（机械设计及理论专业论文）搅拌装置参数优化的研究.pdf

摘要 摘要 搅拌是混凝土生产工艺中的关键工序，直接关系到预拌混凝土生产的质量和 效率。从混凝土搅拌设备的发展历程与趋势以及国内外搅拌技术的研究现状来看， 搅拌装置参数优化问题已成为现代搅拌技术的研究重点。由于搅拌过程的动态复 杂性，对搅拌装置最佳参数及其合理匹配关系的确定不宜采用常规的机械工程优 化设计方法，而应在搅拌过程模型化的基础上，通过研究试验来实现。但目前国内 外的研究尚未涉及这样的工作。笔者采用研制的双卧轴强制式搅拌装置，通过正 交试验对其参数优化问题进行了比较深入的试验研究。 论文首先分析了搅拌任务以及搅拌过程中介质的运动，采用扩散方程描述搅 拌过程，结合搅拌装置的参数将搅拌过程模型化，得到了搅拌过程曲线方程式以 及影响搅拌时间的关系式，在此基础上提出了搅拌参数优化的目标及其试验方法。 论文介绍了所设计的试验样机结构及其性能指标，试验材料及其配合比，根 据搅拌参数的优化目标与优化方法，制定了搅拌质量和效率的检验指标以及测试 方法。 论文对双卧轴强制式搅拌机的主要参数的取值进行了分析与试验，认为搅拌 臂围流排列、单轴搅拌臂相位角取6 0 。、双轴相位布置为正正交错关系、搅拌叶 片安装角取3 5 。、拌筒长宽比为小于1 的宽短型、搅拌线速度取1 5 m s 较为合 理：通过正交试验以及对试验数据的极差分析，对搅拌装置的主要参数进行了综 合试验。得到了各参数对试验指标的影响程度，以及它们之间的合理匹配关系。 最后，将参数优化后的搅拌装置与其他类型的搅拌机进行了搅拌质量的对比， 证明了参数优化的良好效果。 论文研究工作既是对现有搅拌技术的深入探讨，更是进一步的技术提升与创 新。论文研究成果不仅适用于水泥混凝土搅拌设备，而且对沥青混凝土及道路稳 定材料的拌和也具有重要意义。 关键词：混凝土，搅拌质量，模型化，优化目标 试验方法，评价指标，参数匹配，正交试验 a 1 摘要 a b s t r a c t a st h ek e yw o r k i n gp r o c e d u r ei nc o n c r e t ep r o d u c t i o n , m i x i n gq u a l i t ya n d p r o d u c t i v i t ya r ea f f e c ts e r i o u s l yb ym i x i n gm o d e a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f c o n c r e t em i x i n ge q u i p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fm 呔洳gi nt h ew o r l d ，p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no fm i x i n gm e c h a n i s mh a sb e e nb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d t h eo r d i n a r y o p t i m i z i n gm e t h o d so fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga r en o ts u i t a b l et ob eu s e df o rt h e c o m p l e x i t yo fm i x i n gp r o c e s s b a s e do nt h em o d e lo fm i x i n gp r o c e s s ，e x p e r i m e n t a l m e t h o di sr e c o m m e n d e d h o w e v e r ，t h e r ei sn ok n o w l e d g ea n dc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h a b o u tt h e s e p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no f m i x i n gm e c h a n i s mi ss t u d i e do nt h eb a s i so f t w i n s h mm i x e rd e s i g n e db yt h ea u t h o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t m i x i n gt a s lm o v e m e n to f t h em e d i u m i nm i x i n gi sa n a l y z e df i r s t l y b a s e do nt h e m o d e lo fm i x i n gp r o c e s s ，c u r v ee q u a t i o no fm i x i n gp r o c e s sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n m i x i n gt i m ea n dq u a l i t yi s 垂v e n a n dt h eg n a la n dm e t h o d so f p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n o fm i x i n gm e c h a n i s ma r ep u tf o r w a r d s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea r ed e s i g n e db yt h ea u t h o r ， e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n di t sm i xa r ei n t r o d u c e db r i e f l y a c c o r d i n gt ot h eg o a la n d m e t h o d so f p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n , t h et e s t i n gi n d e x e sa n dm e t h o d sa r es e td o w n t h er a n g e so fm a i nm i x i n gp a r a m e t e r so ft h et w i n - s h a f tm i x e ra r ea n a l y z e da n d t e s t e di nt h et h e s i s ni ss u g g e s t e dt h a tt h ea r r a n g e m e n to f m i x i n ga l t l l ss h o u l db ec i r c l e f l o w i n g ，p h a s ea n g l eo fa d j a c e n tm i x i n ga n n so ns i n g l es h a f ts h o u l db e6 0 。，t h e a r r a n g e m e n to fm i x i n ga n n s0 1 1d o u b l es h a f ts h o u l db ep o s i t i v ea n dc l o s s e d ，s e t t i n g a n g l eo f m i x i n gb l a d e ss h o u l db e3 5 ，l e n g t h - b r e a d t hr a t i oo f m i x i n gt r o u g hs h o u l db e l e s st h a n1 ，a n dm i x i n gv e l o c i t ys h o u l db e1 5 m s t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n d v a r i a n c ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， i n t e g r a t i v eo p t i m i z a t i o no ft h em a i n p a r a m e t e r so f m i x i n gm e c h a n i s m i ss t u d i e d , a n dm a t c h i n gr e l a t i o n s h i p so f p a r a m e t e r s a r er e c o m m e n d e d a tl a s t , t h ec o m p a r i s o no fm i x i n gm e c h a n i s m ，w h i c hh a sb e e no p t i m i z e d ，w i t ht h e o r d i n a r yf o r c e da c t i o nm i x e rw a sm a d e t h ee f f e c to fp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni s v e r i f i e d i t sn o to l i l yd e e p l yd i s c u s s e dp r e s e n tt e c h n i q u eo ft h em i x i n g ，b u ta l s oi m p r o v e da n d i n n o v a t e di tf 砷盯i nt h ep f 驴瓦t h er e s e a r c hr e s d t s 嘶n o to n l ya p p l i c a b l et oc e m e n t d ) i l 口守屺a l s oi m p o r t a n tf o rm i x i n ga s p h a l tc o n c r e t e , s t a b i l i z a t i o nm a t e r i a l so f r o a d k e yw o r d s ：c o n c r e t e ，m i x 证gq u a l j t y ，m o d e l i n g o p t i m i z i n gt a r g e t ，t e s t i n gm e t h o d e v a l u a t i o ni n d e x e s ，p a r a m e t e r s m a t c h i n g ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 第1 章引言 第1 章引言 搅拌是混凝土生产工艺中的关键工序，直接关系到预拌混凝土生产的质量和 效率。从混凝土搅拌设备的发展历程与趋势以及国内外搅拌技术的研究现状来看， 搅拌装置参数的优化问题已成为现代搅拌技术的研究重点。通过了解搅拌参数优 化在国内外的研究进展，发现其中存在的问题，笔者提出了本文的研究课题。 1 1 课题研究的背景和意义 混凝土作为最基本的建筑材料，广泛地应用于工业、农业、交通、国防、水 利、市政和民用等基础建设工程中，在国民经济中占有十分重要地位。我国水泥 产量居全球第一，水泥混凝土是当今世界最大宗的建筑材料。 搅拌是混凝土生产工艺中关键的一道工序，由相应的混凝土搅拌设备来实施 完成。搅拌设备是将不同组分配合比的工程材料混合均匀的专用机械，搅拌机是 搅拌设备的心脏，其性能直接关系到混凝土生产的质量和效率。 随着经济建设的日益发展，国家不断加快城市建设和基本建设，西部大开发、 西气东输、南水北调和奥运工程等一大批国家重点建设项目全面展开，国内对混 凝土搅拌设备的需求量随之增加。根据散装水泥发展“十五”规划发展目标 要求，2 0 0 5 年，我国预拌混凝土生产能力要达到3 亿r n 3 ，预拌混凝土占混凝土浇 注总量的比例达到2 0 ，其中大中城市要达到5 0 以上，这为混凝土的搅拌行业提 供了巨大的发展商机。商品混凝土的大力推广和工程建设施工的高质量化、高效 率化和高效益化，从客观上推动了混凝土搅拌质量、搅拌设备在使用性能与技术 水平方面的迅速提高和发展。此外，从市场需求看，用户对施工质量的要求越来 越高，一些传统搅拌设备已无法满足越来越高的施工要求0 1 。 在公路交通事业快速发展的推动下，我国己成为沥青混凝土和道路稳定材料 的生产大国，搅拌设备的年产量也居世界首位。然而，相比之下，我国混凝土搅 拌设备的发展却相对落后，搅拌质量与效率比较低，拥有自主知识产权的技术很 少。1 。因此，在现有搅拌设备与技术的基础上，探索新的搅拌理论，研究搅拌过 程优化技术，开发适合我国国情且发展潜力大的新型高效搅拌设备迫在眉睫。 2 0 0 5 年2 月2 3 日，建设部副部长仇保兴说“1 ：“目前，我国每年城乡新建房 屋建筑面积近2 0 亿m 2 ，其中8 0 以上为高能耗建筑。单位建筑面积能耗是发达 国家的2 3 倍以上，建筑用实心粘土砖每年毁田1 2 万亩，能耗水平与发达国家 第1 章引言 相比，钢材消耗高出1 0 2 5 ，每拌和1 m 3 混凝土要多消耗水泥8 0 k g 。”也就 是说，2 0 0 5 年我国的混凝土要多消耗1 2 0 0 亿k g 水泥，以目前水泥的市场价每公 斤0 3 5 元计算，价值人民币4 2 0 亿元! 这中间有材料的原因。也有搅拌技术落后 的原因，由此而知，搅拌技术的研究所具有重要的社会和经济意义。 提出“搅拌装置参数优化的研究”这一课题，旨在提高混凝土生产质量，提 高搅拌设备工作效率，从而节约生产成本。它既是对现有搅拌理论的深入探讨， 更是进一步技术的提升与创新，对提高我国搅拌设备的使用性能和技术水平，以 及工程建设的质量和速度都具有重要的理论和实用价值，并有着广阔的应用前景。 它的重要意义还在于利用优化技术提高混凝土搅拌设备发展速度和国家重点项目 施工质量，提升我国混凝土搅拌设备的市场竞争力和工程施工国产设备的装备水 平。通过该课题的研究，将推动混凝土搅拌设备与技术的研究和推广应用带动 整个行业的技术进步，形成一批专利和有自主知识产权的技术，帮助我国混凝土 搅拌设备走出低水平模仿设计的怪圈，真正走上依靠技术创新的发展之路。 为了开展本课题的研究，有必要了解混凝土搅拌图卜1自落式搅拌机 没备的发展历程，以及混凝土搅拌技术的发展趋势。 工作原理示意图 1 9 世纪4 0 年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的自落式搅 拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到8 0 年代，才开始用铁或钢件代 替木板，但形状仍然为多面体。1 8 8 8 年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路 的混凝土搅拌机专利。2 0 世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及，其工 作原理如图1 - 1 所示。形状的改进避免了混凝土在拌简内壁上的凝固沉积，提高 了搅拌质量和效率。1 9 0 3 年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的 预拌工厂。1 9 0 8 年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成 为主要动力源。从1 9 1 3 年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1 9 5 0 年，亚洲六 隧的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有时片或无时片 的自落式搅拌机的发明与应用为主8 “”。 自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。工作时利用拌筒内壁固定的 第1 章引言 叶片对简内物料进行分割和提升，物料则靠自身重力洒落、冲击，从而使各部分 物料的相互位置不断进行重新分布而获得搅拌。这种机型结构简单、容易制造， 功率消耗和工作腔的磨损都比较小，但其搅拌强度不够剧烈，搅拌质量难以保证， 生产效率比较低，只适用于搅拌普通塑性混凝土。这类搅拌机常见的机种有：鼓 筒式搅拌机，双锥反转出料搅拌机，双锥倾翻出料搅拌机以及对开式搅拌机等。 鼓筒式搅拌机由于技术性能差，在工程实践中已被淘汰。 随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对 混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性 能和技术水平方面的提高与发展。各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形式、 传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产工艺等方面进行改进和探索。 强制式搅拌机是在白落式搅拌机之后，随着干硬性混凝土的应用而运渐发展 起来的。与自落式搅拌机不同，它不只是借助重力作用来工作，而主要是依靠旋 转叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相 对运动中得到均匀搅拌。与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机结构复杂，搅拌作 用强烈，搅拌质量好，生产率高，但叶片及工作腔磨损大，功率消耗大，制造成 本偏高，而且对骨料粒径有较严格的限制，适用于搅拌干硬性混凝土和轻骨料混 凝土，多使用于施工现场的混凝士搅拌站和混凝土预拌工厂的搅拌楼。 2 0 世纪4 0 年代后期，德国 e l b a 公司最先 发明了强制式搅 拌机，工作原理 如图卜2 所示。 其投放市场之后 不久，德国的桑 图1 - 2 强制式搅拌机 工作原理示意图 索霍芬机械与矿业公司( 简称b h s 公司) 推出了双卧轴搅拌机，其主要结构如图 l 一3 所示。与此同时，美国也出现了强制 式搅拌机。但当时的双卧轴搅拌机在使用 过程中殴轴端密封技术的不成熟，其发展 基本处于停顿状态。 图卜3 一种双卧轴搅拌机结构示意图 直到7 0 年代初。由于这项技术得到突破，该机型在德国的b h s 公司和e l b a 第1 章引言 公司、美国的j o h n s o n 公司和r e xw o r k s 公司、意大利的s i c o m a 公司和s i 4 e n 公司、日本的日工株式会社和光洋株式会社等企业又重新发展起来，目前已形成 系列产品。比如德国的e m c 系列、e m s 系列搅拌站和u b m 系列、e m t 系列搅拌楼， 意大利的m a o 系列搅拌站、m s o 系列大型搅拌基地等m 。 在此期间，除了卧轴强制式搅拌机外，立轴涡桨式、立轴行星式等强制类搅 拌机也先后面世。图卜4 所示为种双层立轴涡桨式搅拌机。图卜5 所示为立轴 双行星式搅拌机示意图。 图卜4 一种双层立轴涡桨式搅拌机 ( a ) 定盘式( b ) 转盘式 图卜5 立轴双行星式搅拌机示意图 当今，慈大利专门生产搅拌机的s i c o m a 公司已经拥有双卧轴、涡桨式、行星 式和连续式4 大系列几十种型号的混凝土搅拌机生产能力，产品出料容量从0 5 6 m 3 ，均具有很好的可靠性、耐久性和经济性，其完善的监控系统、独特的传动系 统、有效的轴端密封润滑系统、多搅刀搅拌系统、多管多路喷水系统、液压卸料 装最、测湿传感器和称重系统使其被国内外许多大中型搅拌站用作搅拌主机”。 德国b h s 公司的双卧轴搅拌机技术居世界领先地位，标志性产品包括：固定式 单机组搅拌站( 拌和主机7 o m ，生产率3 2 0 m 3 h ) 、全移动式单机组搅拌站( 生产率 3 0 0 m 3 h ) 、双卧轴拌和主机干料充填容积1 3 5 舻，混凝土搅拌容积9 0 一，生产率 3 8 3 i n 3 h ) ，三者均为世界之冠8 1 。 我国混凝土搅拌设备的生产从2 0 世纪5 0 年代开始。 i9 5 2 年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝士搅拌机， 进料容量为4 0 0 l 和1 0 0 0 l 。之后的近l o 年中，我国的产品仅限于已被淘汰的j g 型鼓 筒式搅拌机。1 9 6 0 年我国生产出第一批仿苏式搅拌楼。7 0 年代末至8 0 年代初，我 国为适应建筑业商品混凝士大规模发展的需要。在引进国外样机的基础上，有关 院所厂家陆续开发了新一代j z 型双锥自落式搅拌机、j d 型单卧轴强制式搅拌机。 其中，j s 型双卧轴搅拌机在8 0 年代初研制成功。由于吸取了国外的先进技术，虽 然起步晚，但发展比较迅速，在产品规格和生产数量上。都远远超过了其他机型。 8 0 年代末。我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备，研制出了1 0 第l 章引言 多种混凝土搅拌楼( 站，。“八五”期间，郑州水工机械厂与杭州机械设计研究 所合作研制开发出新一代4 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，又成功研制出4 x 4 5 ，特大型预拌混凝土搅拌站，生产率为3 2 0 m 3 h 。这些 大型搅拌楼( 站) 均应用于水利水电工程。本世纪初，福建南方路面机械有限公 司研究开发出新型j s 系列双卧轴搅拌机，可配置组成5 0 2 4 0 村h 混凝土搅拌站 ( 楼) ，特别适用于各种管桩、构件和城市商品混凝土的搅拌。目前具有代表 性的双卧轴搅拌机生产厂家除了南方路机还有韶关新宇、方圆集团、新筑路桥等， 其核心技术自己都认为已经成熟。 但是，与国外产品相比，国产混凝土搅拌设备还存在定的差距，主要表现 在质量、性能和技术先进性方面。表卜1 所示为b h s 公司的强制式搅拌机与大多数 国产设备在结构等方面的比较4 1 。 国产与b h s 强制式搅拌机的比较表卜l 项目b _ h s国产 整机设计采用蜗杆齿轮减速机，结构紧凑 采用摆线针轮减速剂，机构庞大 轴端密封与润滑弹性轴端面密封环，润滑油损耗少浮封环和迷宫式密封润滑油损耗火 搅拌轴 截面六边形，强度高截面正方形，强度较六边形羞 衬板 菱形，平均寿命2 6 0 0 万次 方形，平均寿命2 万罐次 搅拌臂特殊铸钢制造，流线型设计特殊铸钢制造非流线型设计 工作适应性适用于水电水利工程的各种骨料搅拌水工粗骨料容量须降格使用 价格昂贵。为国产机价格的2 3 倍便宜 1 - 2 2 搅拌设备发展趋势 在混凝土生产行业，先进的搅拌技术对于所生产混凝土的质量以及生产过程 中的经济效益都至关重要。现在，双卧轴搅拌技术在世界混凝士生产领域已经成 为主流。由于双卧轴搅拌技术具有诸多优点，因此双卧轴搅拌机已经成为生产混 凝土的主导设备“。 双卧轴搅拌机是单卧轴搅拌机的改进。比较单、双卧轴搅拌机的性能，不难 看出0 1 ： 搅拌效果方面：单卧轴搅拌机与自落式搅拌机的搅拌原理有些相似，其搅 拌轴( 叶片) 的旋转作用是将混凝土提高到一定高度，然后使其自由下落，完成 次搅拌过程。因此，单卧轴搅拌机在使用时，有效工作容积比理论设计容积小， 整机高度比双卧轴搅拌机大许多，在生产碾压混凝土时，单卧轴搅拌机的实际生 第l 章引言 产效率比额定生产效率低。双卧轴搅拌机的搅拌过程不仅发生在圆周方向上，而 且发生在轴线方向上。主拌和区位于搅拌体的圆周方向，在整个搅拌过程中，沿 此方向的能量值达到最大、因此可以充分利用搅拌空间，在搅拌叶片圆周速度较 低的情况下，使得骨料、水泥和水在较短的时间内达到较均匀的搅拌，取得较佳 的拌和效果。 耐磨性方面；双卧轴搅拌机的搅拌原理与过程保证了拌和混凝土大部分 被堆积在两个搅拌轴之间，使得搅拌臂和叶片与底部衬板之间的磨损降低。实践 证明，在非主拌和区仅有2 5 的叶片存在磨损现象，在主拌和区仅有轻微磨损， 双卧轴搅拌机衬板可以根据运行条件选用普通钢板或耐磨铸铁。由于搅拌叶片的 圆周速度较高和叶片的旋转轨迹等原因，单卧轴搅拌机的磨损较双卧轴搅拌机的 磨损大。因此，采用价格昂贵的特殊钢材，维修成本提高。 卸料方面：单卧轴搅拌机由于系统结构的限制，卸料门的开口尺寸难于调 节，这对于不同配比混凝土的卸料会有较大影响另外卸料门在关闭过程中易 被卡住，尤其在紧急关闭状态下，更容易出现问题，卸料门的封闭性差。由于双 卧轴搅拌机在完成搅拌时混凝土基本上被堆积在卸料门附近，因此卸料占用时间 短，由电气装置控制的卸料门，开口度可以调整，卸料门在关闭时不会被卡住。 在卸料过程中，叶片以低速度转动，有利于清除残留于搅拌筒内的混凝，可有 效避免盘式机卸料时的抛物现象。 负载启动方面：双卧轴搅拌机由于拌和臂较短容易在满载的条件下起动主 电机，在超常规的条件下也能够启动；单卧轴搅拌机也能够在负载状态下启动， 但满载启动时会对主机产生一定的不良影响。 将双卧轴搅拌机与其他一些类型的搅拌进行技术经济性能指标比较，列于表 l 一2 中。 几种混凝土搅拌枫的技术经济指标比较表i 一2 机型容量( m 3 )水灰比骨料最大粒径( m )能耗( k w m 3 ) 搅拌时间( s ) 自落倾翻式 1 o 60 5 z o 91 8 0 j1 4 6 0 1 8 0 白落烈锥式1 0 5 0 6 0 0 ，91 5 01 o 1 2 56 0 1 8 0 立轴涡桨式 0 5 4 。50 。4 2 0 77 0 3 。5 5 06 0 单卧轴强制式0 5 3 5 0 3 2 0 91 5 02 8 3 63 0 6 0 双卧轴强制式0 5 6 0 3 2 o 9 1 5 0 ( 1 8 0 ) 3 0 3 63 0 6 0 可以看出：卧轴强制式搅拌机较之立轴涡桨式和自落式搅拌机，具有明显的 第1 章引言 优越性。有试验表明3 ，采用双卧轴搅拌机要比立轴涡桨式搅拌机降低能耗2 0 ， 减少水泥用量5 0 k g m 3 。此外，德国卡尔斯鲁厄市工程力学研究所对自落式、立轴 涡桨式、双卧轴式等各类搅拌机进行了试验比较，结果也表明双卧轴搅拌机在被 试验的搅拌机中指标最佳，混凝土离差系数最小，搅拌时间最短。 通过对比，可知双卧轴强制式搅拌机具有如下优点和不足： 搅拌机外形尺寸小、高度低、布置紧凑，装载运输便利，而且结构合理坚 固，工作可靠性好； 搅拌机容量大，效率高，与同容量自落式相比，搅拌时间可缩短一半以上， 而且物料运动区域位于卸料门上方，卸料时间也比其他机型短，因而生产率高； 拌简直径比同容量立轴式小，搅拌轴转速与立轴式基本相同，但叶片线速 度要比立轴式小一半，因此叶片和衬板磨损小、使用寿命长，并且物料不易离析： 混凝士适应范围广，而且物料运动区域相对集中于两轴之间，物料行程短， 挤压作用充分，频次高，因而搅拌质量好。 不足之处是结构复杂，制造成本偏高。 总体看来，双卧轴搅拌机以其显著的特点和优势被广泛地应用于各种混凝土 工程。无论是在混凝土路面施工中，还是在水利水电工程中；无论是作为施工现 场独立使用的单机，还是作为混凝土搅拌楼( 站) 的配套主机，都得到了很好的 应用，是搅拌设备的主导机型。 1 3 国内外卧轴搅拌机技术研究现状 对搅拌设备来说，搅拌机构是核心装置，混凝土搅拌质量的好坏，搅拌机生 产率的高低以及使用维修费用的多少都与它有关，因此，国内外对卧轴搅拌机技 术进行了比较广泛、深入的研究。 1 3 1 国外研究情况 国外对卧轴搅拌机技术的研究起因于对沥青混和料拌和抽样和方法准确度的 分析“，由于试验中采用一些实验室的l t 间歇式卧轴强制搅拌器，抽取的样品测 试数据显示了在搅拌器的一种设计与另一种设计之间，由于桨叶的排列方式不同， 有可能成为造成混合料均匀度的明显差别的主要原因。于是研究人员分析认为： 所用的双轴桨叶式搅拌器中，材料的主要运动是一种在与轴垂直的平面内，围绕 着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的部位，材料在一根轴之间的区域内 第l 章引言 优越性。有试验表明“，采用双卧轴搅拌机要比立轴涡桨式搅拌机降低能耗2 0 。 减少水泥用量5 0 k g m 。此外，德国卡尔斯鲁厄市工程力学研究所对自落式、立轴 涡桨式、双卧轴式等各类搅拌机进行了试验比较，结果也表明双卧轴搅拌机在被 试验的搅拌机中指标最佳，混凝土离差系数最小，搅拌时间最短。 通过对比，可知双卧轴强制式搅拌机具有如下优点和不足： 搅拌机外形尺寸小、高度低、布置紧凑，装载运输便利，而且结构合理峄 固工作可靠性好； 搅拌机容量大，效率高，与同容量自落式相比，搅拌时间可缩短一半以上， 而且物料运动区域位于卸料门上方，卸料时间也比其他机型短。因而生产率高： 拌简直径比同容量立轴式小，搅拌轴转速与立轴式基本相同，但叶片线速 度要比立轴式小一半，固此叶片和村板磨损小、使用寿命长，并且物料不易离析： 混凝土适应范围广，而且物料运动区域相对集中于两轴之间。物料行程短， 挤压作用充分，频次高，因而搅拌质量好。 不足之处是结构复杂，制造成本偏高。 总体看来。双卧轴搅拌机以其显著的特点和优势被广泛地应用于各种混凝土 工程。无论是在混凝土路面施工中，还是在水利水电工程中：无论是作力施工现 场独立使用的单机还是作为混凝土搅拌楼( 站) 的配套主机，都得到了很好的 应用，是搅拌设备的主导机型。 13 国内外卧轴搅拌机技术研究现状 对搅拌设备来说，搅拌机构是核心装置，混凝土搅拌质量的好坏，搅拌机生 产率的高低以及使用维修费用的多少都与它有关，因此，国内外对卧轴搅拌机技 术进行了比较广泛、深入的研究。 1 3 1 国外研究情况 国外对卧轴搅拌机技术的研究起因于对沥青混和料拌和抽样和方法准确度的 分析”“，由于试验中采用一些实验室的l t 间歇式卧轴强制搅拌器，抽取的样品测 试数据显示了在搅拌器的一种设计与另一种设计之间，由于桨叶的排列方式不同， 有可能成为造成混合料均匀度的明显差别的主要原因。于是研究人员分析认为： 所用的双轴桨叶式搅拌器中，材料的主要运动是一种在与轴垂直的平面内，围绕 着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的部位，材料在一根轴之问的区域内 着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的部位，材料在一根轴之间的区域内 第1 章引言 相互交换着，材料的辅助运动是与两根轴平行的，从搅拌轴的个旋转平面到另 一旋转平面。在用来构成辅助运动方面，不同设计方案的搅拌器，变化是很广泛 的。混合料在两根轴之间的区域内运动是不规则的，但是在轴的两侧，物料则围 绕着搅拌器内壁在水平面内作某种循环运动，运动的程度都会受到桨叶端面与它 们移动方向的夹角的影响。 为了找到在搅拌器其它设计特点保持不变的情况下，由于改变桨叶端面的角 度和安装方式而产生的不同方案的辅助运动，以及对被搅拌的混和料均匀度的影 响程度，研究人员制造了一套带有可调桨叶的特殊桨臂。通过夹紧作用，将桨叶 紧固到桨臂的圆柱部分，并可按任意角度调整，而且可按右旋或左旋螺距来安装 于搅拌轴上。在一些搅拌器中，将垂直于它们移动方向的平面桨叶，向左和向右 交替地转一定角度，使这些桨叶的排列方式不是按照产生一种有规则的辅助运动， 所以在搅拌器内材料的输送不是始终如一地从一端到另端。使物料能够由轴的 两端向中心运动。物料向中心堆积，有一些物料则从堆积料的顶端溢出，再从两 端返回，那里物料的水平面要低得多。在另外一些搅拌器中，桨叶的排列可使物 料产生有规则的辅助运动。一根轴上的所有桨叶端面都使物料朝一个方向运动， 而另一根轴上的所有桨叶端面部使物料朝相反的方向运动。 在桨叶相对于搅拌轴不同的倾斜角度情况下，分别采用两种桨叶排列方式进 行试验：将所有桨叶调至使物料向搅拌器的中心运动：将一根轴上的所有 桨叶都安装成使物料向右运动，而另一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向左运 动，以便能使物料在平面内围绕着搅拌器产生顺时针方向的循环或旋转运动。这 两种排列方式被称为“向心”方式和“旋转”方式。试验按1 8 批物料作为个系 列来进行，它覆盖的变化因素包括：三种桨叶角度( 1 5 。、3 0 。和4 5 。) 、两种 桨叶排列方式和三种搅拌时间( 1 m i n 、2 m j n 和4 m i n ) 。获得拌和匀质性分析的样 品总数为2 1 3 个。分别计算出每批混和料样品中粘结料的百分比标准离差和通过 1 8 筛子以及2 0 0 筛子的物料百分比标准离差，将标准离差转换为离差系数，以 便提供不同混和料之间合理有效的比较。 研究采用按比例定量配料和向搅拌器加示踪材料的方法，发现了不同桨叶排 列方式和桨叶角度对混合料均匀度的主要影响归纳如下：评价搅拌器效果的所 有三种方法：粘结料和细料含量的般变化规律、沿着搅拌器长度的有规则变化 和示踪材料的分布，都证明了桨叶的旋转排列方式比向心排列方式更能使粘结料 和骨料产生均匀的搅拌。在桨叶采用旋转排列方式的情况下，3 0 。和4 5 。的 桨叶安装角度比1 5 。更能使粘结料分市均匀。而在3 0 。t 1 4 5 。的安装角度之间， 第1 章引言 则没有显示出明显的差别。当采用桨叶的旋转排列方式时，搅拌i m i n 后已基本 达到均匀度要求。在更长的搅拌时间里，均匀度没有明显的差别。而采用向心排 列方式，则要花费4 m i n 才能够达到类似的均匀度。 虽然在这项比较试验中，桨叶在不同角度下的磨损情况没有进行比较，但研 究人员发现：在被试验的搅拌器中，利用更换桨叶安装方式对搅拌效果进行比较， 一个良好的搅拌作用是由与轴线成3 0 。以上夹角的桨叶通过这样的排列方式提 供的：此时一根轴上的所有桨叶驱使材料向搅拌器的一端移动，而另一根轴上的 所有桨叶则驱使材料向搅拌器的相反一端移动，并在水平面内产生某种旋转运动。 2 0 世纪末，美国、日本等国家对卧轴搅拌机研究比较深入“3 “1 ，取得了大量 专利技术“5 。”1 。出于知识产权的保护，有关卧轴搅拌机的研究方法、过程和关键 技术的资料与数据公开发表的比较少，大都隐含在他们的产品性能指标说明书中。 到了2 1 世纪，制造出世界上最大的搅拌机m s 0 9 0 0 0 型搅拌机的意大利西 门( s i i e n ) 公司，研制出的m s o 系列双卧轴搅拌机的轴端密封装置拥有世界专利， 所采用的连续式润滑密封系统被证明是目前最有效的。所设计的搅拌臂厚实坚固， 能适应搅拌各种混凝土骨料，最大骨料粒径可达1 8 0 r a m ，并且可以完成从零坍落 度到高坍落度的各种混凝土的搅拌，在3 0 s 内混凝土搅拌均匀度可达9 5 以上， 达到我国的标准要求和德国工业标准d i n l 0 4 5 的规定。而且搅拌臂位置可以随意 调整，搅拌臂之间的夹角可根据骨料的大小进行排列。在搅拌标准混凝土时，搅 拌臂安装成9 0 度，搅拌细料时安装成4 5 度，搅拌大骨料时可呈1 8 0 度。搅拌叶 片与搅拌臂用螺栓与主轴联接，维修与更换方便快捷，为了便于磨损后的调整和 更换，每组搅拌叶片均能方便地在受力磨损方向上伸缩以调整叶片与拌筒内壁之 间隙。m s o 系列双卧轴搅拌机的拌筒尺寸较同类产品略长而低“”。 1 3 2 国内研究情况 双卧轴强制式搅拌机是在单轴的基础上经过改进得来的，国内对于双卧轴搅 拌机技术的研究应追溯到对单轴强制式搅拌机的研究。 2 0 世纪9 0 年代初，哈尔滨建筑工程学院的李良、孙福玉和顾迪民认为强制 式混凝土搅拌机叶片比阻力是搅拌机设计中的一个重要数据，对不同筒径、不同 角度的叶片，其比阻力如何确定缺乏试验依据。因此分析了强制式混凝土搅拌机 叶片比阻力的影响因素：混凝土的物料参数和搅拌装置的结构参数，利用因次分 析原理和模型试验手段，主要研究了不同筒径下，叶片比阻力随叶片角度螺 第1 章引言 旋角( 叶片母面与搅拌轴轴线的夹角，或称为安装角) 、拌和角( 叶片前面与拌 和面间的夹角) 的变化关系，建立了计算比阻力和搅拌机功率的经验公式。提出 了叶片合理的设计角度。研究表明：在螺旋角一定的情况下，降低拌和角，即给 以一定的前角( 拌和角的9 0 。余角) ，可使叶片比阻力下降。前角约2 0 。时， 比阻力最低：而前角一定时，又以螺旋角5 l o 时比阻力最低，所以，得到叶片以 5 l 。螺旋角和2 0 。前角安装为宜，认为，只要保证叶片有通常的搅拌面积，在标 准规定的搅拌时间内，完全能保证其均匀度“。 9 0 年代中期，吉林市工程机械厂的洪玉坤认为，搅拌铲臂的合理排列及安装 是影响水泥混凝土搅拌机使用性能的一个不可忽略的重要因素，对双卧轴搅拌机 显得尤为突出。安装在铲臂上的铲片与搅拌轴成4 5 。角，物料在拌筒内的运动是 圆周上的段弧形运动和轴向运动的合成，从而使物料得到充分的搅拌，但是如 果铲臂排列不当，无论有多少组铲臂参与搅拌，都会造成单位时间罩搅拌物料次 数的相对减少，因此，不论双卧轴搅拌机有多大规格和型号，铲臂的合理科学安 装都有其不可忽视的技术和经济价值，铲臂只有在搅拌轴上恰当地排列，才能取 得最佳的技术状态，充分发挥搅拌机械的使用性能。1 。 9 0 年代末，建设部长沙建筑机械研究院的符忠轩为了揭示采用单卧轴强制搅 拌机构工作原理的混凝土泵时片的搅拌效果，也认为混凝土泵搅拌时片的布置合 理与否，直接影响着混凝土泵的吸料性能甚至泵送性能，发现当时几乎所有的闸 板阀搅拌叶片的布置形式使叶片对搅拌物料仅仅起到搅动作用，根本没有使搅拌 物料形成轴向对流作用和向吸料口喂料功能，甚至对吸料还形成阻碍，而且还容 易产生搅拌阻力矩的脉动，导致搅拌液压系统的冲击。因此分析了混凝土泵搅拌 叶片的布置形式对混凝土泵吸料性能的影响，设计了合理的闸板阀泵和s 阀泵不 同搅拌叶片的布置形式；使这些布置形式有利于提高混凝土泵的吸料性能”“。稍 后几年，南京建筑工程学院的夏海南、江苏省建筑机械厂的王继强以及中国建筑 科学研究院的马英俊采用液压驱动对j d y 7 0 型单卧轴强制式搅拌机的总体参数及 其主要系统进行了设计，使其用于野外流动性较大的现场维修工程。“。 本世纪初，华东建筑机械厂的李超、陈札祥认为：对于获得理想的搅拌效果， 混凝土的搅拌时间，搅拌轴的转速，搅拌叶片的线速度，呈不连续螺旋状排列的 叶片所构成的近似螺旋升角，搅拌功率，简体的容积和长宽比等参数十分重要”。 因此，对双卧轴混凝土搅拌机的这些主要参数进行了设计计算。同时他们分析认 为：适当提高搅拌轴转速和增加搅拌时间，可以改善混凝土的搅拌质量，但转速 过高，线速度过大，能耗和衬板、叶片之间的磨损将增大：转速过低，则必须延 第1 章引言 长搅拌时间，生产率将受影响。为了提高混凝土生产的经济效益，必须选择合理 的搅拌时间、搅拌轴转速和叶片的线速度，这些参数又为选择搅拌功率提供了主 要依据。此外，搅拌筒体的容积、长宽比以及近似螺旋升角的取值对混凝土搅拌 效果也同样十分重要。在对这些参数进行计算时分别采用了如下理论依据或者国 外推荐值： 对搅拌轴的转速计算按自落式搅拌原理分析并推导理论转速，混凝土在外 力和自重的作用下。受力交替变化，产生着强制和自落相迭加的搅拌运动。双卧 轴搅拌机按自落式搅拌原理所推得的理想转速的条件，必须是在该转速下混凝土 元的径向下滑力大于( 或等于) 该混凝土元的离心力与摩擦力之和。 在假定混凝土物料在某叶片上的单位阻力系数为常数，按螺旋方式排列的 若干搅拌叶片看作近似的螺旋叶片，假定混凝土与叶片的压力是作用在螺旋叶片 平均半径的螺旋线上，将螺旋叶片中的摩擦、效率问题视为斜面摩擦和效率问题。 同时考虑混凝土本身对钢板摩擦角的影响以及满足混凝土内部剪切角的要求，螺 旋升角的可选范围是3 3 7 。3 9 69 。为使双卧轴搅拌机获得较好的搅拌质量， 应选择较为合理的螺旋升角。混凝土的级配，特别是水灰比，对混凝土物料之间 的内部剪切力起着关键的作用，是选取螺旋升角的主要依据。如果取值过小，则 混凝土之间相对剪切运动较弱，达不到预期的搅拌效果。反之，混凝土之间相对 剪切运动过大，使驱动力增大，同时降低效率。通常所选取螺旋线中径位置上的 螺旋升角，以3 4 。最为理想，因为搅拌叶片有一定高度，故叶片内径处的螺旋升 角将大于上径处的螺旋升角。 搅拌功率精确的理论计算是非常困难的，因为搅拌过程中各种参数的变动 范围较广，搅拌运动也十分复杂。在假定搅拌过程中叶片上的运动阻力与其投影 面积成正比，同时在转速不变的条件下，搅拌轴上所消耗的功率与搅拌叶片的中 径叶片高度、螺旋升角的正切值及叶片的立面展开角成正比，与机械的传动效率 成反比，可以估算功率。此外，在搅拌轴运行过程中，叶片的外径，与简体的内 径之间、端面刮板与拌筒端面之间的卡料现象是经常发生的，所以功率估算时必 须引入电动机的容量储备系数，然后选用标准系列的电动机。 双卧轴搅拌机的简体呈两个相连韵圆槽形，根据国外资料荐用：简体容积 与公称容积( 搅拌机一次出料的混凝土体积) 之比1 9 2 3 、筒体长宽比1 0 5 i 2 、宽径比1 7 1 8 拌简宽度与搅拌轴距比取2 2 2 3 。 近几年，我国福建南方路面机械有限公司研究开发的j s 系列搅拌主机工作 第1 章引言 时，搅拌轴相向转动，在搅拌臂与叶片的作用下，使物料呈环形运动，同时在搅 拌臂的剪切作用下，较短时间内可达到充分拌和的目的，为了适应不同的工况和 骨料粒径的要求，搅拌臂可在轴上做6 0 。、9 0 。、1 2 0 。和1 8 0 。的排列。搅拌 臂与搅拌叶片均由螺栓联接，维修与更换方便快捷。为了便于磨损后的调整与更 换，每组搅拌叶片能方便地在受力磨损方向上调整。 从国内外对卧轴搅拌机技术的研究情况来看，双卧轴搅拌机结构参数的选取 对混合料的搅拌效果、搅拌机的功率消耗等方面影响很大。 1 4 搅拌装置参数优化的研究现状 为了提高混凝土的搅拌质量和效率，全面提升混凝土搅拌设备的工作性能 并使混凝土的搅拌质量与拌和设备效率相统一，搅拌装置参数的优化问题成为搅 拌技术的研究重点。 14 1 搅拌参数优化研究的进展 在2 0 世纪8 0 年代末，上海染料化工十厂的王咸梁对当时最先应用于化工业 的搅拌器。通过基本假设进行了搅拌场的模拟放大及其最优化的初步探索”。研 究认为：搅拌中的功率消耗是衡量搅拌场经济效益和能源消耗的直接指标，能寻 找一种以中型试验模型或在生产上已确定相对最佳模型放大到所需要规模设备， 即模拟放大及其最优化问题是很实用且有实际意义的。因此，研究者应用相似理 论和因次分析法对搅拌场进行了技术经济分析。提出了常用的以单位体积平均消 耗功率作为模拟放大基准，只有在放大倍数较小时才是可行的，当放大倍数较大 时，仍以其作为模拟放大基准是不经济的。主张在相同的层流区内，以搅拌器的 圆周线速度作为模拟放大的基准，以提高搅拌场的经济效益是可行的。对于不同 的搅拌目的选择不同的搅拌场，模拟放大基准的选取应作具体的技术经济分析。 9 0 年代初，由于德国e l b a 公司首先研制开发的单卧轴混凝土搅拌机因为具 有搅拌质量好，搅拌周期短、生产效率