（机械设计及理论专业论文）强制式沥青搅拌机拌臂排列参数的试验研究.pdf

摘要 间歇强制式搅拌设备是我国目前广泛使用的沥青混合料搅拌设备。双卧轴强制式搅 拌机作为该类型设备的核心装置，直接决定着混合料的搅拌质量和效率。由于搅拌过程 的动态复杂性，目前国内外对搅拌装置与混合料间相互作用关系的重视不够，缺乏对搅 拌装置几何和运动参数的专门研究。本文针对双卧轴搅拌装置几何参数中的拌臂排列参 数，对其合理选择与匹配进行了系统研究。 论文首先从搅拌理论出发，通过对沥青混合料搅拌机理和搅拌过程的分析，提出搅 拌装置参数的选取必须保证拌筒三维坐标方向都能较快地达到均匀拌和。在此基础上， 研究了拌臂料流排列、拌臂布置、单轴拌臂排列以及双轴拌臂排列等拌臂排列参数对搅 拌质量的影响，确定了各参数的合理取值与匹配。 根据设计的搅拌装置参数可调的试验样机，对拌臂排列的各参数进行了试验研究。 结果表明：良好的拌臂排列应采用围流排列形式，并尽可能加快物料轴向大循环的频次， 同时增加轴间合理逆流，且最小逆流相位差不能小于4 5 0 ；推荐拌臂单置时的排列参数 为单轴相位9 0 0 、双轴相位交错布置和双轴正正排列；拌臂对置时应采用双轴相位交错 布置，功率消耗虽然要比拌臂单置有所增加，但拌臂对置具有更好的搅拌质量和效率。 论文最后还对拌臂排列参数进行了工业试验研究，通过对不同参数条件下工业样机 的搅拌质量对比，证明了拌臂排列参数合理选择的良好效果。 关键词：沥青混合料、强制式搅拌机、搅拌装置、拌臂排列参数、试验研究 a b s t r a c t a tp r e s e mb a t c ht y p ea s p h a l tm i x i n gp l a n ti sw i d e l yu s e di nc h i n a sa s p h a l tm i x i n gp l a n t a st h ek e y w o r k i n gm e c h a n i s mo ft h i st y p eo fe q u i p m e n t ，f o r c e da c t i o nm i x e rw i t hd o u b l eh o r i z o n t a ls h a f t sd i r e c t l y d e t e r m i n e st m i x i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a sar e s u l to ft h em i x i n gp r o c e s so fd y n a m i cc o m p l e x i t y , t h e i n t e r a c t i o nr e l a t i o n sb e t w e e nt h em i x i n gm e c h a n i s ma n dm i x t u r ea r ep a i di n s u f f i c i e n ta t t e n t i o nb y d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s ，l a c k i n go fm i x i n gm e c h a n i s m sg e o m e t r ya n dm o t i o np a r a m e t e r so f s p e c i a l i z e dr e s e a r c h a i m e da tm i x i n ga r m s a r r a n g e m e mp a r a m e t e r so ft h ef o r c e da c t i o nm i x e ! rw i t h d o u b l eh o r i z o n t a ls h a f t s ，r a t i o n a ls e l e c t i o na n dm a t c h i n go ft h ep a r a m e t e r sw e r es t u d i e d t h i st h e s i sb e g a nw i t hm i x i n gt h e o r y , a n a l y z e dm i x i n gm e c h a n i s mo fa s p h a l tm i x t u r ea n di t sm i x i n g p r o c e s s ，a n dp r o p o s e dt h a tt h es e l e c t i o no ft h em i x i n gm e c h a n i s m sp a r a m e t e r sm u s te n s b r et h a t t h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e so ft h ed i r e c t i o no fm i x i n gt r o u g hc a na c h i e v ef 瓠t e ru n i f o r m o nt h i sb a s i s t h ei n f l u e n c eo fm i x i n ga r n l s a r r a n g e m e n tp a r a m e t e r so nm i x i n gq u a l i t yw e r es t u d i e d , a n dr a t i o n a lr a n g e a n dm a t c h i n gr e l a t i o n s h i po fp a r a m e t e r sw e r er e c o m m e n d e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ew i t ha d j u s t a b l em i x i n gm e c h a n i s m sp a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t e r s o fm i x i n ga n n s a r r a n g e m e n tw e r es t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp e f e c t a r r a n g e m e n to ft h em i x i n ga n u ss h o u l db ec i r c l ef l o w i n g ，a n da x i a lc i r c u l a t i o na n da d v e r s ec i r c u l a t i o n s a m o n gt h et w os h a f t ss h o u l db es t r e n g t h e n e d t h em i n i m u mp h a s ea n g l eo ft h ea d v e r s ec i r c u l a t i o ns h o u l d n o tb es m a l l e rt h a n4 5 。o ni n d e p e n d e n ta r r a n g e m e n to ft h em i x i n ga l t n s ，i ti ss u g g e s t e dt h a tp h a s ea n g l e o fa d j a c e n tm i x i n g 剐m ：1 so ns i n g l es h a f ts h o u l db e9 0 。t h ea r r a n g e m e n to fm i x i n g 副m 塔o nd o u b l es h a f t s s h o u l db ec r o s s e da n dp o s i t i v e - p o s i t i v e m i x i n ga r m so fp a i r e da r r a n g e m e n ts h o u l du s ec r o s s e d a r r a n g e m e n to fm i x i n ga l m so nd o u b l es h a f t s a l t h o u g hl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o n , p a i r e dm i x i n ga r m s h a v eb e t t e rm i x i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a tl a s t ，i n d u s t r i a le x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sp r e s e n t e d t h r o u g hm i x i n gq u a l i t yc o m p a r i s o no f t h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p eu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h ee f f e c to fr a t i o n a l s e l e c t i o no f m i x i n ga r m s p a r a m e t e r sw a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；f o r c e da c t i o nm i x e r ；m i x i n gm e c h a n i s m ；m i x i n ga r m s a r r a n g e m e n tp a r a m e t e r s ； 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 毒r 也远加仲雪年f 月切日 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 尸也当 铷签名：秒纱叼 导师签名：v 少乙殇 沙了年r 月加日 长安大学硕士学位论文 1 1 沥青混合料基本概念 第一章绪论 1 1 1 沥青混合料定义 沥青混合料是指矿料与沥青材料拌和而成的混合料总称【l 】。根据沥青混合料剩余空 隙率大小的不同，把剩余空隙率大于1 0 的沥青混合料称为沥青碎石混合料( a s p h a l t m a c a d a mm i x t u r e 简称a m ) ，剩余空隙率小于1 0 的沥青混合料称为沥青混凝土混合料 ( a s p h a l tc o n c r e t em i x t u r e 简称a c ) 。前者一般适用于过渡层及整平层，后者适用于各种 等级公路的沥青面层。 热拌沥青混合料( h o t - m i xa s p h a l tm i x t u r e 简称h m a ) 是经人工组配的矿质混合料与 粘稠沥青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输工具运送至施工现场，并在热态下进 行摊铺和压实的混合料，通称“热拌热铺沥青混合料 ，简称“热拌沥青混合料”。热拌 沥青混合料是沥青混合料中最典型的品种，是目前高速公路建设中用量最大的路用材料 之一，主要应用于交通、市政等公路建设工程中，在国民经济中占有重要地位。按照沥 青混合料的结合料、施工温度、最大粒径等可将其分成不同类型，其中常按矿质集料级 配类型的不同将混合料分为：连续级配沥青混合料和间断级配沥青混合料。 沥青混合料是一种由沥青、粗骨料( 碎石或砾石) 、细骨料( 砂) 和矿粉、纤维等 外加剂所组成的一种人造复合材料。其中，沥青被称为结合料或胶结剂，在混合料中起 到将各种粗细骨料粘结在一起的功用【2 1 ；而骨料及填料( 矿粉) 在混合料中起矿质骨架 的支撑作用，促使混合料的级配形成。近代沥青混合料胶浆理论认为，沥青混合料是由 矿质骨架和沥青胶浆所组成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系，它是以粗骨料 为分散相，沥青砂浆为分散介质的粗分散系；沥青砂浆又是以细骨料为分散相，沥青胶 结物为分散介质的细分散系；而沥青胶结物又以矿粉为分散相，沥青为分散介质的更细 的分散系。其中，沥青胶结物的组成结构，对沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性的 影响尤为重要。 1 1 2 沥青混合料特性 高速公路是一种承受频繁交通动载荷反复作用的结构物，同时又是一种无遮盖而裸 露于大自然的结构物。它不仅受到车辆复杂的力系作用，同时又受到各种自然因素的恶 劣影响【l 】。因此，对于常用作路面面层的沥青混合料，依据工程实践中高等级沥青路面破 第一章概述 坏的类型及原因分析，沥青混合料的路用性能应满足下列基本要求：足够的高温稳定性、 良好的低温抗裂性、良好的耐久性、足够的抗滑能力、良好的水稳定性和防渗水能力。 一般认为，沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范围内接 近线弹性体，在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的过渡范围内则 为一般粘弹性体【2 】。利用流变力学研究沥青混合料的工程性质是目前普遍采用的方法， 并且己经有了比较成熟的应用实例，在对沥青路面研究中，主要集中在对沥青路面抗车 辙能力、低温开裂、高温稳定等特性的研究，而对搅拌过程中沥青混合料的特性较少有 人研究，这主要因为在此温度下研究沥青混合料的主要目的是沥青混合料的施工机械工 作装置的设计与特性研究等问题上，牵涉到路面材料与机械两大领域；再一个重要原因 就是对这一问题还缺少足够的重视。 沥青混合料的粘弹性主要来自沥青，其流变行为与温度、时间、荷载三大因素有着 密切的关系。从温度对沥青混合料的流变行为影响分析，大体可分为粘性流动区域、粘 滞区域、粘塑区域、粘弹区域等【2 】。虽然这些区域难以准确划分，但对研究施工过程有 着重要的意义。其中，粘性流动区域适宜于与矿质骨料拌和，具有松散而流动性较好的 沥青混合料。 众所周知，沥青混合料是由沥青胶结料包裹骨料而形成的多相分散混合物，因此， 组成它的各种原材料的性能及其含量以及骨料的种类和性质、级配与掺加的准确性、均 匀性等就成为决定混合料性能的重要因素【3 】。材料的性质不能满足设计要求和变异性 大、骨料的级配不准确、各种材料的称量精度不准确等原因都会使混合料的实际性能偏 离设计要求。特别是由于实际施工条件的差异及各种随机因素的影响，从原材料准备一 进厂储存一搅拌一运输一摊铺一压实等多个环节中，总会出现不同程度的混合料在材质 和组成上与原设计值的偏离，即不均匀现象，包括矿料级配不均匀、混合料油石比的不 均匀、混合料粗细集料分离、混合料密度的不均匀或孔隙率和压实度的不均匀等，可见 沥青混合料是一种在材质和组成上极易受外界的影响而变得不均匀的材料。 因此，在沥青路面工程中，路面材料及其加工工艺，路面施工、施工技术及机械化 作业是其两大要素，共同构成一个有机的整体，符合有关标准要求的路面材料和科学合 理的施工工艺是铺筑良好沥青路面的基本保证【4 】。为了满足沥青混合料的各种路用性 能，应将上述因素综合考虑。而在混合料各组成材料和配比一定的情况下，为了达到各 组成材料的均匀分布，形成良好的内部微观组织和结构，搅拌作为沥青混合料最基本的 制备方法，起着极为重要的作用。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 沥青混合料搅拌设备 1 2 1 搅拌设备概述 沥青混合料搅拌设备是生产拌制各种沥青混合料的机械装置，其主要功能是将不同 规格粒径的骨料和填料( 矿粉) 按规定的比例掺和在一起，用沥青作结合料，在规定的 温度下搅拌成均匀的符合施工技术规范的混合料。沥青混合料搅拌设备作为沥青路面机 械化施工的关键设备之一，其性能和水平直接决定着沥青混合料的生产质量和效率，影 响着所铺筑路面的施工质量和速度。 根据我国相关的行业标准和工艺流程，可将沥青混合料搅拌设备分为间歇强制式沥 青混合料搅拌设备和连续滚筒式沥青混合料搅拌设备【5 一。 间歇强制式沥青混合料搅拌设备的工艺流程如图1 1 所示。其特点是初级配的冷骨 料在干燥滚筒内连续烘干加热，然后经筛分计量( 质量) 在强制式搅拌机中与按质量计 量的石粉和热态沥青搅拌成沥青混合料。 石粉 ( 填充料) 砂子 碎( 砾) 石 ( 骨料) 沥青 ( 结合料) 储存，输送jij l ，r 计量 间 成 除尘 除尘 歇 品 = | 配料h 冷料输送h 烘干加热卜叶热料提升h 筛分贮存h 计量卜 强 料 制 贮 搅 存 拌 溶化，脱水加热，保温计量 图1 1 同歇强制式搅拌设备工艺流程 由于结构的特点，间歇强制式搅拌设备能保证矿料的级配，矿料与沥青的比例可达 到相当精确的程度，另外也易于根据需要随时变更矿料级配和油石比，所以拌制出的沥 青混合料质量好，可满足各种施工要求。其缺点是工艺流程长、设备庞杂、建设投资大、 耗能高、搬迁困难、对除尘设备要求高( 有时所配除尘设备的投资高达整套设备费用的 3 0 5 0 ) 。 连续滚筒式沥青混合料搅拌设备的工艺流程如图1 2 所示。其特点是冷骨料的烘干 加热和混合料的搅拌都是在同一个滚筒中连续进行的，即动态计量级配的冷骨料和石粉 连续从滚筒前部进入进行烘干加热，然后在滚筒的后部与动态计量连续喷洒的热态沥青 混合，采取自落搅拌方式连续搅拌出沥青混合料。 3 第一章概述 石粉 ( 填充料) 砂子 碎( 砾) 石 ( 骨料) 沥青 ( 结合料) 图1 2 连续滚筒式搅拌设备工艺流程 与间歇强制式搅拌设备相比，连续滚筒式搅拌设备工艺流程大为简化，设备也随之 简化，不仅搬迁方便，而且制造成本、使用费用和动力消耗可分别降低1 5 2 0 、 5 1 2 和2 5 3 0 ；另外，由于湿冷集料在干燥滚筒内烘干、加热后即被沥青裹敷， 使细小粒料和粉尘难以逸出，因而易于达到环保标准的要求。 经我国的使用经验和实践证明，采用间歇强制式沥青混合料搅拌设备更符合我国国 情【7 8 1 。这是因为我国目前使用的材料品种杂、变异性大，再加上沥青混合料搅拌设备 大都是露天作业，材料的含水量受天气影响很大，而强制间歇式沥青混合料搅拌设备因 其结构的完善、级配正确、计量精度高、成品料质量好、易于控制，因此我国9 8 以 上的搅拌设备都是间歇强制式，并将其列在高等级公路施工的相关标准中。 沥青混合料搅拌设备在国外有着悠久的历史，早在本世纪初就已问世。经过长期的 发展，特别是随着电子技术的日益完善以及计算机技术和信息处理技术的突飞猛进，搅 拌设备在发达国家已经达到很高的技术水平。我国的沥青混凝土搅拌设备是在引进和吸 收国外先进技术的基础上迅速发展起来的，虽然起步晚，但发展很快，产品已经逐步走 向世界市场。目前国内外搅拌设备技术性能先进，功能齐全，各总成的协调工作均由计 算机控制来完成，可根据混凝土产量和配比要求实现自动化生产。近年来，随着我国公 路建设，特别是高等级公路建设的发展，施工工程的规模越来越大，为提高生产效率， 加快工程进度，以获得更大的经济效益和社会效益，对施工机械的需求也日趋大型化。 此外，随着社会环保意识的增强以及人们对搅拌设备使用性能要求的不断提高，也从客 观上推动了沥青混凝土搅拌设备不断向环保化、节能化和智能化方向发展【9 1 2 】。 1 2 2 双卧轴搅拌机技术 搅拌机是间歇强制式沥青混合料搅拌设备的核心装置，其功能是将称量好的按一定 4 长安大学硕士学位论文 级配的骨料，粉料和沥青搅拌成均匀的混合料，搅拌机的性能和水平直接决定着整个搅 拌设备的作业质量和效率。双卧轴强制式搅拌机由于具有搅拌质量好、生产效率高、结 构紧凑且容量大等诸多优点，在目前的间歇强制式沥青混合料搅拌设备中得到了最广泛 应用【1 2 13 1 。 双卧轴强制式搅拌机是从二十世纪四十年代后期开始在美国和德国出现，目前已形 成容量1 0 0 0 一- - 5 0 0 0 k g 的系列产品，国外最大已达到7 0 0 0 k g m 1 6 1 。 双卧轴强制式搅拌机，主要由驱动装置、 搅拌装置和卸料装置等组成。其中，搅拌装 置是双卧轴搅拌机的核心部分，沥青混合料 搅拌质量的好坏，生产效率的高低，使用维 修费用的多少都与它密切相关。搅拌装置是 由水平安置的双圆槽形拌筒、两根按相反方 向转动的搅拌轴和其上安装的搅拌臂及叶片 组成的，结构如图1 3 所示。搅拌臂及叶片 形成间断的螺旋结构，沿轴向和径向产生三 维搅拌空间，并且两搅拌轴之间的搅拌作用 半径是相互交叉的。因此，当搅拌轴转动时， 叶片一方面带动混合料在两个拌筒内轮番地 作圆周运动，上下翻滚，同时在搅拌叶片相 风刈p 孓 v闵- 、- _ _ ，- ，- 一 图1 3 双卧轴搅拌装置结构示意图 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。 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。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，双卧轴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。特别是两根反向旋转的搅拌轴带动叶片所形成的交叉 料流( 如图1 4 所示) ，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了更为有利的条件。 5 第一章概述 不同国家和不同企业生产的双卧轴强制 式搅拌机的基本结构大体相同，不同的仅是 部分结构或零部件的改进，比如搅拌机的驱 动方式有链驱动、单电机、双电机等不同型 式，搅拌轴的同步方式有齿轮同步和高速端 同步，卸料方式有拉式、转门式和摆动式。 目前最新结构是双电机驱动高速端同步，摆 动式门卸料。总的发展趋势是在朝着提高搅 图1 4 双卧轴物料运动特性 拌质量和效率，降低能耗和污染，提高设备的耐用性和可靠性以及大型化方向发展【l7 1 。 1 3 课题的提出及研究意义 1 3 1 课题的提出 虽然双卧轴强制式搅拌机在沥青混合料搅拌设备中发展迅速、使用面广，但其设计 方法尚不很成熟，尤其是搅拌机的核心部分搅拌装置的设计，则显得更加突出。长 久以来，国内外有关搅拌机方面的研究主要集中在优化投料顺序【1 妣1 1 、搅拌时间【2 2 2 4 1 、 充盈率【2 锄7 1 等搅拌工艺参数，或是通过改善衬板材料来延长其使用寿命【2 0 1 ，或是通 过改进卸料门结构【3 1 ，3 2 1 、传动系统结构【3 3 3 4 】等来提高机器的使用性能等方面，而对搅 拌过程中搅拌装置与混合料间相互作用关系这个关键环节却重视和研究不够。究其原 因，一方面是因为混合料搅拌与设备、材料及施工工艺等密切相关，分属于不同的学科 而相互脱离；另一方面是因为搅拌过程中，混合料的容积和性质都变化了，过程的复杂 性使人们对其认知不足。 目前，国外厂家主要是通过大量试验和多年的实际应用得到的经验值为设计依据， 国内的厂家则完全采用类比法进行设计，照搬照抄，结构雷同。由于涉及到搅拌装置参 数选择的因素很多，且较为复杂，因而设计质量的好坏往往需要通过样机测试后才能评 定和修改，从而导致设计周期长，影响产品的开发和行业技术的进步。更为重要的是， 由于不清楚这些参数的内在规律和关系，也直接造成了搅拌质量和生产效率不能兼顾、 设备磨损快、工作噪声大等诸多问题。如国内某企业从国外引进的4 0 0 0 型搅拌主机， 净搅拌时间由2 0 秒延长到2 5 秒，仍然不时出现花白料现象，不得不再延长搅拌时间。 众所周知，若沥青混合料在高温下经历较长时间的搅拌，将导致严重的老化等现象，降 低沥青混合料的使用性能和寿命，引发道路早期损坏。 6 长安大学硕士学位论文 一台性能良好的搅拌机，应首先具有结构设计先进、搅拌性能良好的搅拌装置，否 则其他方面再好也是没有意义的。双卧轴强制式搅拌机的搅拌装置参数涉及叶片参数， 拌臂排列参数，拌简几何参数和运动参数等，其中拌臂排列参数是最为复杂，也是影响 搅拌质量和效率的最重要参数3 7 1 。因此，本文提出了搅拌机拌臂参数试验研究的课 题，这既是对现有搅拌技术的深入探讨，更是进一步的技术提升和创新，对提高我国沥 青混合料搅拌设备的技术水平以及公路施工的质量和速度都具有重要的理论和实用价 值，并有着良好的经济效益和广阔的应用前景。 1 3 2 研究意义 双卧轴强制式搅拌机作为沥青混合料搅拌设备的“心脏，其性能和水平直接决定了 整个设备的作业质量和效率。目前国内企业主要都是引进、消化和吸收国外的先进搅拌 设备技术，如徐工引进的是英国a c p 公司技术、西筑引进的是英国p a r k e r 公司和德国 b e r m i n g h o v c n 公司技术、南方路机则吸收了意大利和韩国的技术。这也直接造成了我国 搅拌设备技术含量低，缺乏核心技术的现状。随着外资企业本土化战略的推进实施，国 内和外资企业的原材料成本和人工成本则完全站在同一水平线上，而国内企业在技术、 品牌等主要因素上却处于劣势地位。另外，国内企业在引进国外技术时滞后，我国道路 材料的发展又很快，也造成搅拌设备性能不能完全满足我国长寿命高速公路施工的需要。 交通部“十一五 公路发展规划目标确定，国家公路网的总规模将达到2 3 0 万公里， 高速公路将达到6 5 0 0 0 公里，西部的乡镇油路将达到9 0 。这些数字预示着路面施工 机械的发展必将再迎来一个崭新的局面。随着公路建设的蓬勃发展，用户不但对沥青混 凝土搅拌设备的需求量与日俱增，而且对使用的要求也越来越高。另外，国外市场对我 国沥青混凝土搅拌设备的需求也在迅速增加。因此，在吸收传统搅拌设备技术优点的基 础上，开发新一代完全拥有自主知识产权的高效沥青混凝土搅拌设备，是加强我国搅拌 设备的技术水平，发挥后发优势，实现我国搅拌设备跨越式发展的必由之路，这也为解 决我国目前道路施工质量和增加出口所急需。 1 4 主要研究内容及方法 1 4 1 研究内容 为了更充分地发挥双卧轴强制式搅拌机作用，提高其搅拌质量和效率，本文对沥青 强制式搅拌机拌臂参数的试验研究提出以下研究内容： 7 第一章概述 ( 1 ) 搅拌理论分析 搅拌机的工作是通过搅拌装置与混合料的相互作用完成的。搅拌装置与混合料相互 作用的动态过程，决定着搅拌设备的搅拌质量、工作效率和使用性能。因此，在这一部 分的内容中首先对沥青混合料的搅拌机理和搅拌过程进行了理论分析。在此基础上，针 对双卧轴强制式搅拌机的搅拌装置参数，特别是拌臂排列的不同参数，研究了其与混合 料间的相互作用关系，分析了其对搅拌质量和效率的影响，为这种搅拌装置的正确设计 和合理使用指明了方向。 ( 2 ) 实验室研究 在普通双卧轴强制式搅拌机的基础上，研制了拌臂排列参数可调的试验样机。根据 搅拌理论分析的研究结果，通过大量的实验室试验，研究了拌臂料流排列、单轴拌臂排 列、双轴拌臂排列以及拌臂布置等参数对沥青混合料搅拌质量和效率的影响，分析了不 同拌臂排列参数的选择和合理匹配问题，为进一步的工业试验提供了依据。 ( 3 ) 工业试验研究 实验室试验虽具有诸多优点，但受客观条件限制，尚不可能替代工业试验。工业试 验可以发现实验室试验过程中未发现或无法发现的问题，为检验模型试验的准确性、可 信度，完善模型试验提供进一步的依据。本论文主要在实验室研究的基础上，利用西筑 公研制的4 0 0 0 型双卧轴强制式搅拌机，在j 4 0 0 0 集装箱型沥青混合料搅拌设备上进行 了拌臂排列参数的工业试验研究，确定了较佳的拌臂排列参数，验证了理论分析和实验 室的研究结果。 1 4 2 研究方法 课题研究主要采用理论分析和试验研究相结合的方法。一方面通过理论分析，在对 沥青混合料搅拌机理和搅拌过程分析的基础上，针对双卧轴强制式搅拌机的拌臂排列参 数，开展理论研究；另一方面，利用设计的试验样机进行实验室研究，验证和完善理论 分析，确定拌臂排列参数的取值范围和合理匹配关系；最后，根据实验室的研究结果， 完成工业样机设计和工业试验，进一步验证和完善各关键技术，为新技术的工业化应用 提供依据。 长安大学硕士学位论文 第二章搅拌理论分析 弟一早规忤璀t 匕万个丌 2 1 搅拌机理与搅拌过程分析 2 1 1 搅拌机理 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。但在实际上， 理想的完全均匀拌和是无法达到的，其最佳状态总是无序地不规则排列，是一种“概率 拌和 。在搅拌过程中要达到均匀混合的机理是十分复杂的，通常有对流、扩散和剪 切三种基本搅拌机理 3 8 , 3 9 1 。 ( 1 ) 对流搅拌机理 物料颗粒在大尺寸范围内的随机运动，称为对流混合。这种混合运动是一种宏观上 的匀质化，在搅拌过程中是最主要的，也是最基本的。可以直观地理解，在外力的直接 作用下，物料各组分相对运动，促使不同粒径的粒子群大幅度地移动位置，由于颗粒运 动速度和轨迹的不同，从而形成各种环流，使物料相互混合。对流搅拌对大的、粒径相 近的组分的混合效率是非常显著的。它的作用可以保证混合料使用的基本要求。 ( 2 ) 扩散搅拌机理 物料颗粒进行小尺寸范围内的随机移动，称为扩散运动。显然，发生扩散运动的对 象是粒径很小的组分，是一种微观上的局部混合。物料颗粒通常在两种情况下发生扩散 运动，一是粒子相互间的移动性增加，二是不断在新生的混合料表面上再分布。能增加 单个粒子移动性的作用便能促进扩散运动。与对流运动相比，扩散运动的速度显著降低， 但能促进各组分相表面间的良好结合，达到微观上的均布。若说对流运动能将混合料宏 观上拌匀，扩散运动则能使混合料在微观上拌透。这种扩散运动可以大大改善混合料的 性能。对沥青混合料而言，沥青的最终分散程度是取决于扩散混合过程的。 ( 3 ) 剪切搅拌机理 物料颗粒凝聚体沿滑动面产生剪切变形的位移，称为剪切运动。搅拌过程中粒子群 内的不同组分的速度分布不同，粒子相互滑动或碰撞，就形成了剪切运动。剪切运动发 生的对象主要是粉状物料的凝聚体。沥青混合料中的矿粉与沥青相接触后，粉体易附着、 凝集，聚成小团粒，严重影响着混合料的微观均匀性。搅拌时的剪切运动必须克服这些 凝聚体的剪应力、表面张力、内聚力、甚至分子间的库仑力，因此剪切运动可以促使这 9 第二章搅拌理论分析 些团聚颗粒的破碎、离散，保证矿粉等粉状物料在混合料微观上的均匀分布。 实际上沥青混合料在搅拌过程中的搅拌机理是综合性的，即搅拌过程中发生的对 流、扩散和剪切三种搅拌机理不可能在各自的区间独立起作用，而是随着搅拌过程的进 行同时出现。搅拌就是通过混合料各物料间的相互碰撞、对流和扩散，促进物料颗粒弥 散分布，从而达到沥青混合料宏观和微观上的匀质。 因此，搅拌过程中必须保证混合料得到较强烈的运动，使混合料间有较大的相对运 动速度。这不但要有同向的流动，而且更要有交叉流动和逆流运动，使混合料在相对集 中的区域交错穿叉，并最大限度的相互摩擦，为实现宏观和微观均匀性创造条件。 此外，由于矿粉具有非常扩展的表面，在与沥青相互作用下，对沥青混合料结构的 形成有极大的影响，起决定的作用，而矿粉颗粒常常凝聚成团并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，促进矿粉颗粒最大限度地弥制3 9 】。 2 1 2 搅拌过程分析 为了实现沥青混合料的均匀拌和，就 必须研究形成过程中物料的运动规律，研 究搅拌装置与混合料间的相互作用关系。 沥青混合料的搅拌是一个动态的发展与 变化的过程，其中搅拌与离析两种矛盾现 象随着时间此消彼长，直到动态平衡。这 种过程可用图2 1 所示的混合料均匀度与 搅拌时间的关系曲线来定性地描述m 。 从图中可以看出，沥青混合料搅拌的 图2 1 搅拌过程曲线 动态过程分为三个阶段：初始阶段是在宏观水平进行，搅拌质量取决于物料的循环流动。 此时，组分间的相界面小，所以各组份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。 氏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，各组份已在微观水平进行，并且从某一时刻起 1 0 长安大学硕士学位论文 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 段) 。个别情况时，上述 相反过程的平衡要比搅拌质量最优的时刻稍晚o i l 段曲线2 ) 。在i i 段和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。 另外，从运动学分解的角度来看，如果在搅拌工作腔内建立图2 2 所示的直角坐标 系g 、y 、z ) ，其中的物料可能出现空间3 个方向的平移和绕这3 个方向的旋转，共有6 种运动：h 、协屹、k 、r z x 。只存在1 种运动的搅拌机工作机构最为简单，但单 调的物料运动形式不能保证搅拌质量，能保证同时具有这6 种运动形式的工作机构又太 复杂而难以实现。 因此，搅拌机械设计技术的完善实际 就是对这些运动形式的增加与强化。目前 所有合格的搅拌机都能保证物料的运动在 三维空间内进行。对于具有圆柱形壳体的 搅拌机，也可以采用圆柱坐标( z 、，、9 ) 将 物料的运动分解为三部分：轴向运动、周 图2 2 工作腔空间直角坐标系 向运动和径向运动。整个搅拌过程中，沥青混合料的运动状态在空间三维坐标方向呈现 不同形式运动的有机结合。 2 1 3 搅拌过程的模拟 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。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： 詈一v 豢峨 警- u - + 等昙警) c 2 ， = 一v 一十执+ 二l ，一i l z 上j a苏 “苏，办l 加， 式中形混合物单元体中某关键成分的含量； f 搅拌时间； 第二章搅拌理论分析 1 ，物料流沿x 方向运动的平均速度； b l 。、b l 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； ，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 5 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【4 1 1 ： 掣一九州心足 ( 2 2 ) 式中 c i 在时刻t ，在搅拌室内某成分结合数量的随机值； 乞( f ) 随机值9 取整数值白的概率，即巴= 尸p ，o ) = q ； 以常数。 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或区间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，沥青混合料的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h 川5 1 。 2 2 搅拌装置参数分析 2 2 1 搅拌装置参数 描述沥青混合料搅拌过程的各个参量，从定性的理论分析及其参数选择来看，具有 几何的、运动的和物理的三组；其中，表达搅拌装置机械结构的几何参数决定了搅拌的 物理模型，是影响混合料搅拌过程的首要因素；而有关搅拌装置工作时的运动参数和搅 拌介质性能的物理参数则体现于对搅拌过程的数学描述方程中，是影响混合料搅拌过程 的重要因素。 搅拌装置的几何参数主要涉及到搅拌叶片、搅拌筒和搅拌臂的几何参数，搅拌装置 的运动参数则主要是指搅拌线速度( 或者搅拌轴转速) 。对于目前间歇强制式沥青混合 料搅拌设备中广泛使用的双卧轴强制式搅拌机，其搅拌装置的几何与运动参数可如图 2 3 所示。 1 2 长安大学硕士学位论文 搅拌臂排列 单轴拌臂排列 双轴拌臂排列 叶片安装角 篡昌萎萋舅 拌筒长宽比 薹羞篓 搅拌线速度 相位布置 f 正排列一连续排列 排列方式 l 反排列一非连续排列 相位布置 辜暮 f 双正排列 排列方式 双反排列 i 正反排列 图2 3 双卧轴强制式搅拌机的搅拌装置参数 为保证搅拌机具有良好的搅拌质量和效率，必须寻求合理的搅拌装置参数。由于搅 拌介质在搅拌工作腔内的不同拌和运动形式是由搅拌装置的工作机构在一定的工作参 数下产生的，因此，对于具有一定物理性能的搅拌介质，确定合理搅拌装置参数的原则 就是要保证设计制造出来的机器达到最好的工作效果。从搅拌机的工作实际出发，理想 的双卧轴强制式搅拌机应具有搅拌质量好、效率高、能耗低的特点。 根据前面对搅拌机理和搅拌过程中的分析可知，所有合格的搅拌机都要能保证物料 的运动在三维空间内进行，整个搅拌过程应该是空间三维坐标方向不同形式运动的有机 组合。如果工作腔内不同坐标方向的搅拌作用系数，或者搅拌速度系数趋于相同，那么 搅拌过程中物料颗粒的运动总体呈现各相同性，混合料达到均匀要求将只取决于搅拌持 续的时蝌3 6 j 。 因此，选取合理搅拌装置参数的依据为：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。由于双卧轴搅拌机的拌筒是由两个圆槽相连而成，每个圆 槽内物料的运动都是三维的，并且两个圆槽的物料运动具有对称性。因此，每一个圆槽 内物料的运动都可以建立同样的空间坐标，可如图2 2 所示。 1 3 列列 排排 流流置置对围单对 ，、，【 列 置 排 布 流 臂 料 拌 第二章搅拌理论分析 2 2 2 拌臂排列参数分析 在搅拌装置参数中，拌臂排列参数是最为复杂，也是影响搅拌质量和效率的最重要 参数之一。由图2 3 可知，拌臂排列参数主要包括拌臂料流排列、拌臂布置、单轴拌臂 排列以及双轴拌臂排列等参数。各参数的选取应以保证拌筒三维坐标方向都能最快地达 到均匀拌和为目标。 1 拌臂料流排列 拌臂的排列首先应能保证实现合理的料流方式，在尽量短的时间内达到良好的搅拌 质量；其次还应保证在搅拌的任何瞬时参与搅拌的叶片数量相同，以达到电机负荷均匀， 减少冲击的目的。不同的料流排列形式，可使混合料产生不同形式和不同程度的运动。 目前，常见的拌臂料流排列有对流和围流两种形式。 图2 4 拌臂对流排列图2 5 拌臂围流排列 拌臂对流排列，如图2 4 所示。在搅拌叶片的推动下，混合料由搅拌机的两端向中 央运动，并在中央处以锥体形状堆积。这时有些物料就会从料堆顶部溢出，流向搅拌机 的两端，然后再由叶片将其从两端推回中央，从而完成物料的一个循环。 拌臂围流排列，如图2 5 所示。其中一根轴上的叶片推动混合料沿轴向朝一个方向 运动，而另一根轴上的所有叶片则推动混合料沿轴向朝另一个相反方向运动。在两轴的 末端，各有返回叶片把混合料扒离机壳端面，并从一根轴处转送到另一根轴处，使混合 料完成按大循环圈的闭合运动。在两轴之间的区域，左边轴上的叶片将混合料推向右边， 右边轴上的叶片将混合料推向左边，完成混合料的小循环圈运动。 分析物料的运动形式可知，两种搅拌臂排列都实现了物料的循环流动，理论上的任 一物料质点都能到达拌筒内任意位置，但两种排列使物料在拌筒中的分布状态是不一样 的。对流排列中，物料主要积存在拌筒的中央，而两端却很少，因此中央的搅拌叶片受 载大，两端处的叶片受载小，容易造成个别搅拌臂和叶片过载损坏。而围流排列可使混 1 4 长安大学硕士学位论文 合料在拌筒内均匀分布，从而保证沿轴全长上的搅拌叶片受载相同，机壳底部和叶片的 磨损均匀。从这一点来看，拌臂围流排列要比对流排列更具优势，而对其搅拌质量的好 坏，可依靠试验研究进一步比较。 目前，国内外各厂家大都采用拌臂围流排列的形 式。其典型特征可归纳为：物料的流向符合右( 左) 手 定则，即当右( 左) 手四指顺着搅拌轴旋转方向时，拇 指的指向就是物料的流动方向；并且两轴上搅拌叶片 推动物料的纵向流动分量和横向流动分量的方向相 反，如图2 6 所示。此时，物料不但有大范围的循环 流动( 可以是逆时针也可以是顺时针，图示为逆时针 循环) ，而且在中央的主搅拌区，两轴的物料还有强 j 4 5 耋 1 i h i 轴 烈的高频次逆流。如果以i 、i i 表示轴的序号，以n 图2 6 围流排列料流示意图 表示拌臂序号，那么in i i n 1 和i i 。广in + l ( 顺时针循环时变为i 。l - i i n + l 和i i n in - 1 ) 之间的这种逆流运动可以使物料产生强烈的碰撞和挤压，有利于实现均匀拌和。 2 拌臂布置 拌臂布置主要是指搅拌轴上同一拌臂序号轴截面处的拌臂布置形式。对于沥青混合 料双卧轴强制式搅拌机，其拌臂布置 有单置和对置两