（机械设计及理论专业论文）对置式双卧轴搅拌机搅拌参数的试验研究.pdf

摘要 目前，间歇强制式搅拌设备被广泛应用在我国沥青混合料搅拌设备中。双卧 轴强制式搅拌机作为该类型设备的关键核心部分，直接决定着拌合料的搅拌质量 和效率。由于目前国内外对搅拌装置与拌合料间相互作用关系的重视不够，主要 因为搅拌过程的动态复杂性，所以缺乏对搅拌参数的专门研究。本文针对双卧轴 搅拌机的搅拌参数，对其合理选择与匹配进行了系统研究。 论文首先对搅拌装置参数做了一定的理论分析，提出搅拌参数的选取必须保 证拌合料在拌筒三维坐标方向都能较快地达到均匀拌和。在此基础上，研究了搅 拌线速度、返回叶片数、拌臂布置、对置叶片关系以及双轴拌臂排列等搅拌参数 对搅拌质量的影响，确定了各参数的合理取值与匹配。 利用设计的搅拌装置参数可调的试验样机，对搅拌参数进行了试验研究。试 验结果表明：在拌臂采用围流排列的前提下，并尽可能加快拌合料在拌筒内大循 环的频次，同时增加轴间合理逆流；推荐拌臂单置时的排列参数为搅拌线速度 1 2 m s 、返回叶片数2 个、双轴相位交错布置和双轴正正排列；拌臂对置时应采 用搅拌线速度1 2 1 5 m s 、返回叶片数2 对、对置叶片反向、双轴相位交错1 布置 和双轴正正排列。 通过对比试验可知，虽然拌臂对置功率消耗要比拌臂单置有所增加，但具有 更好的搅拌质量和效率，所以推荐拌臂对置。 关键词：对置式，双卧轴搅拌机，搅拌参数，试验研究 a b s t r a c t a tp r e s e n tb 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 t m i x i n gp l a n t a st h ek e yw o r k i n gm e c h a n i s m o 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 n m i x e r 、析t l ld o u b l eh o r i z o n t a ls h a f bd i r e c t l yd e t e r m i n e sm 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 ei n t e r a c t i o nr e l a t i o n s b e t w e e nt h em i x i i l 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 d m o t i o np a r a m e t e r so fs 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 gp a r a m e t e r so ft w i n - s h a f t m i x e r , 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 f t 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 n 、析mm i x i n gd e v i c ep a r a m e t e r st od oac e r t a i na m o u n to f t h e o r e t i c a la n a l y s i 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 gp a r a m e t e r sm u s t e n s u r et h a tt 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 n a c h i e v ef a s t e ru n i f o r mi nt h em i ) 【i i 玛t u b e o nt h i sb a s i s ，t h em i x i n gs p e e d 、r e t u r nt h e n u m b e ro fl e a v e s 、 m i x i n ga r n ll a y o u t 、f i a t l e a fr e l a t i o n s 、a n dt w o - a x i sm i ) 【i i 培a l t n a r r a n g e do 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 ea n dm a t c h i n gr e l a t i o n s h i p o 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 e e 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 s p a r a m e t e r s ，t h em i x i n gp a r a m e t e r s w e r es t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n t s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ti nt h em i x i n ga r ma r r a n g e d 、航mt h ep r e m i s eo fc i r c l e f l o w i n g ，a 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 sa m o n gt h et w os h a f t ss h o u l db e s t r e n g t h e n e d w h e 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 r m s ，s t i r r i n gs p e e d s h o u l db e1 2 m s ，b a c kl e a fn u m b e rs h o u l db e2 ，t h ea r r a n g e m e n to fm i x i n ga r m so n d o u b l es h 啦ss h o u l db ec r o s s e da n dp o s i t i v e p o s h i v e w h e nm i x i n ga r m so fp a i r e d a r r a n g e m e n t , s t i r r i n gs p e e ds h o u l db e1 2 1 5 m s ，r e t u r nt h en u m b e ro f t w o p a i r so f l e a v e s ，o p p o s e db l a d es h o u l db er e v e r s e ，t h ea r r a n g e m e mo fm i x i n ga l m so nd o u b l e s h a f t ss h o u l db ec r o s s e d1a n dp o s i t i v e - p o s i t i v e 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 哪h a v eb e t t e rm i x i n g q u a l i t ya n de f f i c i e n c y , s oi ti sr e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：a r m so fp a i r e da r r a n g e m e n t ， e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青混合料搅拌设备及发展 1 1 1 搅拌设备简述 沥青混合料搅拌设备是拌制生产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( 即矿粉) 按规定的级配均匀混合在一起，用沥青作结合剂，在 规定的温度和时间下搅拌成均匀的符合施工技术规范的混合料。由于沥青混合料搅拌设 备的性能和水平直接决定着沥青混合料的生产质量和效率，影响着所铺路面质量和施工 速度，所以它是沥青路面机械化施工的关键设备之一。 依据工艺流程和我国相关的行业标准，可将沥青混合料搅拌设备分为两种：一种是 间歇强制式沥青混合料搅拌设备，另一种是连续滚筒式沥青混合料搅拌设型l 2 1 。 图1 1 所示即是间歇强制式沥青混合料搅拌设备的工艺流程。其主要特点是在干燥滚 筒内将最初级配的冷骨料连续烘干加热，然后经筛分称量( 其质量) 后，在强制式搅拌三 机中与按质量称量的矿粉和一定剂量的热态沥青搅拌成沥青混合料。 矿粉 ( 填充料) 砂子 碎( 砾) 石 ( 骨料) 沥青 ( 结合剂) 图1 1间歇强制式搅拌设备工艺流程图 由于间歇强制式搅拌设备的结构特点，它能很好地保证矿料的级配，并使矿料与沥 青的比例可达到相当精确的程度，另外也易于根据施工单位需求随时改变矿料级配和油 石比，所以拌制生产出的沥青混合料质量较高，可满足各种公路施工要求。 根据实际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公 路施工质量要求和我国国情【3 一。主要是因为我国目前使用的矿料品种杂、变异性大， 再加上矿料大多是露天堆放和贮存，其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完善、称量精度高、级配正确、成品料质量好、生产效率高、耗能 1 第一章绪论 低、易于控制等，因此我国施工方使用的搅拌设备9 8 以上都是间歇强制式，并在高等 级公路施工相关标准中做了明确规定。 1 1 2 搅拌设备国内外现状及发展趋势 沥青混合料搅拌设备在国外有着悠久的发展历史，早在二十世纪初就已问世。经过 长期的演变和发展，特别是随着近代电子技术的日益完善以及计算机信息处理技术的突 飞猛进，沥青混合料搅拌设备在一些发达国家已经达到很高的技术水平，如美国、德国、 法国、日本、意大利和英国等国家。国内的沥青混合料搅拌设备是在2 0 世纪6 0 年代后期 起步，在引进和吸收国外先进技术的基础上迅速发展起来的，虽然起步较晚，但发展迅 速，产品已经逐步走出国门走向世界市场，实现了跨越式发展。目前国内企业整机设计 制造技术已位居国际前列，但一些关键技术略显不足，特别是在智能控制和设备运行的 可靠性方面尤为突出，此外，一些关键配件技术大多数仍是依赖进口，在技术升级换代 方面表现的比较缓慢和被动，阻碍了国内企业涉足高端市场步伐，短期内无法摆脱在国 际沥青搅拌设备产业链上的下游企业地位【5 】。但目前国外搅拌设备技术性能优越，各种 功能齐全，计算机来控制着各系统之间的协调工作，以依据沥青混合料的配比要求和产 量实现自动化生产，并且搅拌设备各系统运行可靠性很高【5 】。所以国内企业要努力开发 具有自己核心技术的搅拌设备。 近年来，随着中央扩大内需加大对基础设施建设投入的政策出台，我国公路建设， 特别是高等级公路建设迅速发展，相应地带动了搅拌设备的迅猛发展。沥青混合料搅拌 设备的主要发展趋势为：( 1 ) 由于公路的变宽和面层的加厚，致使施工工程的规模越来 越大，然而即使是一个厂家生产的设备也不能保证两台设备生产出来的沥青混合料的质 量完全一样，所以为了提高生产效率和缩短工期，获得更大的经济效益和社会效益，施 工方需求的搅拌设备日趋大型化。( 2 ) 随着我国2 0 世纪6 0 年代建设的公路多数已到大修 阶段，为了对旧沥青混合料的再利用，沥青混合料搅拌设备具有对旧沥青混合料再生的 功能显得日趋重要，所以这也是今后沥青混合料搅拌设备的发展方向之一。( 3 ) 随着我 国筑路行业的发展和施工人员技术素质的不断提升，以及市场规范化的继续深入，特别 是行业高度重视沥青搅拌石料进场的技术质量，市场上的石料规格和级配得到极大改 善，这就为连续式沥青混合料搅拌设备提供了很大的发展机会。( 4 ) 此外，随着国家对 环境保护意识的增强以及用户对搅拌设备使用性能要求的不断提高，也从客观上推动了 沥青混合料搅拌设备不断向节能环保化、人性化、高度自动化和易于拆卸安装运输等方 2 长安大学硕士学位论文 向发展叫。 1 2 双卧轴强制式搅拌机技术 搅拌机是间歇强制式沥青混合料搅拌设备的重要组成部分，其功能是：将称量好的 按一定级配的热骨料、矿粉和热沥青搅拌成均匀的符合施工要求的沥青混合料，所以搅 拌机的性能和技术水平直接影响着整个搅拌设备的作业质量和生产效率。由于双卧轴强 制式搅拌机具有搅拌质量好，生产效率高，结构紧凑和容量大等优点，所以目前被广泛 地应用在间歇强制式沥青混合料搅拌设备中【9 1 0 1 。 目前在国内双卧轴强制式搅拌机已有容量1 0 0 0 一- 6 0 0 0 k g 的系列产品，具有代表性的 厂家有中交西筑、安迈、南阳路德等，但国外最大容量已达到7 0 0 0 k g 【1 1 1 3 1 。 双卧轴强制式搅拌机由搅拌装置、驱动装置和卸料装置三部分组成。其中，搅拌装 置是双卧轴强制式搅拌机的核心机构，其决定着沥青混合料搅拌质量的优劣、搅拌机构 生产效率的高低以及搅拌机的使用维修费用 的贵贱【13 1 。水平安置的双圆槽形拌筒、两根 按相反方向旋转的搅拌轴、安装在搅拌轴上 的搅拌臂、其上的叶片组成搅拌装置，其结 构如图1 2 所示【1 3 】。搅拌臂及叶片形成不连续 的螺旋结构，沿搅拌轴的径向和轴向产生三 维搅拌空间，并且两搅拌轴上的搅拌臂及叶 片之间的搅拌作用半径是相互交叉的。因此， 由于两根轴的转动，轴上的叶片促使拌合料 在搅拌筒内迅速地沿圆周和上下激烈运动， 同时在两个搅拌轴上的叶片相碰或重复的部 位，在两轴之间共域的地方，左右拌筒内的 拌合料位置就会相互交换，并且搅拌臂及叶 片不断推动拌合料沿着搅拌轴方向运动【1 3 1 。 i 别p 风 逆闵 、， i ， 图1 2 双卧轴搅拌装置结构示意图 假如从拌合料中取一微小部分作为一个研究对象，在搅拌过程中，该对象有着各种 复杂、不定的运动模式。当该对象被搅拌叶片由拌筒下部旋转向上运动时，因为研究对 象只受重力作用没有其他作用力，从而使被挤紧的拌合料松散运动开来，就像被抛落一 样，和自落式搅拌原理相似【1 3 j 。同样在上述的运动形式下，当研究对象自上而下移动时， 3 第一章绪论 这时其受到拌筒内壁的阻挡和相近物料的挤压，使研究对象受到两种力作用，一个是筒 臂的摩擦力，另一个是料的挤压力，研究对象在这两种力的作用下既有大范围的移动也 有小范围的对流，和强制式搅拌形式相似【1 4 1 。所以，双卧轴搅拌机在两根轴旋转的过程 中使研究对象有各种复杂运动，如自落运动、 强制作用、切割作用，冲击作用等。还有一种 特别的运动，就是两根转动的搅拌轴上的搅拌 臂及叶片运动所促成的交叉料流，即强烈的对 流挤压在拌合料问被形成，不同方向的外力在 任一瞬间作用在研究对象上，给拌合料达到高 质量提供了一定的有利条件，如图1 3 所示【1 4 】。 不同国家的不同企业生产的双卧轴强制 图1 3 双卧轴拌合料运动特性 式搅拌机的结构大致相同，不同的仅是在部分零部件或结构上做了改进，比如搅拌机不 同型式的驱动方式有单电机、双电机、链驱动等，不同搅拌轴的同步方式有齿轮同步、 高速端同步和对双电机安装同步电子设备，不同的卸料方式有摆动式、转门式和拉式。 目前最新和使用最多的结构是双电机驱动、高速端同步和摆动式卸料门。提高搅拌质量、 生产效率、设备的可靠性和耐用性，降低能耗、减少污染以及大型化是以后搅拌机发展 的总趋势【1 4 1 。 1 3 课题的提出及研究意义 1 3 1 课题的提出 虽然我国双卧轴强制式搅拌机在沥青混合料搅拌设备中广泛使用、发展迅猛，但其 设计方法尚不成熟( 多数是照抄照搬国外技术) ，尤其是搅拌机的关键机构搅拌机 构的设计，则显得尤为突出。到目前为止，国内外企业和研究单位关于搅拌机方面的研 究主要集中在优化投料顺序【1 5 1 引、搅拌时间【1 蚍、充盈率 2 2 - 2 4 1 等搅拌工艺参数上，或 是通过改善衬板和搅拌叶片材料来延长其使用寿命口5 2 7 1 ，再者是通过改善卸料门结构口8 ， 2 9 1 、传动系统结构d 0 1 等来提高机器的使用性能，而对搅拌过程中搅拌机构与拌合料间相 互作用关系这个关键环节却重视不够，研究不足。究其主要原因，一方面是因为拌合料 的搅拌与设备、搅拌介质性能及施工工艺等密切相关，分属于不同学科，给研究带来了 较大难度；另一方面因为拌合料的容积和性质在搅拌过程中都发生了变化，搅拌过程的 复杂性使人们对其认识不足。 4 长安大学硕士学位论文 大量试验数据还有数年的实际应用的经验值是国外厂家设计搅拌机构的主要依据 来源，而国内的厂家则完全采用类比法进行设计，以致结构雷同( 但搅拌效果相差甚远) 。 由于较多和错综复杂的搅拌参数的因素选择起来不易，以至于样机设计的优劣需要测试 后才能评定其结果然后对其再修改，这样就形成较长设计周期，对产品的开发和相关技 术的进步产生严重影响【3 1 】。由于参数之间的联系和规律我们都不是很清楚，所以直接造 成了搅拌质量和生产效率不能兼顾、设备磨损快、装机功率大等诸多问题。如国内某企 业从国外引进的某型搅拌主机，运行中搅拌时间由2 0 秒( 在进口设备上运行时间) 延长 到2 5 秒，仍然不时出现花白料现象，被迫再延长搅拌时间。众所周知，沥青混合料若在 高温下经历的搅拌时间过长，将导致其严重老化，降低沥青混合料的使用性能，引发路 面早期损坏。其次，随着搅拌时间的增加，设备功率损耗也相应增加。 搅拌机是否具有良好性能，搅拌装置的结构设计应具有一定的先进性及良好的搅拌 性能，反之其他方面再优劣也是没有作用的【3 2 1 。搅拌机的搅拌参数主要包括拌臂排列参 数、叶片参数和运动参数等，其中拌臂排列参数是影响搅拌质量和效率的最重要参数， 同时也是最复杂的【3 3 1 。因此，本文提出了搅拌机搅拌参数( 包括拌臂排列和运动参数) 试验研究的课题，这对搅拌技术的进一步提高和深入探讨都有一定的促进作用，还具有 一定的理论参考价值，实用价值方面主要体现在提高公路施工质量和施工速度，经济方 面更有着不可替代的作用【3 4 j 。 。 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核心组成部分，其运行性能和技术 水平直接决定了整个设备的作业质量和生产效率。目前国内多数企业主要通过引进、消 化和吸收国外的先进搅拌技术来形成自己的产品，如中交西筑引进的是英国p a r k e r 公司和 德i 雪b e n n i n g h o v e n 公司技术、徐工引进的是英国a c p 公司技术、南方路机则是吸收了意大 利和韩国的技术。这也直接造成了我国搅拌设备技术师从多家，缺乏关键核心技术的现 状。随着外资企业走入中国，国内企业和外资企业的原材料和加工成本则完全处于同一 水平线上，而国内企业在技术、品牌等关键因素上却处于劣势地位。另外，国内企业引 进的国外技术一般不是最新的，不适应我国道路材料的发展，造成国内搅拌设备的运行 性能往往不能满足我国长寿命高速公路施工的需要。 随着公路建设的迅速发展，用户不但对沥青混合料搅拌设备的需求量与日俱增，而 且对其使用性能的要求也越来越高。国外市场对我国沥青混合料搅拌设备的需求也在迅 5 第一章绪论 速增加，特别是中亚、非洲和拉美等国家。因此，在融合传统搅拌设备技术优点的基础 上，开发完全拥有自主知识产权的新一代高效沥青混合料搅拌设备，是提高我国搅拌设 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。这也满足我 国目前道路施工质量要求，同时增加出口量。 1 4 主要研究内容及方法 1 4 1 研究内容 在体现搅拌机的广泛作用，并且为了搅拌质量和生产效率的提高，本文对对置式双 卧轴搅拌机搅拌机构参数的试验研究包括以下几个方面： 1 搅拌装置参数分析 搅拌机的工作是通过搅拌装置与拌合料的相互作用完成的。针对搅拌机的搅拌参 数，特别是拌臂布置、双轴拌臂排列、搅拌叶片线速度、返回叶片数量、对置叶片关系 等不同参数，研究了他们与拌合料间的相互作用关系，分析了他们对搅拌质量和效率的 影响，为这些搅拌参数的正确设计和合理使用给出了一定的理论基础。 2 实验室试验研究 在现有双卧轴强制式搅拌机的基础上，设计了搅拌参数可调的试验样机。根据搅拌 装置参数分析的结果，在大量的实验室试验中，主要对以下内容进行了研究： ( 1 ) 拌臂单置情况下各搅拌参数的较佳值或者较佳形式； 主要包括较佳搅拌叶片线速度、较佳返回叶片个数和较佳搅拌臂排列形式( 包括较 佳双轴排列和较佳双轴相位) 。 ( 2 ) 拌臂对置情况下搅拌参数组( 一) 较佳值或者较佳形式； 主要包括较佳搅拌叶片线速度、较佳对置叶片关系和较佳搅拌臂排列形式( 包括较 佳双轴排列和较佳双轴相位) 。 ( 3 ) 拌臂对置情况下搅拌参数组( 二) 较佳值或者较佳形式； 主要包括较佳搅拌线速度、较佳返回叶片对数和较佳搅拌臂排列形式( 包括较佳双 轴排列和较佳双轴相位) 。 ( 4 ) 在拌臂单置和拌臂对置的较佳搅拌参数匹配的前提下，对比他们的优劣； 主要包括对混凝土搅拌质量、生产效率、功率消耗的比较和分析。 ( 5 ) 试验数据分析及相关结论总结。 6 长安大学硕士学位论文 1 4 2 研究方法 搅拌装置参数的理论分析和对其的试验研究，然后综合分析是本课题研究所采用的 主要研究方法。通过搅装置参数对搅拌质量和生产效率影响的分析，对搅拌机的搅拌参 数，开展相关理论研究；其次利用设计的试验样机进行实验室研究，通过对试验结果的 分析和处理，验证和完善理论分析；最后确定搅拌参数的较佳取值( 或取值范围) 和合 理匹配关系。 7 第二章搅拌装置分析 2 1 搅拌装置参数分析 2 1 1 搅拌装置参数分类 第二章搅拌装置分析 描述沥青混合料搅拌过程的各个参数，从其搅拌参数可选性来看有运动的和几何 的，还包括物理的；当中，搅拌机物理模型主要由搅拌机结构的几何参数决定的，也是 影响拌合料搅拌质量的首要因素，在搅拌机构转动工作时，其运动参数对拌合料搅拌质 量的影响也很重要。 搅拌臂排列 洌 嬲 f 单置 单轴拌臂布置1 对置专对置叶片关系f 星暑 单轴拌臂排列 双轴拌臂排列 相位布置 f 正排列一连续排列 排列方式 i 反排列一非连续排列 相位布置 辜荐 f 正正排列 排列方式 反反排列 i 正反排列 叶片安装角 蓑宝萎萋凳 拌筒长宽比 薹盖量 返回叶片数c 对， ；辜 凳；差蓦荨荨 搅拌线速度 图2 1 双卧轴搅拌机的搅拌装置参数 如图2 1 所示，搅拌装置的几何参数主要包括搅拌叶片、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叶片的线速度( 或者搅拌轴转速) 。目前，这 8 长安大学硕士学位论文 些搅拌参数被广泛使用在间歇强制式沥青混合料搅拌设备中的双卧轴强制式搅拌机。 为保证搅拌机具有较好的搅拌质量和生产效率，必须寻求较合理的搅拌参数值、排 列形式以及合理匹配。由于在不同的搅拌参数组合下产生的拌和运动形式是不同的，因 此，对于具有一定物理特性的搅拌介质，制造出来的搅拌机要达到较好的搅拌质量，合 理的搅拌参数匹配就是最基本的要求。考虑到搅拌机工作的实际性，较好的对置式搅拌 机应具有这些特点：( 1 ) 搅拌质量好、( 2 ) 效率高、( 3 ) f l 匕耗低、( 4 ) 可靠性耐”】。 所有合格的搅拌机都应能保证拌合料在全部工作容积内进行流动，搅拌过程中拌合 料的运动应该是各种不同运动形式的有机结合。所以选取合理搅拌参数的原则为：在一 定的搅拌时间内，拌筒三维坐标方向拌合料都能同时达到较好的均匀性【3 6 】。 2 1 2 拌臂排列参数分析 在搅拌参数中，拌臂排列参数最为复杂多变，也是影响搅拌质量和搅拌效率的最重 要参数之一。由图2 1 可知，拌臂排列参数主要包括单轴拌臂布置( 其中拌臂对置布置 包括对置叶片关系) 、双轴拌臂排列等参数。同时，返回叶片数( 对) 以及搅拌线速度也 是较为重要的参数。 第一、搅拌臂的排列形式应能确定实现合理的拌合料运动，并且能在尽可能短的周 期内实现较优的搅拌质量。第二、为了达到电机负荷平稳，减少冲击的目的，还应保证 在搅拌的任意瞬时参与搅拌的叶片数量相同。本试验拌臂料流排列采用围流的形式。 拌臂围流排列示意图如图2 2 所示。其中上边搅 拌轴上的叶片推动拌合料沿轴向朝左流动，而另一 根轴上的叶片则推动拌合料沿轴向朝右流动。返回 叶片在上下两轴的端部，主要用来把拌合料扒离搅 拌机壳内端面从而避免粘料，还可以使拌合料从一 根轴端处传送到另一根轴端处，这样拌合料的闭合 运动就按大循环圈完成t t 3 n 。在两轴之间的部分拌 合料被上面轴上的叶片向下面推，而下边轴上的叶 片将其向上面推，这样小循环圈运动就是这样完成 的【3 羽。 图2 2 拌臂围流排列示意图 拌臂围流排列的典型特征可归纳为：( 1 ) 拌合料的流向符合左( 右) 手定则，即当左 ( 右) 手四指沿着搅拌轴旋转方向时，拇指的指向即是拌合料的流动方向。( 2 ) 两轴上搅 9 第二章搅拌装置分析 拌叶片推动拌合料的横向流动分量和纵向流动分量的方向相反，如图2 3 所示【3 引。此时， 拌合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，图中为顺时针循环) 而且在两轴的中央主搅拌区， 流运动可以实现拌合料的强烈的碰撞和挤压，有助于实现 拌合料的均匀拌和 3 9 1 。 本论文试验是在拌臂围流排列前提下，以单轴拌臂相 图2 3 围流排列料流简图 位6 0 0 、叶片轴向安装角为4 5 0 、拌筒为宽短型等为条件，对单轴拌臂布置、双轴拌臂排 列、返回叶片数( 对) 、搅拌线速度和对置叶片关系等搅拌参数进行实验室研究的。以下 是对研究对象进行的理论分析。 2 1 3 拌臂排列的拌臂布置参数分析 单轴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。单轴拌臂布置主要有单置和 对置两种形式。 单置布置如图2 4 所示，其主要特 征是搅拌轴上同一拌臂序号轴截面 处只有一个拌臂，具有代表性的厂家 有德国的b e n n i n g h o v e n 等公司。 对置布置如图2 5 所示，其主要特 征是搅拌轴上同一拌臂序号轴截面 处有两个相对布置在搅拌轴两侧的 拌臂，具有代表性的厂家有英国的 p a r k e r 等公司。 显然，在搅拌轴长度一定的情况 下，拌臂对置要比拌臂单置多了一倍 1234 图2 5 拌臂对置示意图 的拌臂及搅拌叶片；所以，在某一搅拌瞬间参与工作的叶片数目增加了一倍，拌合料被 1 0 茹一 翮淼 如 一 川卜 等一 燕 长安大学硕士学位论文 搅拌的次数也增加了一倍，这样就更易于拌合料的快速分散，达到均匀。然而，在搅拌 简体积不变的条件下，由于拌臂对置要比单置数多，所以其占用的拌筒空间也多，假如 拌筒充盈率一样，则在拌臂对置的拌筒内拌合 料所产生活动区域就会相对减少例。对于双卧 轴强制式搅拌机，拌合料活动区域是指搅拌机 拌臂和叶片所到达的区域减去搅拌轴、拌臂和 搅拌叶片所占用的区域。此时，由于拌筒内的 拌合料容积一定，造成拌筒上方有效活动空间 减小，以至在搅拌时，垂直方向和搅拌机底部 的拌合料运动程度就会随之减弱，也使叶片在 图2 6 拌臂过多减弱垂直方向运动 翻拌作用时，拌合料参被翻拌机会也减少，导致难以快速拌匀拌合料，如图2 6 所示。 但是，当充盈率合适时，由于拌臂对置搅拌叶片数较多，在单位时间内对拌合料的作用 次数较多，所以搅拌质量较好。此外，在功率消耗方面，因拌臂对置参与工作的叶片数 目较单置要多，即使在同样的搅拌速度下，前者要比后者有所增加【3 9 】。 2 1 4 拌臂排列的双轴拌臂排列参数分析 不论拌臂对置布置还是单置布置，双轴拌臂排列是指搅拌机双轴上同一截面搅拌臂 间的相位布置和排列形式。 ( a ) 单置交错布置( b ) 单置平行布置 图2 7 单置双轴拌臂相位布置不惹图 ( 1 ) 双轴相位 双轴相位指的是搅拌机双轴上同一截面拌臂的相位，有交错和平行两种。本文拌臂 单置双轴相位布置情况，如图2 7 所示；而拌臂对置双轴相位布置有如图2 8 所示三种情 况，分别命名为对置交错1 、对置交错2 和对置交错3 ；顾名思义，对置交错1 即为i 轴搅 拌臂序号为1 的叶片水平，i i 轴搅拌臂序号1 垂直；对置交错2 即为i 轴搅拌臂序号为2 第二章搅拌装置分析 的叶片水平，i i 轴搅拌臂序号1 垂直；对置交错3 1 1 p 为i 轴搅拌臂序号为3 的叶片水平， i i 轴搅拌臂序号l 垂直。这三种交错形式完全满足双卧轴搅拌机搅拌臂排列基本原则。 ( 一) 对置交错l ( b ) 对置交错2( c ) 对置交错3 图2 8 对置双轴拌臂相位布置示意图 ( 2 ) 双轴排列 由单根轴上相邻两个搅拌臂之间的排列形式，组合得到双卧轴搅拌机搅拌臂的双轴 排列形式，首先对单轴拌臂排列进行讨论。 拌臂单置，单轴相位布置为6 0 0 时的正、反排列如图2 9 所示。当逆着拌合料流动方 向看时，如果搅拌臂排列的相位方向与搅拌轴转向相同，即为单轴搅拌臂正排列；当顺 着拌合料流动方向看，二者方向相反，则是反排列。图2 9 ( a ) 为正排列，依据拌合料连 续递推式前进可知，由第6 搅拌臂上的叶片向前推搅的拌合料，需经过6 0 0 才可被同轴的 第5 搅拌臂上的叶片继续推搅。同样，当拌合料轮到第4 搅拌臂推搅时，仍只需旋转6 0 0 。 于是，拌合料从第1 个搅拌臂传到第刀个搅拌臂，需经过甩一1 倍的6 0 0 才能实现。而对于 图2 9 ( b ) 的反排列，拌合料要从一个搅拌臂被推搅到下一个相邻的搅拌臂处，搅拌轴每 次都需要旋转3 0 0 0 ，刀个搅拌臂就需要万一1 倍的3 0 0 0 。有上述可知，在拌臂单置下，拌合 料在正排列的轴上要比在反排列轴上运动的快，所以在相同的搅拌周期内，拌合料在正 排列的轴上流动次数更多，搅拌叶片的利用率更高【4 0 】。 ( a ) 拌臂正排列 ( b ) 拌臂反排列 图2 9 拌臂单置时单轴拌臂排列形式 通过计算更可说明这一点，计算过程如下所示： 1 2 长安大学硕士学位论文 以本试验样机为例，每根轴上有6 个搅拌臂，单轴相位角6 0 0 ，转速5 0 r m i n ，搅拌周 期4 5 s o 则在一个搅拌周期内，搅拌轴转过的圈数为：品叮= 嚣4 5 = 3 7 5 r 拌臂反排列，拌合料完成一个轴向的推搅需要转过：3 0 1 0 面x ( 厂6 - 一1 ) = 4 1 7 r 一个周期内拌合料在反排列轴上完成的流动次数为：彳3 7 万5 = 8 9 9 拌臂正排列，拌合料完成一个轴向的推搅需要转过：6 0 j x 丽( 6 - - 1 ) = o 8 3 r 一个周期内拌合料在正排列轴上完成的流动次数为：瓦3 7 西5 = 4 5 1 8 显然，对于该搅拌样机来说，拌合料在单根轴搅拌臂正排列轴向得到的流动次数是 反排列的( 4 5 18 8 9 9 - ) 5 倍。 拌臂对置，单轴相位布置为6 0 0 时的正、反排列如图2 1 0 所示。图( a ) 为正排列，拌 臂对置单轴正排列符合拌臂单置单轴正排列相关规定。由图结构可知，拌臂对置的单轴 正排列，在一个搅拌周期内完成对拌合料的作用次数是同样条件下拌臂单置时的2 倍。 同理，图( b ) 为拌臂对置单轴反排列，其同样在一个搅拌周期内对拌合料作用的次数是 拌臂单置反排列的2 倍。所以在拌合料一定的情况下，拌臂对置布置使拌合料达到较好 的搅拌质量所需要的搅拌时间比拌臂单置布置要少。同时，拌臂对置的单轴正排列使拌 合料在轴向运动的次数同样是拌臂对置单轴反排列的5 倍。 ( a ) 拌臂正排列 6 ( b ) 拌臂反排列 图2 1 0 拌臂对置时单轴拌臂排列形式 因为是双卧轴搅拌机，还应对双轴上的拌臂排列进行分析，所以单独讨论某一根轴 上的拌臂排列是不全面的。不论拌臂对置还是单置布置，双轴排列由单轴搅拌臂排列组 合得到，所以有正正、正反和反反三种排列组合形式。由于拌合料在搅拌筒内做的是闭 合的“大循环 运动，根据前面分析结果可知，当双轴搅拌臂为正反排列时，拌合料在 搅拌臂正排列的轴上推搅的要比在反排列的轴上推搅的快，所以当拌合料从正排列轴上 1 3 第二章搅拌装置分析 被推搅到反排列的轴上时，会导致料流不畅而形成堆积，这也破坏了整个“大循环 ， 从而拌合料不易在拌筒内被拌匀。拌合料拥塞现象不会出现在拌臂正正或反反排列时， 主要是由于它们的拌合料在两轴上的流动速度相同。还可以得n - 对于“大循环”的频 次，双轴正正时最高、双轴反反时最低、双轴正反时居中。 为了强化拌合料搅拌过程和提高其搅拌质量，在现实中，总是希望双轴搅拌臂排列 不破坏拌合料的“大循环 同时还能增加两轴之间的in _ i in + l 以及i in in 1 逆流运动。 现相位差主要是由于搅拌叶片i i n 和in 1 ( 或者in 和i i n + 1 ) 到达文中规定搅拌区的次序 有不同而产生的。相位差太大或者太小对拌合料的逆流作用都不利，太大会造成作用时 间上的延迟，并且其作用强度也较弱；太小甚至d , n 零时，这时说明两搅拌臂接近或同 时到达文中规定的搅拌区，因为拌合料是相向逆流运动即方向相反，这样就如同在文中 规定的搅拌区域沿轴向形成一堵类似“墙的运动形式，从而破坏了整个拌筒内拌合料 的“大循环 运动，导致中央搅拌区域拌合料的“死循环 ，造成拌合料搅拌质量下降。 所以，i 广i i n + 1 和i i 广in 1 之间的逆流相位差值不能太大也不能太小，应该的取一个 较佳的范围值，并且在此范围内的逆流运动才是合理有效的，并能提高拌合料的搅拌质 量。 如果两搅拌轴上的搅拌臂in 和i i n + l ( 或者i i n 和in 1 ) 能被合理布置，使其到达文 中规定的区域的相位差在合理范围内，逆流作用的频次更多，那么拌合料被揉搓和挤压 就就越充分，最后实现拌合料搅拌质量提高。还有，如果拌臂布置合理，使得拌合料在 两搅拌轴之间的强制作用频次更多，强度更大，拌合料( 靠近拌轴部分的) 被充分搅动 起来，就能很大程度上改善强制式搅拌机所固有的搅拌低效区( 靠近搅拌轴的区域) 问 题，低效区主要是由搅拌速度梯度所产生的，还可以缓解拌合料抱轴现象。但逆流是以 不破坏拌合料的“大循环 流动为前提的，所以，双轴搅拌臂的排列应以此为依据。i n 和i i n + l ( 或者i i n 和in 1 ) 之间的关系是与单轴及双轴上搅拌臂的相位及其排列密切相 关的。 综上所述，合理的双轴拌臂排列要尽可能增加拌合料在拌筒内“大循环 的频次， 同时还能强化轴间逆流作用，从而提高搅拌质量和生产效率。现对本试验样机拌臂单置 和拌臂对置的双轴搅拌臂的相位布置和排列关系及其与“大循环 和逆流的作用关系加 以分析如下： 拌臂单置，双轴拌臂排列关系如图2 1 1 所示。其中拌合料被i 轴上的叶片l 推到叶 片6 形成从纸外往内推；i i 轴上的物料被叶片6 推到叶片l ( 下同) 形成从纸内往外推。 1 4 长安大学硕士学位论文 在安排双轴拌臂排列时，搅拌过程中的任何瞬间要保证参加工作的叶片数目不变，并且 在该相位下均为2 个侧叶片和4 个主叶片。 ( a 1 ) 单置交错正正排列 ( a 2 ) 单置交错正反排列 ) 单置交错反反排列 ( b 1 ) 单置平行正正排列 ( b 2 ) 单置平行正反排列 ( b 3 ) 单置平行反反排列 图2 1 l 双轴拌臂单置排列示意图 对于图2 1 l ( a 1 ) 的交错正正排列，如果以此时的排列为初始位置，那么两轴上的捞 拌臂到达中央搅拌区域水平位置时所要转过的相位角，见表2 1 所示。 表2 1单置交错正正排列各轴搅拌臂到达中央搅拌区域的相位角 淤芝 123456 搅拌轴序号 i 轴 2 7 0 03 3 0 03 0 09 0 01 5 0 02 1 0 0 i i 轴 3 6 0 03 0 0 02 4 0 01 8 0 01 2 0 06 0 0 因此，该排列形式下双轴拌臂所形成的in _ i i n + l 和i i 。_ in 1 逆流相位差，可分别 见表2 2 和表2 3 所示。从表中可知，当拌合料沿i 轴运动时，其所受到的轴间逆流运动 相位差为3 0 0 、1 5 0 0 和2 7 0 0 ；当拌合料沿i i 轴运动时，其所受到的轴间逆流相位差为9 0 0 、 1 5 第二章搅拌装置分析 2 1 0 0 和3 3 0 0 。可以看出i 。广i in + l 和i i 。_ in 1 逆流相位差之和是3 6 0 0 ，所以只有当它们都 适中的时候就可达到较好的逆流效果。 表2 2 单置交错正正排列的in i + l 逆流相位差 双轴搅拌臂 il 一2i2 一i i3i3 - 1 1 4i4 一5i5 - i i6 相位差3 0 。 2 7 0 0 1 5 0 0 3 0 0 2 7 0 0 表2 3 单置交错正正排列的n i + 1 逆流相位差 双轴搅拌臂 2 mii 1 1 3 一i24 _ i3 i i5 一i 6 一i5 相位差 3 3 0 09 0 。2 1 0 03 3 0 09 0 0 对于图2 1 1 ( a 2 ) 的单置交错正反排列，其双轴拌臂到达中央搅拌区域水平位置时所 要转过的相位角见表2 4 所示，i 广i i n + l 和i i i 广in 1 逆流运动相位差分别见表2 5 和表2 6 所示。 表2 4 单置交错正反排列各轴搅拌臂到达中央搅拌区域的相位角 一淤芝 l 23456 搅拌轴序号 i 轴2 7 0 0 2 1 0 0 1 5 0 09 0 03 0 03 3 0 0 i i 轴 6 0 。3 6 0 03 0 0 02 4 0 01 8 0 0 1 2 0 0 表2 5 单置交错正反排列的in - n + l 逆流相位差 双轴搅拌臂 i1 一2i2 一3i3 - 4i4 一i i5i5 一6 相位差 9 0 09 0 09 0 09 0 09 0 0 表2 6 单置交错正反排列的广i + l 逆流相位差 双轴搅拌臂 2 一il 3 一i2广i35 一i4 6 一i5 相位差 2 7 0 02 7 0 。2 7 0 02 7 0 。2 7 0 0 对于图2 1 1 ( a 3 ) 的交错反反排列，其双轴拌臂到达中央搅拌区域水平位置时所要转 过的相位角见表2 7 所示，i 厂i i 叶l 和i i 广in 1 逆流运动相位差分别见表2 8 和表2 9 所 不o 1 6 长安大学硕士学位论文 i 轴2 7 0 0 2 1 0 。1 5 0 09 0 03 0 03 3 0 0 轴 1 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 06 0 0 表2 8 单置交错反反排列的i 丑一n + l 逆流相位差 双轴搅拌臂 i1 - - 1 1 2i2 一i i3i3 _ i i4 i4 一i i 5 i5 一6 相位差 2 7 0 03 0 01 5 0 02 7 0 。3 0 0 表2 9 单置交错反反排列的广i ，l 逆流相位差 双轴搅拌臂 i i2 一i1 3 一i24 i35 一i4 i i6 一i5 相位差 9 0 03 3 0 0 2 1 0 09 0 03 3 0 0 由表2 1 表2 9 可知，单置交错正正排列与交错反反的轴间逆流相位差一样，虽然 其3 3 0 0 的相位差较大，会造成对拌合料作用时间上的延迟，减弱逆流作用，但其3 0 。的相 位差则能够强化逆流作用，有利于拌合料的均匀拌和；而对于交错正反排列，其9 0 0 和 2 7 0 。的逆流相位差是处于相对中间值。但由前面的分析可知，正正排列的“大循环频 次最高，反反排列时最低，而正反排列则会由于两轴向料流速度的不一致产生拌合料堆 积拥堵现象，并且“大循环 频次居正正排列和反反排列之间。因此，由于这些拌臂排 列形式不同所造成的搅拌质量的好坏，可依靠试验研究进一步比较和论证。 对于图2 1 l ( b 1 ) 的单置平行正正排列，图2 1 1 ( b 2 ) 单置平行正反排列以及图2 1 1 ( b 3 ) 的单置平行反反排列，同理可得到其i 。_ i i n + l 和i i n - in - l 逆流运动相位差，分别见表 2 1 0 、表2 1 1 和表2 1 2 所示。 表2 1 0 单置平行正正排列的逆流相位差 双轴搅拌臂i1 - - i i2i2 一3 i3 _ 1 1 4i4 一5i5 - 1 1 6 i 广叶l 相位差 1 2 0 0o o2 4 0 01 2 0 00 0 双轴搅拌臂 1 1 2 一il i i3 一i2 1 1 4 i3 i i5 一i4 6 一i5 i i 广i + l 相