（机械设计及理论专业论文）智能化高效优质混凝土搅拌机的参数优化研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 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的地位。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。双卧 轴搅拌机是目前搅拌机的主流机型，有着尺寸小、容量大、结构合理、适用范围 广、搅拌质量好、效率高等优点。由于搅拌过程的复杂性，关于搅拌装置参数的 设计，一直以来国内外多通过试验研究或以往实际工作经验作为设计依据，缺乏 应有的理论支持，就使产品设计周期长，技术革新慢。本文通过对搅拌机的主要 参数进行理论分析，结合流体仿真软件模拟和已有的试验，对搅拌机的参数优化 进行研究。为同类搅拌机型的设计提供理论依据和技术支持。 论文首先分析搅拌过程中介质的运动状态，得出搅拌参数优化的目标关系式。 介绍了搅拌机搅拌性能的判断标准：由其搅拌出的混凝土拌和物的质量来进行判 断。 其次论文对双卧轴搅拌机的几个主要参数分别进行了理论分析与软件模拟。 主要包括：搅拌机转速、叶片安装角、搅拌臂数目、拌筒长宽比和搅拌臂排列。 在确定搅拌机合理转速时，对搅拌叶片上的物料单元分阶段进行理论分析。 当物料单元处于自落状态时，通过力平衡分析，得出已知机型的合理转速范围为 小于1 5 3 m s ，极限情况可达1 7 2 m s ；当物料处于挤压状态时，利用流体力学的动 量方程，得出普通混凝土粗骨料粒径多种尺寸下的最小转速。综合两种情况得出 该机型合理转速范围为0 9 0 6 3 1 7 2 m s 。 分析叶片安装角时，对叶片上的物料进行运动学分析，结合工程流体力学相 关知识，求得物料轴向和径向的速度表达式；分析获得较好搅拌效果时物料的运 动特点，得出物料的合理运动轨迹投影区域；根据不同拌筒的长宽比，求得对应 叶片合理安装角的取值范围：宽短型叶片安装角取值范围在2 9 1 4 2 - 3 2 8 6 5 0 ； 窄长型叶片安装角q 取值范围在4 2 1 6 8 。左右。然后对单个叶片及其上物料进行运 动学分析，代入不同的搅拌臂数目值，根据计算得出的数据进一步验证了理论分 析叶片安装角的正确性。 确定搅拌臂数目时，通过对搅拌叶片上的物料进行运动学分析，结合工程流 体力学相关知识，求得物料轴向和径向的速度表达式；分析单根搅拌轴推动物料 江苏大学硕士学位论文 运动一个轴向长度时所需旋转的角度，根据不同拌筒的长宽比，以及对旋转角度 的范围要求，得出不同单轴相位角时对应的搅拌臂数目；对双轴搅拌臂的不同排 列形式分别进行讨论，在满足搅拌臂及叶片布置的基本原则的基础上进行筛选， 最终得出合理的取值。 以节省制造材料为目标，计算得出长宽比在0 7 左右时所用材料最少，结合已 有试验得出合理长宽比取值范围在0 7 1 3 。通过对物料流及搅拌臂排列的分析， 得出搅拌臂围流排列、双轴相位正正交错布置较为合理。 最后，综合理论分析优化后各参数的取值范围，得出理论上的最佳参数组合。 本文的研究不仅是对现有的搅拌装置参数设计的深入讨论，更是进一步的设 计创新，为以后同类搅拌设备的设计及相关参数的取值提供了重要参考。 关键词：双卧轴搅拌机；搅拌机转速；叶片安装角；搅拌臂数目 江苏大学硕士学位论文 a st h eb a s i cb u i l d i n gm a t e r i a l ，t h ec o n c r e t ei su s e dw i d e l yi ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ， t r a n s p o r t a t i o n ，d e f e n s e ，w a t e rc o n s e r v a n c y , m u n i c i p a la n dc i v i la p p l i c a t i o ne t c ，a n di s p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y c o n c r e t em i x i n gi st h ek e yp r o c e s s i n t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，r e l a t e dt ot h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ec o n c r e t e p r o d u c t i o nd i r e c t l y t w i n s h a f tm i x e ri st h em i x e r o ft h em a i n s t r e a mm o d e l s i th a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l a r g ec a p a c i t y , r e a s o n a b l es t r u c t u r e ，w i d ea p p l i c a t i o nr a n g e ， b e t t e rm i x i n gq u a l i t y , h i g h e re f f i c i e n c ya n ds oo n a st h ec o m p l e x i t yo ft h em i x i n g p r o c e s s ，t h ep a r a m e t e r sd e s i g no ft h em i x i n gd e v i c eh a sb e e ns t u d i e db ye x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dw o r k i n ge x p e r i e n c ea sad e s i g nb a s i sa th o m ea n da b r o a d s oi tl e a d st ol o n g d e s i g np e r i o da n ds l o wt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o nb e c a u s eo ft h el a c ko ft h et h e o r e t i c a l s u p p o r t t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h em a i np a r a m e t e r so fm i x e r , c o m b i n e d w i t ht h es i m u l a t i o no ff l u i ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h er e s u l t so fe x i s t i n ge x p e r i m e n t s ， t h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft w i n s h a f ti ss t u d i e di nt h i sp a p e ra n dp r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h es a m em o d e le n g i n e t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e dt h em o t i o ns t a t eo fm a t e r i a l si nt h ep r o c e s so fm i x i n ga n d t h et a r g e tr e l a t i o ne x p r e s s i o no ft h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nw a so b t a i n e d t h ec r i t e r i o n o fam i x e rm i x i n gp e r f o r m a n c ew a si n t r o d u c e d ：t oj u d g eb yt h eq u a l i t yo fc o n c r e t e m i x t u r e s s e c o n d l y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds o f t w a r es i m u l a t i o no ft h em a i np a r a m e t e r s w e r ec a r r i e do u ts e p a r a t e l y , m a i n l yi n c l u d i n g ：r o t a t i o ns p e e d ，t h es e t t i n ga n g l eo fm i x i n g b l a d e s ，t h en u m b e ro fm i x i n ga r m s ，m i x e r sl e n g t h w i d t hr a t i o a n dm i x i n ga r m s a r r a n g e m e n t t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h er a t i o n a lr o t a t i o ns p e e dd e t e r m i n a t i o ns h o u l db es t u d i e d b ys t a g e so nt h em a t e r i a l so nt h ev a n e b a s eo nt h ef o r c ee q u i l i b r i u ma n a l y s i so ft h e m a t e r i a l so nt h ev a n ei nf a l l i n gs t a t e ，t h i sp a p e re a n l et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h er a n g eo f t h er a t i o n a lr o t a t i o ns p e e do fk n o w nm a c h i n et y p es h o u l db el e s st h a n1 5 3 m s ，c o u l d r e a c h1 7 2 r n si nt h el i m i t i n ge a s e ；w h i l et h em a t e r i a l si nt h es t a t eo fs q u e e z e ，b yu s i n g m o m e n t u me q u a t i o no fh y d r o d y n a m i c s ，t h em i n i m u mr o t a t i o ns p e e dc o r r e s p o n d i n gt o 江苏大学硕士学位论文 d i f f e r e n tc o a r s ea g g r e g a t es i z ew a so b t a i n e d i n t e g r a t i n gt h er e s u l t sa b o v e ，t h ep a p e r d r a wac o n c l u s i o nt h a tt h er a n g eo ft h er a t i o n a lr o t a t i o ns p e e do ft h i sm a c h i n et y p ew a s b e t w e e n0 9 0 6 3 m sa n d1 7 2 m s t h r o u g ht h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h em a t e r i a l so nt h ev a n e ，c o m b i n e dw i t h r e l a t e dk n o w l e d g eo fe n g i n e e r i n gf l u i dm e c h a n i c s ，t h es p e e de x p r e s s i o n si nt h ea x i a l a n dr a d i a ld i r e c t i o nw e r eo b t a i n e d ；a n a l y s i so nt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a t e r i a l sw h i c ha c q u i r e db e t t e rs t i r r i n ge f f e c t ，t h ep r o j e c t i o nr e g i o no fr a t i o n a lm a t e r i a l t r a j e c t o r yw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tm i x e r sl e n g t h - w i d t hr a t i o ，t h i sp a p e r c a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h er a n g eo ft h es e t t i n ga n g l eo fm i x i n gb l a d e sw e r ea s f o l l o w s ：t h er a n g eo ft h es e t t i n ga n g l eo fw i d t h s h o r tm i x i n gb l a d e sw a sb e t w e e n 2 9 1 4 2 。- 3 2 8 6 5 。；t h er a n g eo fs e t t i n ga n g l eo fn a r r o w - l e n g t hm i x i n gb l a d e sw a sa b o u t 4 2 1 6 8 。t h e nm a k i n gt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h em a t e r i a l so nas i n g l ev a n e ，t h e c o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h es e t t i n ga n g l eo fm i x i n gb l a d e sw a sf u r t h e r v e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ed a t ac a l c u l a t e db ys u b s t i t u t i o no fd i f f e r e n tn u m b e ro fm i x i n g a n n s w h e nt od e t e r m i n et h en u m b e ro ft h em i x i n ga r m s ，t h r o u g ht h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s o ft h em a t e r i a l so nt h ev a n e ，c o m b i n e dw i t hr e l a t e dk n o w l e d g eo fe n g i n e e r i n gf l u i d m e c h a n i c s ，t h es p e e de x p r e s s i o n si nt h ea x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o nw e r eo b t a i n e d ； a n a l y s i so nt h er o t a t i o na n g l eo ft h es i n g l em i x i n ga x i sw h i c hi m p e l st h em o v e m e n to f m a t e r i a l so n ea x i a ll e n g t ho ft h et r o u g h ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tm i x e r sl e n g t h - w i d t h r a t i oa n dt h er a n g er e q u i r e m e n t so ft h er o t a t i o na n g l e ，t h en u m b e ro ft h em i x i n ga r m s c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tp h a s ea n g l ew e r eo b t a i n e d ；r i g h tt oc o n s i d e rt h ed i f f e r e n t a r r a n g e m e n tf o r mo f t h et w i n s h a f tm i x i n ga r m s ，t h er e a s o n a b l er e s u l t sc a m eo u to nt h e b a s i so ft h ea r r a n g e m e n tp r i n c i p l eo ft h em i x i n ga r m sa n db l a d e se v e n t u a l l y a st h eg o a lo fs a v i n gm a n u f a c t u r i n gm a t e r i a l s ，t h i sp a p e rc a m et ot h ec o n c l u t i o n t h a tt h em i x e r sl e n g t h - w i d t hr a t i ow a sa b o u t0 7 t h er a n g eo ft h er e a s o n a b l em i x e r s l e n g t h - w i d t hr a t i o s h o u l d b eb e t w e e n0 7a n d1 3c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s t h r o u g h t h e a n a l y s i s o ft h em a t e r i a lf l o wa n dt h em i x i n ga r m s a r r a n g e m e n t ，t h i sp a p e r d r a wac o n c l u s i o nt h a tt h em i x i n ga l m ss u r r o u n d i n g , z h e n g - z h e n ga n d c r o s sa r r a n g e m e n tw e r em o r er e a s o n a b l e 江苏大学硕士学位论文 f i n a l l y , i n t e g r a t e d t h er a n g eo ft h ep a r a m e t e r sa n a l y z e d ，t h eb e s tp a r a m e t e r c o m b i n a t i o nw a so b t a i n e di nt h e o r y t h i ss t u d yi sn o to n l yaf u r t h e rd i s c u s s i o nu p o nt h ep a r a m e t e r sd e s i g no ft h e m i x i n gd e v i c e ，b u ta l s oaf u r t h e rd e s i g ni n n o v a t i o n a n di tp r o v i d e s a l li m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dt h ev a l u eo fr e l a t e dp a r a m e t e r so ft h es a m em o d e le n g i n e f o rt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t w i n - s h a f tm i x e r ：r o t a t i o ns p e e d ；t h es e t t i n ga n g l eo fm i x i n gb l a d e s ；t h e n u m b e ro fm i x i n ga r m s v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密z 学位论文作者签名：是鹭识a z 汐) 口年易月g 日 指导教师签名：圹小廖 沙7 ，年占月艿备 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 1 气 口p 盈q 日 卜他 够 绦 月 签 0 誊 年 作 矽 文 加 位 期 学 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源及研究目的 本课题来源于镇江市科技创新项目“大型智能化高效优质混凝土搅拌装备开 发及产业化”( 项目编号：g y 2 0 0 5 0 0 3 ) 。课题旨在对双卧轴搅拌机的主要参数进行 理论研究。双卧轴搅拌机虽然在我国发展迅速，使用广泛，但依然比较年轻，许 多设计方法还不成熟，尤其是搅拌机的核心部分搅拌机构的设计。国外厂家 大多根据大量的试验以及多年的实际经验作为设计依据。而国内厂家则多采用类 比的方法，照搬已有的设计，虽然结构雷同，但搅拌效果不好。另外，搅拌机的 参数设计多以大量试验结果为依据，从而导致设计周期长，严重影响产品的开发 和行业的技术进步。混凝土搅拌过程复杂，影响搅拌机构参数选择的因素也很多， 所以对混凝土搅拌装置最佳参数及其合理匹配关系的确定正是本课题研究的宗 匕 日o 1 1 2 混凝土搅拌概述 混凝土是当今世界最大宗的建筑材料之一，被广泛的应用于工业、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的 地位。混凝土是由凝胶材料将骨料( 又称集料) 胶结而成的固厂 体复合材料。根据凝胶材料的不同分为水泥混凝土和沥青混凝。 k 今 土等。通常所说的混凝土多指水泥混凝土。在建筑工程中水。蠢一圆。 泥混凝土用量最大，沥青混凝土多用于高速公路的路面材料。 ：k 。 水泥混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比搅拌混合而成。念对：， p 结构如图1 - 1 所示。大块代表石，黑点代表砂，空白处代表 图1 - 1 混凝土结构 水泥浆。水和水泥组成水泥浆，水泥浆包裹在砂的表面，并 f i g1 - 1t h e 填充于砂的空隙形成砂浆【2 】。砂浆又包裹在石子的表面，并 s t r u c t u r eo f c o n c r e t e 填充于石子的空隙。水泥浆和砂浆在混凝土中起到润滑砂、 石的作用，使得混凝土具有施工过程中要求的流动性。硬化后，又将砂、石牢固 地粘结成一个整体，使得混凝土达到具有一定强度这一重要性能。 江苏大学硕士学位论文 工程中使用的混凝土，一般要求具有和易性、高强度、耐久性、经济性等性 能。而这些性能则由混凝土的内部结构决定，通常体现在混凝土配比和搅拌均匀 程度上。混凝土配比设计合理且搅拌后分布均匀，混凝土质量就较高。而为了达 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，搅拌作为制备混凝 土最基本的方法，起着极为重要的作用。 水泥混凝土是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。从宏观结构来看，硬化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f 3 】【4 】。这种结构具有很高的剪切强度、粘性、弹性模量和内应力， 其中前两者是搅拌过程中阻力的主要来源。因此，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围时，即各组分在微观上也达到均匀分布时，混合 物的胶凝结构才最稳定，凝固后的混凝土才具有最大强度【5 】【6 】。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于【2 】： ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上的匀质； ( 2 ) 消除水泥颗粒团聚现象，使其各颗粒表面被水浸润，加快水泥水化作用， 提高活化性能，促使弥散现象的发展； ( 3 ) 破坏水泥颗粒表面的初始水化物薄膜包裹层；促使水泥颗粒与其他物料颗 粒的结合，形成理想的水化生成物： ( 4 )由于集料表面常覆盖一薄层灰尘及粘土，有碍界面结合层的形成，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的交叉频率，以加速达到 匀质化。 总之，搅拌作为混凝土生产制备工艺中关键的一道工序，它的优劣直接影响 着混凝土生产的质量和水平。随着商品混凝土的大力推广及建筑规模的大型化、 复杂化和高层化对混凝土质量不断提出的高要求，必然涉及到搅拌方法的改进、 搅拌设备的开发和相关理论的研究。 1 1 , 3 搅拌机理 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 2 江苏大学硕士学位论文 其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，混凝土各组分愈易混合均匀。混凝土混合料在搅拌过程中要达到均匀 混合的机理十分复杂，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通常描述为对流、扩散和剪切三类运动【7 】： 1 ) 对流运动 物料颗粒在大尺寸范围内的规则流动，称为对流运动。这种流动是一种宏观 上的匀质化，在搅拌过程中是最主要的，也是最基本的。可以直观地理解为，在 外力的直接作用下，物料各组分相对流动，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各自轨迹的不同，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。它所起的作用 可以保证混凝土使用的基本要求。 劲扩散运动 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，是一种亚微观上的局部混合。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，二是在不断的新生的混合 料表面上再分布。因此，能够增加单个粒子移动性的作用便能促进物料颗粒的扩 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问 的良好结合，达到亚微观上的均布。如果说对流运动能将混凝土在宏观上拌匀， 扩散运动则能使混凝土在亚微观上拌透。这种扩散运动可以大大改善混凝土的性 能。 3 ) 剪切运动 物料颗粒凝聚体沿着滑动面产生剪切变形的位移，称为剪切运动。在水泥混 凝土搅拌过程中，由于粒子群内不同组分的速度分布不同，各粒子间相互滑动或 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。水泥 与水接触后，由于水的表面张力大，水泥微粒附着性大，易团聚成小水泥球，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些团聚颗粒 的破碎、离散，保证水泥等粉状物料在混合物微观上的均匀分布。 混凝土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、扩散和剪切三种运动不可能在各自的区间内独立起作用，而是随着搅拌过程 3 江苏大学硕士学位论文 的进行同时出现。搅拌就是通过混合料中各物料之间的相互碰撞、对流和扩散， 从而促进物料颗粒，特别是水泥颗粒的弥散分布，充分包裹骨料表面，达到混凝 土宏观和微观上的匀质【8 _ 埘。 1 2国内外搅拌机研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 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。形状的 改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，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，亚洲大陆的日本开始使用搅拌机生产预 拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用 为主。 自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。自落式搅 拌机工作原理如图1 2 所示。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，从而使得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。按拌筒形状和卸料方式 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 1 】。 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。 因此，强制式搅拌机在这样的一个背景下产生了。强制式搅拌机是在自落式 4 江苏大学硕士学位论文 搅拌机之后发明的，与自落式搅拌机不同，它不是主要通过重力作用进行搅拌， 而是借助旋转的叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和揉搓等强制作用，使物料在 剧烈的相对运动中得到均匀搅拌。强制式搅拌机工作原理如图1 3 所示。与自落式 相比，该机型产品整机设计结构合理，搅拌作用强烈，搅拌质量好，效率高，布 局新颖，使用维修方便，适用于搅拌干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、 轻骨料混凝土以及各种灰浆、砂浆等，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，这类机型主要有：涡桨式搅拌机、单卧轴搅拌机、 双卧轴搅拌机、行星式( 固定和转盘行星式) 搅拌机等( 1 2 】。 图1 2自落式搅拌机工作原理示意图图1 3 强制式搅拌机工作原理示意图 f i g1 - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fs e t t i n gt y p em i x e rf i g1 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo ff o r c i n gt y p em i x e r 我国混凝土搅拌设备的生产从2 0 世纪5 0 年代开始。1 9 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土搅拌机，进料容量为4 0 0 l 和1 0 0 0 l 。 之后的近1 0 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 凝土大规模发展的需要，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 多种混凝土搅拌楼 值) 。“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 x 3 m 3 大型预拌混凝土搅拌楼，生产率为2 4 0m 3 h 。“九五”期间，又成功研制出 4 x 4 5 m 3 特大型预拌混凝土搅拌站，生产率为3 2 0m 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 0m 3 h 混凝土搅拌站( 楼) ，特别适用于各种管 5 江苏大学硕士学位论文 桩、构件和城市商品混凝土的搅拌【1 】a 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一定的差距，主要表 现在质量、性能和技术的先进性方面【1 3 】。 1 2 2 搅拌设备发展趋势 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，自落式搅拌机己不符合国家的有关标准， 属于淘汰产品。而强制式搅拌机由于其明显的优点而越来越被广泛的使用。强制 式搅拌机型主要有：涡桨式搅拌机、单卧轴搅拌机、双卧轴搅拌机、行星式( 固定和 转盘行星式脱拌机等【1 4 1 。 涡桨式搅拌机是以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， 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白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【1 5 】。 ( a )定盘式 ( a ) 丘x e dp a ni l l i x g i ( b )转盘式 ( b ) r o t a t i n gp a nm i x e r 图1 4 立轴双行星式搅拌机工作原理示意图 f i g1 - 4w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev e r t i c a ls h a f td o u b l e - p l a n e tm i x e r 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 6 江苏走学硕士学位论文 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 规模化发展和应用吼 双轴式混凝土搅拌机又称双卧轴搅拌机，是本文研究的搅拌机机型，它与单 卧轴搅拌机一样也是一种新型的搅拌机，搅拌效果好、衬板磨损小，适用于制成 大容量的搅拌机。这种形式的搅拌机主要由水平安置的两个相连的圆槽形拌筒， 两根按相反方向转动的搅拌轴和传动机构等组成，在两根水平轴的圆周方向安装 了若干组呈螺旋形排列的搅拌叶片，两根水平轴上的搅拌叶片前后上下都错开一 定的空间，从而使拌和料在两个拌筒内轮番得到搅拌。搅拌叶片一方面将拌筒底 部和中间的拌和料向上翻动，另一方面叉将拌和料沿轴向推挤形成交叉料流，加 上安装在搅拌轴端的强力推压叶片使拌和料经强烈搅拌后变成匀质混凝土【1 6 1 【1 1 。 对于某一运动着的微小的物料可 以看作某一运动单元，而该单元在搅拌 过程中有着复杂的运动轨迹，在摩擦 力、挤压力、剪切力、惯性力的作用下 作不规则的运动，当该单元由叶片带到 上部时，则由挤紧状态松脱出来产生一 个分散抛落的过程，犹如自落式搅拌过 程。当该单元在搅拌叶片作用 图1 5 一种职卧轴搅拌装置工作时的物料运动示意图 下向下运动时，则将受到挤压 f i 9 1 - 5 m a t e r i a l m o v e m e n t i na t w i n - s h a f t m i x e r 力和摩擦力的作用，既有大的 流动，又有小范围的挤散和重新组合，犹如强制式搅拌过程。此外，双卧轴搅拌 机在旋转一周的过程中，两根搅拌轴带动叶片所掀起的交叉料流形成了强烈的搅 拌运动。图1 5 是一种双卧轴搅拌装置工作时的物料运动示意图。 在混凝土生产行业中，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土生产领域已经 成为主流。由于双卧轴搅拌技术具有诸多优点，因此双卧轴搅拌机己经成为生产 混凝土的主导设备。 江苏大学硕士学位论文 通过对比，可知双卧轴强制式搅拌机具有以下的优点和不足【1 9 】： 1 ) 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； 2 ) 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； 3 ) 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； 4 ) 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的应用于各种混凝土 工程中。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 本课题主要研究内容和研究方法 为了充分发挥双卧轴搅拌机的搅拌效果，提高其搅拌效率，本文对双卧轴搅 拌机参数优化及其试验研究提出以下研究内容： ( 1 ) 搅拌过程分析及搅拌后混凝土拌和物质量的判定； ( 2 ) 搅拌机主要参数的理论研究( 包括合理转速分析、叶片安装角的确定、 拌筒长宽比、搅拌臂排列及搅拌臂数目的确定) ： ( 3 ) 应用f l u e n t 软件模拟各参数情况下拌筒中的流场情况，为参数优化 和参数合理匹配提供依据。 为了达到优化搅拌机各参数的目的，本文采用了理论分析与软件模拟分析相 结合的方法，配合已有试验的基础上确定关键参数的取值范围及最佳组合。一方 面通过分析搅拌过程的特点及混凝土的流变特性，对双卧轴搅拌机各个参数进行 理论分析，得出合理的取值范围；另一方面将理论分析得出的合理取值带入软件 中进行模拟比较。最后结合已有的试验结果，分析个别参数理论与试验有差距的 原因，确定最优的双卧轴搅拌机主要参数。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章混凝土搅拌过程分析及质量评定 2 1 混凝土搅拌过程分析 搅拌过程是搅拌装置与介质相互作用的过程。混凝土搅拌过程中，干燥的砂、 骨料、水泥和水混合后，物料的状态和性质都发生了变化，形成凝胶结构，物料 各组分间既发生物理变化，同时又存在着化学变化；无论宏观上，还是微观上， 物料既发生了量的变化，又发生了质的变化，这种变化既可看成随机的“生灭”过程， 又可以认为是确定的，有一定规律的，因此搅拌过程极其复杂，很难将其定量化， 虽然国内外学者做了不少工作，但都未取得令人信服的应用结果，因此也成为工 程界遗留的难题之一。 但是为了实现混凝土的均匀拌和，就必须研究搅拌过程中物料的运动规律， 分析搅拌机构与物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 1 所示的混凝土均匀度与搅拌时间的关系曲线来定性描述【捌。 物料搅拌初级阶段的拌和主要是靠物料的循环流动来实现( i 段) ，此时的搅拌 过程是在宏观水平下进行的，组分间的 相界面小，各组分间的扩散现象不明 显，分离现象的影响也较小，搅拌过程 的发展速度主要取决于拌筒中物料的均 运动特点。t k 时刻起各组分在拌筒内的匀 窿 扩散分布加快，循环流动和扩散运动在佻 搅拌过程中起的作用趋于相近。此时， 各组份己在微观水平上进行，并且从某 一时刻起扩散运动起主要作用( i i 段) ， 与此同时，粘结在一起的各组分离析的 过程也加快。搅拌与离析这两种相反的 过程从某时刻t m 起基本上达到动态平 o缸tmt 图2 - 1 混凝土均匀度与搅拌时间的关系