（机械设计及理论专业论文）双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验.pdf

摘要 大型双卧轴混凝士搅拌机的广泛应用是我国混凝土商品化的发展要求。本 文针对双卧轴混凝土搅拌机存在的搅拌低效区问题，分析了低效区的成因，根据 新的搅拌概念而提出了双叶片搅拌机构的解决方法。通过理论分析提出了双叶 片搅拌机构的参数设计原则，根据搅拌目的和参数优化目标，在试验室进行双叶 片搅拌机各参数优化和匹配的试验研究，得出了影响搅拌质量的主要参数和其匹 配结果。在室内试验的基础上，结合镇江华晨华通公司提供的常规双卧轴搅拌机 图纸设计了双叶片工业试验样机，并检测了其性能，与同型常规搅拌机进行了对 比试验。结果表明，双叶片搅拌机极大改善了低效区的搅拌性能，和同型常规搅 拌机相比提高了搅拌效率和质量。理论分析和试验研究说明了双叶片搅拌机构的 解决方法切实可行。 关键词：双卧轴混凝土搅拌机低效区 双叶片参数优化工业化试验研究 a b s tr a o t t h ee x t e n s i v eu s eo fl a r g e s i z e dd o u b l eh o r i z o n t a ls h a f tm i x e ri st h e r e q u i r e m e n to fc o m m e r c i a lc o n c r e t ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y d o u b l e h o r i z o n t a ls h a f tm i x e rh a st h ei n e f f i c i e n tz o n ew h i c hi sc l o s er e l a t e dt oi t s s t r u c t u r e t h i sp a p e rg i v e st h em e a s u r et os o l v et h i sp r o b l e ma 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 a ti sd o u b l em i x i n g - b l a d e sm i x e r t h ea u t h o r r a i s e s t h ep a r a m e t e r sd e s i g np r i n c i p l eo fm i x e rb ym e a n so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s a c c o r d i n g t ot h e p u r p o s e s o f m i x i n g a n d p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n ，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 dm a t c h i n g b ym e a n so fe x p e r i m e n ts t u d y a f t e rt h a tt h ea u t h o rd e s i g ni n d u s t r i a l m o d e lm 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 tm i x e r p r o v i d e db yz h e n j i a n gh u a c h e nh u a t o n gr o a dm a c h i n e r yc o r p o r a t i o n l i m i t e d ，a n dt e s t e st h ep e r f o r m a n c eo fi n d u s t r i a lm o d e lm i x e rc o m p a r i n g w i t ho r d i n a r yf o r c e da c t i o nm i x e r t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ed o u b l e m i x i n g b l a d e sm i x e ri m p r o v e sm i x i n gp e r f o r m a n c eo fi n e f f i c i e n tz o n e ， m 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 eh i 【g h l y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n ts t u d y s h o wt h a tt h em e a n so fd o u b l e m i x i n g - b l a d e sm i x e ri sf e a s i b l e k e y w 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 ed 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 n i n d u s t r i a le x p e r i m e n ts t u d y 最叶片搅拌机参教优 匕及其工韭亿试验 第一章综述 1 1 混凝土的基本概念 1 1 ，1 混凝土的基本结构 混凝土是由胶凝材料将骨料胶结而成的固体复合材料。根据所用的胶凝材料 的不同分为水泥混凝土和沥青混凝土。它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 1 1 a 建筑工程中用量最大的是水泥混凝土， 沥青混凝土是现代高速公路的主要路面材料。 本文研究的双叶片搅拌机的试验阶段工作对象是水泥混凝土，所以现只对水 泥混凝土的基本结构加以介绍。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12 1 0 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 ；水泥 浆包裹在砂的表面，并填充于砂的空隙中成为砂浆，砂浆又包裹在石子的表面， 填充石子的空隙，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 卜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：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，并填满石予间空隙，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 1 2 混凝土的基本要求和特性 工程上使用的混凝土一般满足以下四项基本要求和特性。 ( ) 混凝土拌合物的和易性 混凝土拌合物的和易性也称工作性或工作度，是指混凝土拌和物易于施工， 并能获得均匀密实结构的性质。混凝土拌合物的和易性包括流动性、粘聚性、 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 保水性三项含义。 流动性指混凝土拌和物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一 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“。 混凝拌合物的流动性、粘聚性及保水性相互联系，但又相互矛盾。混凝 土拌合物的和易性良好是指根据不同场合的要求三者相互协调，均达到良好的状 态。 ( 二) 强度 混凝土结构主要承受各种复杂的动态复合应力，因此对水泥混凝土材料要求 具备各种力学强度。强度是混凝土最重要的力学性质卜。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 l0 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 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”1 ： t 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； 双叶片搅拌机参鼓优化及其工业纯试验 5 试验方法：试件尺寸、形状及加载速度等。 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，其耐久性则强调耐磨性。 ( 三) 耐久性 混凝土应具有与环境相适应的耐久性，以保证混凝土结构的使用寿命。耐久 性包括抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性、抗碳化性等。 ( 四) 经济性 在满足上述三项要求的前提下，混凝土中的各种组成材料应经济合理，尽 量节约水泥，以降低成本。 1 2 混凝土搅拌技术 1 2 1 搅拌的目的及机理 由前面本文所述可知强度是混凝土的主要的力学性能，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噶1 ，应具有高 的抗压和剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放时间等物理一力学性能。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吖，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。 搅拌是水泥混凝土达到上述目的的重要途径。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 1 。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于西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； 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 ( 4 ) 由于集料表面常覆盖薄层灰尘及粘土，有碍界面集合层的形成，故应 使物料颗粒问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，搅拌过程中物料必须进行剧烈的对流运动和扩散运 动。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。 根据前述搅拌1 7 t 的和概念，为了使混凝土各组分达到宏观和微观t 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。 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， 双叶片搅拌机参数优化及冀工业他试验 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 2 当前普遍使用的混凝土搅拌机所存在的问题 目前使用的搅拌机就其原理而言，其基本上可分为自落式和强制式两大类。 但自落式搅拌机已不符合国家的有关标准，属于淘汰产品，所以本文不作介绍。 强制式搅拌机借助于搅拌叶片对物料进行强制导向搅拌，其搅拌叶片形式和 运动方式多样。这种搅拌机的搅拌强度通过叶片的搅拌速度来确定，搅拌作用强 烈，能在短时间内将混合料搅拌成均质混凝土。这类机型主要有：涡浆式搅拌机， 单卧轴搅拌机，双卧轴搅拌机，行星式搅拌机等。 涡浆式搅拌机是对混凝土的剪切和对流作用为主。这种结构的搅拌叶片对物 料的有效作用时间短。质量大的骨料由于离心力的作用容易被抛到拌筒的边缘 外，产生混凝土离析现象。所以影响混凝土搅拌的均质性。 单卧轴搅拌机是一种自落和强制交替进行的搅拌机，它是以对物料挤压、剪 切和冲击三种力同时作用而进行搅拌的，搅拌轴上的搅拌叶片推动物料在拌筒内 作圆周运动，上下翻滚，外力对物料的有效作用时间长，力的作用效率高，搅拌 十分强烈，可以在短时间内把混凝土搅拌均匀。 双卧轴搅拌机除了像单卧轴搅拌机一样完成自落和强制交替搅拌外，两根搅 拌轴带动叶片所引起的交叉料流，比单卧轴搅拌机有着更强烈的搅拌运动。所以 它的搅拌过程是以对物料的挤压、剪切和对流为主，物料间的冲击为复合作用。 两根搅拌轴转速相等，转向相反，叶片一方面推动物料在拌筒内轮番的作圆周运 动，上下翻滚，同时在叶片相遇或重叠的部位，物料相互交换体位：另一方面又 在轴向推动物料不断的从一个旋转平面向另一个旋转平面运动；从而形成复杂的 对流运动。双轴叶片的反向螺旋运动可使物料间产生强烈的挤压，叶片前后端的 混凝土压力差会使物料产生冲击，叶片在旋转过程中可使物料产生剪切作用。在 这些复杂的而强烈的搅拌作用下，物料很快就被搅拌均匀。 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。搅拌机有若干 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) ，从而， 叶片的运动轨迹比较复杂，布满整个拌筒。这样叶片就能对拌筒内所有物料进行 充分的挤压和剪切作用，进而对物料在短时间内进行有效的搅拌。虽然立轴行星 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 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，生产效率 也较低，限制了规模化发展和应用。 实践证明，以上介绍的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。也就是说难以达到微观上的 均匀。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i - i ( 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，使其尽可能接近图卜1 ( b ) 所示的理想分布状态。 囊季藿 蓥三攀 a )b ) 图i - i 水泥颗粒分布情况 因此，仅仅依靠现有搅拌机的机械搅拌作用，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，采用各种强化方法“。 1 3 课题的提出及研究的意义 1 3 i 课题的提出的背景 搅拌机使混凝土间产生挤压对流的内摩擦、混凝土经剪切后产生大量的切割 面、混凝土间相互的冲击是搅拌混凝土的三大要素。它不但可以完成拌和料间的 物理变化，也可以加速化学反应。 而当前所使用的强制式搅拌机中，双卧轴搅拌机既有对混凝土的切割，也有 一定的冲击，特别是混凝土间具有合理的对流挤压，在搅拌轴旋转的每一瞬间混 凝土均受到不同的外力作用，使拌和料在任何时刻都产生物理的和化学的变化， 因此是综合性能最好的机型之一。双卧轴搅拌机是目前国内外搅拌设备中的主要 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 机型，特别是近年来在我国发展很快，占据了国内搅拌机行业内的绝大部分市场。 ( 一) 大型双卧轴搅拌机低效区的存在 近年来随着混凝土生产的商品化，混凝土搅拌机也要求大型化，目前普遍使 用的双卧轴搅拌机一般都在2 6 m 3 ，国外有些厂家的产品甚至达到6 9 r n 3 。 对于这些大容量的强制式搅拌机来说，拌筒的直径会做得很大，而单个搅拌叶片 却不能做得太大，叶片的高度也不能做得太高，有效搅拌叶片的面积相对减小， 不能很好的对物料完成均匀搅拌作用，其具体表现在坨】：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空间内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 = o r ( 1 - 1 ) 式中u 一搅拌叶片线速度； 一搅拌轴转速； 火一筒内某点离搅拌轴的径向距离。 图卜2 拌简结构示意图 图卜3 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 3 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 拌轴的区域就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。在低效区内混合料流动缓慢，各相间的对流、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；严重 影响正常生产。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。 ，影。雾 一 1 囊叶片搅拌机参数优化及其工业 匕试验 ( 二) 大型双卧轴搅拌机低效区危害的解决方案 1 2 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 1 3 1 必须寻求新型搅拌原理或新型搅拌机型 对于大型双卧轴搅拌机，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( 以后我们叫它主叶片) 相对的一侧、 靠近搅拌轴安装小搅拌叶片( 以后我们叫它副叶片) ，可以使靠近搅拌轴的物料 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，仅增加副搅拌叶片，其他机构无需更改，制造和维护成本 增加不大。在此基础上，增加主、副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主、副搅拌叶片的 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，并在此基础上，如何使这些成果应用到工业产品上去是本文研究的主 要内容。 1 3 2 课题研究的意义 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。 在现有双卧轴搅拌机的基础上，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，较好地解决了大型 双卧轴搅拌机存在的低效区问题，如果工业化成功并得到广泛的应用，一定为研 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 制具有自主知识产权的高效搅拌设备做出重大贡献，将具有良好的经济和社会效 益。 1 4 本文研究的内容及方法 为了改善双卧轴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，并且为了把其成果成功应用到工业产品上去，本文提出以 下研究内容： ( 1 ) 双叶片搅拌机构搅拌机理及参数优化分析； ( 2 ) 双叶片搅拌机构的试验研究与结果分析，并对双叶片搅拌机构的参数 进行优化和匹配； ( 3 ) 和镇江华晨华通公司合作，在生产的大型混凝土搅拌机上结合研究成 果改进设计双叶片搅拌机； ( 4 ) 测定工业样机各项性能； ( 5 ) 和原有的产品进行比较并解决暴露出来的问题。 本文的重点是双叶片搅拌机参数优化匹配和工业化应用试验，在工业化设计 时须根据搅拌理论，对工作装置的参数及其与混合料的作用关系进行优化分析， 给试验研究提供依据；另一方面利用设计的试验样机对工作装置参数进行试验优 化，分析试验数据，对理论分析的结果进行校核，从而确定最优的工作装置参数 和匹配关系。为该类型搅拌机的设计和系列化生产提供依据。根据试验成果结合 生产厂家提供的搅拌机图纸设计工业试验用双叶片搅拌机，设计时本着新的理论 成果和现有实际生产条件相结合的原则，进一步的为该类型搅拌机的设计和系列 化生产提供依据。 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 第二章双叶片搅拌原理和参数分析 2 1 搅拌原理 双卧轴搅拌机具有强制搅拌和自落搅拌的双重效果，又能够同时实现物科绕 搅拌轴的圆周运动和沿双轴的环形循环流动，在搅拌过程中形成剪床达到强化 搅拌的目的。采用双叶片的搅拌机构同样具有自落搅拌作用，也有强制搅拌作用， 在主副搅拌1 1 r 片间还自沿拌筒径向的对流运动。双排叶片搅拌机工作时一t 、副 叶片共同作用，一方面带动物料在两个拌筒内轮番地作圆周运动，上下翻滚，同 时在主叶片相遇或重叠的部位，物料在两轴之间的共域相互交换位置；另一方面 推动物料沿着搅拌轴方向，从一个旋转平面向另一个旋转平面运动，并且两轴上 物料的轴向运动方向相反；此外，主叶片还不断地把靠近拌筒内壁的物料推向搅 拌轴方向，同时副叶片不断地把搅拌轴附近的物料推向拌筒内壁方向。此时在拌 筒内，物料不但能够形成普通双卧轴搅拌机具有的轴向大循环运动和轴问小循环 运动，而且还形成沿搅拌臂方向的径向对流运动，使物料在整个拌简空间内都得 到_ r 充分拌和，不但有效地消除了低效区，提高了搅拌质量，而且还减轻了拌筒 衬板和主叶片的磨损，避免了抱轴现象的发生。双排叶片搅拌机的物料运动如图 衬板和主叶片的磨损，避免了抱轴现象的发生。双排叶片搅拌机的物料运动如图 2l 所示。 圈2 - 1 搅拌效果示意图 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 2 2 搅拌机构及参数优化分析 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性作用。 2 2 1 参数优化目标1 1 2 l 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较佳的几何参数和工作参数组合，使其产生较佳的工作效 果，具有较佳的工作性能。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，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 2 2 搅拌机构参数的优化 根据参数优化目标和低效区问题，研究的搅拌机构涉及大小搅拌叶片的安装 角度、搅拌臂排列关系、拌筒长宽比和搅拌速度等“。 ( 一) 搅拌叶片参数分析 双叶片搅拌机构的搅拌叶片的参数主要包括大、小叶片的轴向安装角和大、 小叶片的径向安装角。搅拌叶片的轴向安装角是搅拌叶片面内搅拌臂轴线的垂线 与搅拌轴轴线的夹角，用a 表示；搅拌叶片的径向安装角定义为搅拌叶片面与对 应的搅拌臂轴线的夹角，用卢表示。叶片安装角a 和p 对搅拌质量、搅拌效率和 整机能耗都有很大影响，只有选定合适的a 和卢，才能较快实现三维空间在相同 时间内的匀质拌和。 取某瞬时受大搅拌叶片推动作用的物料为研究对象( 受小搅拌叶片推动作用 的物料与此类似) ，所受作用力可分解为轴向和径向作用力。在轴向作用力下， 物料形成螺旋运动，在径向作用力下，物料形成沿拌筒直径方向的对流运动。取 某一单元为例，各方向视图如图2 2 所示，其中，搅拌轴与图中x 轴平行，搅拌 臂与图中y 轴平行。 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 图2 - 2 大叶片安装角示意图 为简化计算过程，取主叶片为研究对象，假设轴向安装角a = 0 。，此时，叶片 主要推动物料沿拌筒的径向和周向运动，将某一瞬间主叶片对某单元混合料的作 用受力如图2 3 中左图所示。 图中： f 叶片对物料的推动力； f 其它物料对该物料单元的挤压力； r r = f f 。，可在叶片表面分解为e = rt t g f l最；r c o s p ； 混凝土与叶片表面问的摩擦力，b = 民，( 厂为混凝土对钢的摩擦 系数) 。 可以看出，要使物料能够沿叶片高度方向运动，实现径向运动，则必须满足， e 一一o ( 2 一1 ) 即 民t g f l 一民f o 于是得到 夕a r c t y ：f ( 2 2 ) 显然，口过小，叶片就只能带动物料形成圆周运动，而缺乏必要的径向运动。 当角度为零时，成为普通搅拌机。同样，过大，垂直搅拌臂、绕搅拌轴的周向 运动减弱，口接近9 0 。时，叶片成为一块与搅拌臂垂直的平板在转动，物料仅受 到叶片立面和搅拌臂的切割作用，已没有任何搅拌意义。因此，一个最佳的， 应保证物料在周向和径向循环都得到最有效拌和。 搅拌机构工作时，叶片的前面将形成密实的核心，并使物料沿着密实核心的 侧棱运动，见图2 3 中右图t 1 4 l 。图中a b 、b c 为密实核心侧棱：为叶片的径 向安装角：，为密实核心侧棱与搅拌臂问的夹角，通常2 - = 5 5 。7 0 0 。 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 叶片的周向搅拌系数就是p ：o 。时密实核心的截面积s 与p = o 。时密实核心 最大面积s 。之比 k p ：i s o m a x ( 2 3 ) 计算后得到 s = 譬( t g y ，c o s 2 一c t g y - s i n 2 卢) s 一= t g y k ，：1 一! 掣 s i n y 叶片的径向搅拌系数就是密实核心两侧棱在搅拌臂上的投影差与叶片在搅 拌臂上投影之比 计算后得到 ( 2 - 4 ) 为了保证物料在周向和径向搅拌都有最佳效果，叶片的径向安装角应使总 搅拌系数具有最大值。总搅拌系数为 于是有 k = k p k m 足= 计算k ) = 0 ，得到 k ) = s i n2 面y - s i n o s 2 2 , b 肿( 1 + 2 ：c r o s 2 p ) = 。 t g r c o sp s i n r 所以，s i n 2 y s i n 2 p ( 1 + 2 c o s 2 ) = 0 分析上式可知，当y = 5 5 。7 0 。时，p = 3 1 。4 0 。为径向较佳安装角。 图2 - 3 物料单元受力图及叶片前的密实核心 ( 2 - 5 ) 警等 = 足 坚哪 趴列 2 2 里| 口 职叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 同样，假设p = o 。，则物料单元受力和叶片前的密实核心如图2 - 4 所示，可 计算轴向安装角口取值范围3 1 。4 0 。显然，叶片安装角与y 有关，y 不同， 形成的密实核心不同。因此，叶片安装角的晟终取值要综合考虑拌筒直径和长宽 比，通过试验确定合理的取值范围。 x f五d 么 a 7 鼍， ，1 ，； 靡 - , j v b 。 图2 - 4 物料单元受力图及叶片前的密实核心 ( 二) 搅拌臂参数分析 合理的搅拌臂排列首先应保证物料具有合理的料流方式，保证在尽量短的 时间内实现匀质拌和；其次应保证在搅拌的任一瞬时参与搅拌的叶片的数量相 等，以便使电机负荷平稳，减少冲击。不同的料流排列形式，可使混凝土混合料 产生不同形式和不同程度的运动。 搅拌臂的相对位置关系决定搅拌叶片形成的螺旋状态，也是影响搅拌机性能 的重要因素，直接影响搅拌质量，而且还决定着搅拌机所能适应骨料的最大粒径。 对于双卧轴搅拌机，搅拌臂的相对位置主要是指单根轴上相邻两个搅拌臂之间的 相位关系和双轴上搅拌臂之间的相对位置关系。 ( 1 ) 单轴上相邻两个搅拌臂相位关系 单根轴上相邻两个搅拌臂之间的相位布置，国内外各厂家不尽相同。目前， 比较常见的相位布置是9 0 。和6 0 。，也有采用其他角度布置的，如日本日工公司 的产品就是4 5 。单根轴上相邻两个搅拌臂的排列可以有两种形式：一种称其为 正排列，另一种为反排列。其中对于正排列的规定是，当逆着混合料流动方向看， 搅拌臂排列的相位方向应与搅拌轴转向相同；当顺着混合料流动方向看，二者方 向相反。相反的情况就是反排列。也可以直观地辨别为：搅拌叶片能形成连续螺 旋的是正排列，反之为反排列。因小叶片与大叶片成对安装，其排列由大叶片的 1 4 双n 片搅拌机参数优化及其工业他试验 排列决定。 仅有大搅拌叶片时搅拌臂相位角为9 0 。的正、反排列如图2 - 5 所示。图中( a ) 为正排列布置，由第四搅拌臂上的叶片 向前推搅的混合料，只需经过9 0 。就可 被同轴的第三搅拌臂上的叶片继续推 搅。同样，当混合料轮到第二搅拌臂推 搅时，仍只需旋转9 0 。于是，混合料 从第一个搅拌臂传到第n 个搅拌臂，只 需经过n l 倍的9 0 。就能实现。而对于 图中( b ) 的反排列布置，依据物料连续递 推式前进，当第四搅拌臂上的叶片将混 合料向前推搅后，同轴的第三搅拌臂上 白勺时片需要旋转2 7 0 。才钱继续将混合料 ( a ) 搅拌臂正排列 ( b ) 搅拌臂反排列 团2 _ 5 单根轴上的搅拌臂排列 向前推动，然后再旋转一个2 7 0 0 到第二搅拌臂。显然，混合料从个搅拌臂处 被推搅到下一个相邻的搅拌臂处，每一次搅拌轴都要旋转2 7 0 。于是，混合料 从第一个搅拌臂传到第n 个搅拌臂，就需要n 一1 倍的2 7 0 。由此可见，仅有大 搅拌叶片时，搅拌臂正排列要比反排列推搅的快，因此在搅拌时间一定的情况下， 混合料获得的轴向流动次数就更多。j s s 0 0 单根轴搅拌臂正排列的流动次数是反 排列的( 1 7 5 5 8 t ) 3 倍。 同样，单根轴上采用较小的相位角可以获得较多的流动次数，但单根轴上搅 拌臂间的相位角也不宜过小。因为较小的相位角虽然可以实现物料沿轴向的快速 均布，但物料在拌筒内龋动的剧烈程度却变差，即物料的周向流动变差，这显然 不利于物料在整个空间方向的均布。显然，单根轴上相邻搅拌臂间的相位是与轴 上叶片的数量密切相关的。对于围流排列，若以s 表示单根轴上叶片的数，目表 示相邻搅拌臂间的相位角，则应满足下式“5 1 3 6 0 0 s 日7 2 0 。( 2 - 6 ) ( 2 ) 双轴上搅拌臂问的相对位置关系 对双卧轴搅拌机来说，单独讨论其中一根轴上的搅拌臂排列是不全面的，还 应进一步分析双根轴上的搅拌臂排列。考虑到单根轴搅拌臂有正反两种排列，双 轴的搅拌臂排列就有三种组合：双正排列、一正一反排列和双反排列。实际的排 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 列，总是希望在不破坏物料大范围流动的前提下，获得尽可能复杂的运动，以强 化搅拌过程。目前，对于各种型号的双卧轴搅拌机，其双轴搅拌臂布置可分为交 错布置和平行布置两种形式。其中，单轴搅拌臂相位角为9 0 0 的多采用交错布置， 而单轴相位角为6 0 0 和4 5 。的一般采用平行布置。图2 6 所示为双轴搅拌臂布置 示意图，实际的布置除强调物料的最佳料流外，还要考虑在搅拌的任一瞬时参与 搅拌的叶片数目相等，以便减少对电机的冲击。显然，这与每根轴上叶片的数量 及相位角直接相关。 ( a ) 交错排列e b ) 平行捧列 图2 - 6 双轴搅拌臂布置示意图 ( 三) 拌筒长宽比 搅拌机的拌筒长宽比，首先应保证在一定的搅拌时间下，物料沿拌筒纵横向 都能最快地达到均匀拌合，并考虑外观结构美观和节省制造材料的综合效益。 双卧轴搅拌机搅拌筒常见的有两类：一类 是浅底窄长形，像日工的产品，其长宽比占= 厶， 的值控制在1 0 5 1 2 之间，长径比k = l d 的 值为2 左右；另一类是深底宽短形，有德国b h s 公司和我国的大多数厂家的产品，长宽比值 基本在0 7 0 9 之间，长径比k 值基本在 图2 7 搅拌筒几何示意图 1 2 1 4 之间。但无论哪种形式，长宽比都不能太大。因为要达到物料在拌筒 三个坐标方向同时达到较好的均匀性，太长的拌筒，势必将减少物料的轴向循环 流动次数，从而不利于实现快速均匀分布。而且，过长的搅拌筒还会导致搅拌轴 过长和搅拌叶片数量的增加，这样不但增加制造成本，而且搅拌轴过长还会降低 轴的刚度，过多的叶片则会增大骨料被挤碎的可能性。相反，拌筒长宽比也不能 太小，过小的拌筒会引起搅拌空间狭小，造成物料流动不畅，影响搅拌效果。综 合考虑，双卧轴搅拌机的长宽比一般控制在1 3 以内 1 6 1 。 双叶片搅拌机参数优化及其工业仡试验 取壳体为研究对象，尺寸参数如图2 7 所示。从节省制造材料的角度出发 建立模型：当该部分容积y 一定时，求其表面积s 最小。 r2 万一。s 考；一s ；n 2 妒 三+ w r 、三一y = 。 。一， 卜删2 卜s 争如z 妒 + 2 脓+ w l + 2 r l + 舭等 雄固2 聋篙裂算：! 一固+ 五删s ( 和咖 一矿卜 望：o 勰 堡：o 乩 堡：o a 五 ( 2 9 ) 解方程组，得到： 当口= 4 0 0 ，三= 一4 ，0 五：r = 一1 6 l 此时，e = 矽i z5 3 r = 0 7 0 ；世= “d = l 2 r = 1 2 4 当舻= 4 5 。，l = 一4 0 z ；r = - 1 6 2 五 此时，e = l w = l 3 4 1 r = o 7 2 ；k = l d = l 2 r = 1 2 3 可见，当长宽比e 值为0 7 左右时，所需要的制造材料最少。于是，可以 确定双卧轴搅拌机的长宽比范围为0 7 1 3 。至于具体的取值，则要结合叶片 的安装角度和布置形式综合起来考虑，通过试验研究的方法来获得一个较佳的组 合，从而保证在最短的时间内，使物料沿拌筒三维坐标方向都能得到最充分、最 均匀的拌和。 ( 四) 搅拌线速度 搅拌轴转速0 3 是影响搅拌质量的重要参数，它主要通过叶片线速度v 来控 制，即v = 国。r ，此处尺为搅拌叶片的平均半径。图2 - - 8 所示为强制式搅拌机叶 片线速度与相对强度及离差系数的关系曲线，图中以最低转速下搅拌6 0 s 的强度 双叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 为1 0 0 e 1 7 | 。由图可见，搅拌速度慢时，离差系数虽然小，但搅拌时间相对较 长，势必降低生产率。但搅拌速度过快时，强度较低，离差系数也较大，效果也 不好，这是由于离心力较大，物料易发生离析造成的。试验证明，当提高叶片线 速度，在搅拌机衬板和叶片端部的间隙中会产生过多的碎石楔住现象，从而增大 功率消耗、加剧叶片和衬板磨损以及增加骨料二次破碎的概率 1 4 1 。因此，搅拌 叶片的线速度应有一个合理的取值范围，线速度过高，混凝土会产生离析，线速 度过低，混凝土不易搅拌均匀。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1 2 0 1 。 爸 创l 己0 藿- ，。 饕- 。 罂9 0 ，r ， 。 、1 ? x 3 蝌4 j l ! | 浆 籁 垛 辅 键 1 5 1 0 5 、 。k l ；、2 ， 、。 ，0 3 0 0 1 0 02 0 0 3 0 04 0 0 搅拌时1 司( s ) 图2 - 8 叶片线速度与相对强度及离差系数的关系 1 - 0 6 v s2 - 1 a m s3 - 18 v s4 - 2 3 m s 增加副搅拌叶片后，靠近搅拌轴的物料流动得到加强，同时主副搅拌叶片的 径向安装角促进了物料沿搅拌臂径向的对流，考虑减小磨损和粗骨料挤碎概率， 此时可以适当降低叶片线速度，具体取值必须由试验确定。确定一种新型搅拌机 的叶片线速度，常采用梯度法，即以强制式搅拌机的叶片线速度为其中的一个值， 各个试验值以它为参考，按一个合理差值向上下扩展。 ( 五) 主副搅拌叶片关系 本试验研究的搅拌机构增加副搅拌叶片，主、副搅拌叶片相对固定连接在搅 拌轴两侧，主、副搅拌叶片均有径向和轴向安装角度。当搅拌轴按某一固定旋向 转动时，主、副搅拌叶片对物料的推力可分解成各自的周向力、轴向力和径向力， 主、副搅拌叶片的周向力将分别推动物料做圆周运动，主、副搅拌叶片的轴向力 将推动物料沿轴向运动，主、副搅拌叶片的径向力将推动物料沿拌筒的径向运动， 从而使靠近拌筒内壁的物料和靠近搅拌轴的物料形成强烈的对流运动，保证整个 搅拌筒空间内的物料都得到充分拌和。 主副叶片对物料的轴向作用有同向和反向两种关系，形成的螺旋运动也有两 飙叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 种，一种是主副叶片形成两个大小不同、套接同轴的螺旋，一种是主副叶片形成 的两个螺旋交错，如同一个变径螺旋。以图2 - 9 为例，图( a ) 中，随着搅拌轴的旋 转，主搅拌叶片1 将物料推向左方，搅拌轴旋转一个相位角9 0 0 ，料流螺旋的直 径渐减，物料到达副搅拌叶片2 并被推向左方，搅拌轴继续旋转下一个相位角， 料流螺旋的直径渐增，物料达到主叶片3 ，如此主副叶片交替作用，物料形成变 径螺旋运动，并且，主副叶片对物料的作用同方向，即主副叶片形成的螺旋交错， 如同一个同向推搅的变径螺旋。图( b ) 中，随着搅拌轴的旋转，主搅拌叶片l 将 右方物料推向左方，搅拌轴每旋转一个相位角9 0 。，物料依次达到大搅拌叶片2 ， 3 ，4 ；与此同时，随着搅拌轴的旋转，小搅拌叶片8 将左方物料推向右方，搅 拌轴每旋转一个相位角2 7 0 。，物料依次达到小搅拌叶片7 ，67 ，57 。整个过程 大小搅拌叶片各自形成的螺旋平行，并且对物料的作用反方向，即大小叶片形成 两个平行且反向推搅的螺旋。同理也存在交错且反向螺旋，平行且同向螺旋关系， 这里不再一一介绍。 图( a )图( b ) 图2 - 9 大小叶片关系示意图 相位角为4 5 0 和6 0 。时有同样的情况，故大小叶片形成的螺旋关系( 平行和 交错) 是试验研究的一个因素。 职叶片搅拌机参数优化及其工业化试验 第三章双叶片搅拌机的室内试验 3 1 试验背景 3 1 1 实验样机的主要参数 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。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 l1 0 0 叶片线速度m s 1 4 7 型号b w d 7 5 - 4 - 2 9 搅及 拌减 功率 k w7 5 电速 减