率消耗。这时，试验研究应起主要作用。 2 3 搅拌机构及其参数优化 强制式搅拌机根据工作原理的差异，其结构有所不一j ，如有立式和卧式之分， 卧式又有单轴和双轴之别。就搅拌主机而言，主要由动力及传动机构、搅拌机构 和辅助机构等组成，搅拌机构包括拌筒、搅拌轴、搅拌臂及搅拌叶片。搅拌机构 作为搅拌主机的核心，其几何和工作参数对搅拌主机的性能和混合料搅拌质量起 决定作用。 双卧轴搅拌机现已发展为工程应用的主流机型，虽有诸多优点，但受限于结 构，同样存在搅拌低效区。为了与参考文献【3 】、【1 0 】的研究结果进行纵向比 较，本文研究采用双卧轴搅拌机，针对低效区问题，采用双叶片搅拌机构，进行 多参数优化和匹配研究，其结论具有普遍意义。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第二章混凝土搅拌理论 2 3 1 搅拌机构及其优化目标 强制式搅拌机构( 参见图卜6 拌筒结构示意图) 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，并且前后上下都错丌一定的空间。图2 - 3 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 由圆槽形拌筒、按特定方向 的搅拌作用，混合料能很快达到需要的匀质性。 图2 - 3 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 2 4 1 0 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 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 图2 4 双卧轴物料运动特性 交叉料流( 如图2 4 ) ，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。 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。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究第二章混凝土搅拌理论 2 32 搅拌机构参数优化 本节内容( 约5 3 0 0 字) 技术保密，暂不宜公开。 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第三章试验样机设计 第三章试验样机设计 3 1 试验样机设计 3 1 1 试验样机设计要求 根据第2 3 节分析，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 在尽量短的时间内达到匀质搅拌：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。 考虑振动强化搅拌的作用，样机设计有振动搅拌装置。 3 1 2 试验样机主要参数 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。浚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3 - 1 ，主体结构见图3 - 1 。 表3 - 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 l 1 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 僧齑箍弧 期 蜘麟地 躲 博驯斟 _ 。 豳删擀 目目 1 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 卸料机构7 一轴承座i i8 一振动电机 图3 一l 双卧轴搅拌机主体结构图 双叫片搅拌机参数优化及其试验研究 鹅二章试验样机岐- 1 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“”。但本文主 要是研究双卧轴搅拌机在其他结构不变的情况下，采用双叶片搅拌机构后，整机 参数优化及匹配问题，以便改善低效区搅拌性能，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。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tf ： 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。 3 2 搅拌机构设计 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大、小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。 3 21 搅拌叶片的设计 搅拌叶片的形状是根据拌筒直径、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。 大搅拌叶片的外缘利用拌简直径构成的圆柱 叶片 体，通过曲线拟合得到。考虑叶片与拌筒内壁的间 一 隙大小对叶片使用寿命和搅拌能耗的影响，设计大 于集料一旦被号后的释放1 2 9 1 0 小叶片靠近搅拌轴安装在与大叶片相对的一侧， 大、小叶片的搅拌臂同轴线，如图3 3 所示。与大搅 拌叶片一样，小搅拌叶片具有轴向和径向角度，其中， 径向安装角与大搅拌叶片的径向安装角相反，即二者 推动的物料运动方向相反，以便形成良好的对流运动。 大叶片 搅拌轴 图3 3 大小叶片布置示意图 双叶片搅拌机参数优化及其试验研究 第三章试验样机设计 3 2 2 搅拌机构的设计 ( 一) 拌筒长宽比 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 在与拌简焊接的角钢上，从而将拌筒由窄长形分隔为宽短形。根据第2 3 节的分 析，设计窄长形拌筒的长宽比为1 1 l ，宽短形拌筒的长宽比为0