（机械设计及理论专业论文）双卧轴搅拌机工作装置的试验研究.pdf

摘要 本文在对双卧轴搅拌机工作装置参数理论分析的基础上，设计了试验样机。 应用证交试验设计的方法，对工作装嚣参数进行了综合优化。提出了通过优化双 轴搅拌臂排列形式，在加快物料大循环频次的同时增强小循环作用强度来完善搅 拌过程的新思路：给出了搅拌臂非连续排列的调整原则；并与普通强制式搅拌机、 双叶片搅拌机、振动搅拌机进行了对比研究。 结果表明：比较完善的搅拌过程，物料的位穆必须由良好配合的轴向大循环 和轴间小循环运动来共同完成：拌简长宽比应小于1 ：逆流相位差应大于单轴相 位角：搅拌臂排列推荐采用正f 交错排列和正正平行非连续排列；叶片线速度在 1 5 1 6 m s 范围取值时，搅拌质量较好；单轴搅拌臂宜采用较小的相位角，推 荐值为6 0 0 ：叶片安装角为3 5 0 时具有较好的搅拌效果。 经过优化的工作装置搅拌质量好，能耗小，同时机构简单，便于产业化。 关键词：双卧轴搅拌机：正交试验设计：大f 目环：小循环；非连续排列 参数优化 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i so ft h ew o r k i n gd e v i c e sp a r a m e t e r sa b o u tt h e t w i n - s h a f tm i x e r ，t h ep a p e rd e s i g n e dat w i n - s h a f tm i x e rf o rt e s tr e s e a r c h t h em i x e r s w o r k i n gd e v i c ew a so p t i m i z e ds y n t h e t i c a l l yb ym e a n so fo r t h o g o n a lt e s td e s i g n s t h e p a p e rp r o p o s e dan e wi d e at oi m p r o v em i x i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sa c c e l e r a t i n g a x i a lc i r c u l a t i o na l o n gt h es h a f t sa n ds t r e n g t h e n i n ga d v e r s ec i r c u l a t i o n sa m o n gt h e t w os h a f t s a tt h es a m et i m e ，i tp u tf o r w a r d st h ed i s s u c c e s s i v ea r r a n g e m e n t s p r i n c i p l e so fm i x i n gb l a d e s t h em i x e ri nt h i sp a p e rw a sc o m p a r e dw i mt h ef o r c e d a c t i o nm i x e r 。d o u b l em i x i n g - b l a d e sm i x e ra n d v i b r a t i n gm i x e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp e r f e c tm i x i n gp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t es h o u l db e a c c o m p l i s h e db yp r o p e rc o o p e r a t i o no fa 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 l e n g t h - w i d e nr a t i oo fm i x i n gt r o u g hs h o u l db et e s st h a n1 p h a s ea n g l eo fa d v e r s e c i r c u l a t i o ns h o u l db el a r g e rt h a nm i x i n ga r m sp h a s ea n g l eo i lt h es i n g l es h a f t m i x i n g a r m sw i t h d o u b l e - p o s i t i v e i n e r l a c e d a n d d o u b l e p o s i t i v e p a r a l l e l d i s s u c c s s i v e a r r a n g e m e n t sa r er e c o m m e n d e d i fl i n e - s p e e do fm i x i n gb l a d e si sc h o o s e df r o m 1 5 m st o1 6 m s ，m i x i n gq u a l i t yi sb e t t e np h a s ea n g l eo f m i x i n ga l m so ns i n g l es h a f t s h o u l db es m a l l e r , a n d6 0 。a r er e c o m m e n d e d iti sb e n e rt om i x i n gq u l i w , w h e n m i x i n gb l a d e sa r es e ta ta l la n g l eo f a b o u t3 5 。 t h eo p t i m i z e dw o r k i n gd e v i c e ，c a ni m p r o v em i x i n gq u a l i t yw i t hs m a l l e re n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h eo r g a n i z a t i o n sa r es i m p l e r , s oi ti se a s l yb ei n d u s t r i a l i z e d k e yw o r d s ：t w i n s h a f tm i x e r ；o n h o g o n a lt e s td e s i g n s ；a x i a lc i r c u l a t i o n ； a d v e r s ec i r c u l a t i o n ；d i s s u c c e s s i v ea r r a n g e m e n t ；o p t i m i z a t i o n 双卧轴搅拌机t 作装置的试验研究 第一章 搅抖机理 第一章综述 1 1 混凝土搅拌机理 1 1 1 从混凝土强度看搅拌机理 强度是混凝土最主要的力学性能，混凝土强度主要取决于混合料i n j 的界面结 构。即使宏观上达到匀质的混凝土混合料，在显微镜下也有1 0 3 0 的水泥颗 粒团聚体，如图l ia 2 j 。因此混凝土的搅拌必须提供不仅宏观匀质，而且是 微观也相对匀质的新拌混凝土，如图卜1b 。 a ) 囊饕 三呸王淳叠 豆三廷 b ) 图1 1 水泥颗粒分布情况 值得指出的是，占1 0 3 0 的水泥团聚体及带有初始水化物包裹层的水泥颗 粒的几何尺寸是极小的，很容易以单元体形：式运动于定厚度的液体中。只有使 混合料产生强烈的流动和较复杂的运动轨迹，使颗粒之问产生较大相对速度，彳 能使它们足够靠拢，产生碰撞和挤压而引起较大f 勺摩擦剪力，有效地破坏团聚单 元体的存在，使水泥颗粒最大限度的弥散化。 一般认为混凝土搅拌的主要任务是 2 j ： ( 1 ) 组分均匀分布，达到宏观及微观上的匀e i ： ( 2 ) 破坏水泥粒子团聚现象，技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i 层，促进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。 1 12 混凝土流变特性对匀质性的影响 ! 翌! ! 塑丝垡生坚堡茎墨塑堕丝竺壅! 兰二! 羔塑：坐翌 新拌混凝土一般接近于宾汉姆体，其流变性质可表示为 引： d v 72 7 。+ 印石 式中，f 混凝土的实际剪应力： t 屈服剪应力； 疗混凝土的塑性粘度： d v d t 混凝土的剪切变形速率。 枯度系数玎是f 或d v 出的函数，随r 值的上升而下降，当r 值小于某一值7 1 时，或d v 出小于菜一值时，刁具有恒定的最大值；随着r 值( 或d v d ，) 的增加， ，7 大大降低，当r 或d v d t 达到一定值时，即将降到最低值伽。此后粘度不再随 应力值而变化，如图1 2 。 警 ，k 。 ，j ! i 左竺： 图l 一2 混凝土混台料粘一塑性随剪应力变化曲线 这就启发我们，当混合料变形速度较大，办即搅拌叶片使混合料产生较强烈 流动时，玎值将随之下降，达到或接近稳定的珈。这有利于混合料各组分互相渗 合达到宏观匀质性；另一方面，由于r 值增加，有利于破坏水泥粒子团聚现象 和形成均匀的表面包裹层，减小集料表面灰尘和粘土层的影响为达到微观匀质 性创造有利的条件u 副。 1 13 合理的搅拌机理 由以上分析可以给合理的搅拌机理一个解释：应尽可能使处在搅拌过程中的 混台料各组分的运动轨迹在相对集中区域内互相交错穿插，在整个混合料体积中 最大限度地产，相互摩擦，尽可能提高各组分参与运动的次数和运动轨迹的交叉 频率，为混合料实现宏观和微观匀质性创造最有利的条件【l3 。 因此，为了获得搅拌均匀的混凝土，混凝土搅拌机必须具备下列条件 2 | ： ( 1 ) 能对混凝土各种组分均匀搅拌，并佼水泥浆或沥青均匀包裹骨料表面： 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究第一章 搅拌机理 ( 2 ) 能将搅拌后的混凝土均匀的卸出； ( 3 ) 搅拌和出料的时间短； ( 4 ) 占地面积小； ( 5 ) 功率消耗小，符合环保要求。 而影响混凝土搅拌质量的与搅拌机有关的主要因素有： ( 1 ) 混凝土搅拌机的结构形式和它的搅拌速度； ( 2 ) 混凝士搅拌机出料容量与搅拌筒几何容积的比率，即容积利用系数； ( 3 ) 搅拌叶片和衬板的磨损状况； ( 4 ) 各种混合材料的加料顺序。 ( j ) 搅拌时间。 1 2 混凝土搅拌机及其外力作用形式 1 2 1 混凝土搅拌机及其外力作用形式 目前使用的搅拌机就其原理而亩，基本上可t 为自落式和强制式两大类。由 于不同型式的搅拌机其搅拌特性不同，各种作用；j 的分配比例也产生很大差异。 搅拌质量和搅拌时间将出现很大差异。 ( 1 ) 自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。其搅拌不够剧烈，搅拌 质量难以保证，生产率较低。这种类型的搅拌机主要有：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。 鼓筒式搅拌机每旋转一周才产生一次搅拌作用，搅拌装置的利用系数低。无 法对混凝土施加剪切力和挤压力，因而要达到搅拌质量所需的时间较长，主要用 于搅拌塑性混凝土。 双锥反转出料式搅拌机对拌和料除了有强烈时勺冲击外，拌和料间尚产生一定 的对流作用。由于这种对流作用仅在混凝土本身自 重力或运动的惯性力作用下进 行，混凝土间的挤压和摩擦效果不够显著。 ( 2 ) 强制式搅拌机是借助旋转的叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和揉搓等 强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到：匀匀搅拌。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，行星式搅拌机等等。 涡浆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。并且质量大的骨料由于向心加速度的作用易分离到拌筒的 边缘，所以，对粗骨料的匀质性有一定影响。 单卧轴混凝土搅拌机是以挤压、剪切和冲击三种力同时作用而进行搅拌的 外力对拌和料的有效作用时间长，力的作用效率高，可以在较短的时间内把混凝 土搅拌均匀。 双卧轴搅拌机是以物料的挤压、剪切和对流为主，物料间的冲击为辅，如图 l 一3 所示。其工作原理为：当搅拌轴转 动时，叶片一方面带动混合料在拌筒内 轮番地作圆周运动，上下翻滚，同时在 ： 搅拌叶片相遇或重叠的部位，混合料相 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。双轴叶片的反向 田1 - - 3 强制式搅拌机物料运动轨述 螺旋形运动可使物料产生强烈的挤压， 叶片前后端的混凝土压力差使得物料产生冲击，叶片在旋转过程中可使物料产生 许多切割面u 。 1 2 2 搅拌效果的比较 从上述分析可知：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。 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，是综合性能最好的机型之一。 双卧轴搅拌机以其显著的特点、无可比拟的优势而广泛地应用于各种混凝土 工程。而且随着高强度混凝土的实用化和混凝土机械的大型化，双卧轴搅拌机必 将有一个更加广阔的应用前景。据一些建筑行家预测，此种机型今后仍是我国大 型混凝土浇筑工程的主要机械【17 j 。 1 2 3 课题的提出 双卧轴搅拌机在我国还比较年轻，对于其工作装置的设计及其参数匹配的研 究，仍然很不成熟。由于涉及到工作装置参数选择的因素很多，且较为复杂，从 双卧轴搅捧机工作装置的试验研究 第一章搅拌机理 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，也就不能使其达到最优，因而不能最充分地发挥搅拌 机的作用和效率。 传统的搅拌理论认为，搅拌的主要任务是达到规定的均匀度。因此各种搅 拌机的工作装置，主要作用是使物料产生剪切、对流及扩散的循环流动，在物料 位置的频繁迁移中达到各组分的均匀分布 2 j 。但是，只有这种运动是不够的。 对于双卧轴搅拌机，物料的位移必须由良好目j 合的轴向大循环运动和轴间小 循环运动来共同完成。 为了获得均匀的混合料，必须研究混凝土形成过程中物料的运动规律，以及 搅拌机工作装置与混合料间相互作用的关系。研究内容包括两个主要方向：一方 面是搅拌机工作装置与混合料间相互作用的关系另一方面是工作装置参数的优 化。 因此，本文将主要研究双卧轴搅拌机工作装黄参数的优化及其与混合料间相 互作用的关系。 1 3 本文的研究内餐和方法 由以上分析，本文的主要研究内容是： ( 1 ) 试验样机的设计； ( 2 ) 工作装置参数优化及其与混合料相互作厍关系的理论分析； ( 3 ) 试验研究。 搅拌过程是复杂的动态过程，物料的状态、性质和结构都发生了变化。搅拌 参数的优化不可能采用常规的机械工程的优化方法。为了达到工业应用的目的， 采用理论分析和试验研究相结合的研究方法。一方面通过理论分析，针对混凝土 搅拌机理和双卧轴搅拌机的特点，对双卧轴搅拌机工作装置参数及其与混合料作 用关系进行优化分析，并为试验研究提供理论依据；另一方面利用设计的试验样 机对工作装罨参数进行试验优化，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。 双卧轴搅拌机：f 作装置的试验研究 第二章试验样机设计 第二章试验样机设计 2 1 试验样机主参数 为便于工作装置参数优化试验，所有试验在双卧轴试验样机上进行。试验样 机主要搅拌性能参数见表2 1 ，主体结构见图2 1 。 表2 - i 试验样机主要搅拌性能参数 性能参数单位数值 公称容量 l 1 0 0 叶片线速度m s1 4 7 型号b w d 7 5 4 2 9 搅及 拌减 功率k w7 ，5 电速 减速比2 9 机器 输出转速5 0 l j 觅样电材l2 一删步西轮3 一轴承挫i4 一轴端密封5 一搅拌机构 6 一卸料机构7 一轴承座i i8 - 振动电机 图2 1 双卧轴搅拌机主体结构图 本次试验研究主要是在双卧轴搅拌机其他结构不变的情况下，对其工作装置 参数进行优化，从而达到提高搅拌质量的目的。因此本次试验只考虑静态搅拌( 普 通搅拌) 的作用，对振动搅拌暂不作研究。该试验样机静态搅拌的工作原理与普 通双卧轴搅拌机一样。 2 2 搅拌机构设计 搅拌装置是本次试验研究的重点。由于试验中要分别比较拌筒不同长宽比 和搅拌臂不同排列形式以及搅拌叶片不同安装角度对搅拌质量的影响，因此要求 拌筒的长宽比、搅拌臂的排列和搅拌叶片的安装必须能够调节，而且要拆装、维 护方便。 ( 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 搅拌筒长宽比的变化，是通过在搅拌筒中 横置挡板来实现，即保持拌筒宽度不变而对 拌简长度进行调节。挡板的形状与搅拌筒横 截面是一致的，可以通过螺栓固定在与拌筒 焊接的角钢上，从而将拌筒由窄长形分隔为 宽短形。根据下一章的分析，设计窄长形拌 筒的长宽比为1 1 l ，宽短形拌筒的长宽比为 o 7 8 。 搅拌臂和搅拌叶片的安装都采用了抱瓦 结构，通过螺栓的央紧作用分别固定在相应 第二章试验样机设计 千币珈踊三干 丫广岛。呷：= r 罔一 i ：l 毕牛上 i 坩| l 热蕊 划蚴政沙坝渺 篇瓠 侧拌臂和侧叶片主拌臂和主叶片 图2 - 2 搅拌臂和搅拌叶片结构 的搅拌轴和搅拌臂上，具体结构如图2 2 所示。搅拌叶片的形状是根据拌筒直 径、叶片安装角、叶片设定的宽度和高度等参数设计的。其中，侧搅拌叶片分左 旋和右旋两种。 2 3 注水系统设计 注水系统是搅拌机的附属装置。本试验样机什勺注水装置借鉴容积控制方法， 为简化设计，采用定量注水方式，如图2 3 所示。通过计算出水压力，选用合 适的水泵，注水时用水泵将己准确称量的水送入供水管路，喷射入拌筒。不仅达 到准确、均匀加水的目的，而且达到良好控制注：托时间的目的。 潜水泵 注水系统简图 图2 3 注水系统 管路注水孔分布剖面图 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 第三章t 作装置参数的理论分析 第三章工作装置参数的理论分析 3 1 参数优化目标 优化设计的目的就是要寻找一组最佳的参数，使设计制造出来的机器达到最 好的工作效果使用成本最低。搅拌机参数优化的目标为：保证搅拌质量最优， 即在给定的搅拌时间内物料在拌简三维坐标方向都能达到要求的均匀性，同时 能耗较低，如图3 1 所示。 本次试验研究的参数优化部分是在文 献 1 7 基础之上的深入和拓展，因此，需 要优化的参数主要有：拌筒长宽比、搅拌 臂排列形式( 包括搅拌臂单轴相位、双轴 相位、双轴排列) 、叶片安装角、叶片数量、 叶片线速度、不同坍落度时混凝土的充盈 率、注水方式等。 圈3 - i 捧筒的一十暇槽俺圈 3 2 参数优化的理论分析 8 2 1 拌两长宽比 涉及拌简长宽比选择的因素很多，主要有：搅拌质量的影响程度、合理美观 的外观结构、制造材料的节省等 5 j 。 它对搅拌质量的影响应同叶片的布置综合起来分析，但长宽比不宜过大，否 则物料的轴向流动距离太长，搅拌中很难快速达到匀质，要在短时间内使物料在 轴向快速达到均匀的搅拌效果，长宽比应控制在1 3 之内为宣 16 】。 根据文献1 1 7 l ，从节省材料的角度考虑，当长宽比为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 。具体的 取值，则要结合叶片的安装角度，通过试验研究来获得最佳值。 3 2 2 搅拌臂排列彩式 拌筒内搅拌臂及叶片布置是很有讲究的，其布置原则是 7 l ： ( 1 ) 物料在拌筒内合理流动，在尽量短的时间内把物料拌成匀质混凝土： ( 2 ) 在搅拌轴旋转的过程中，尽量让参与搅拌的叶片数目相等，以达到搅拌 电机负荷均匀，减少冲击的目的： ( 3 ) 物料在拌简内分布均匀，不要在拌简的局部区段产生堆积，避免个别叶 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 第三章 工作装置参数的理论分析 片和搅拌臂过载而损坏。 搅拌臂在搅拌轴上的安装排列形式对物料的运 动有很大影响。从搅拌臂对料流的作用形式，即物 料的循环运动方式来分：一种安装排列的搅拌臂使 物料向拌筒的中心堆积，与布置原则相悖，文献i 】7 】 的试验结论也证明这种排列是不理想的；另一种称 为围流排列，如图3 2 。当右c 左) 手四指顺着搅 拌轴旋转方向时，拇指指向就是物料的流动方向。 i 由儿- $ f l l 图3 - - 2 围藏捧列的料流 并且两轴上搅拌叶片推动物料沿轴向和径向流动分量的方向相反，在两轴的末端 各有一返回叶片把物料转送到另一根轴上。物料毋i 有宏观的沿轴向闭合的大循环 运动，又有轴间小循环运动或称逆流。 如果以l 、i i 表示轴的序号，以n 表示叶片的序号，那么i 。一i i 。和i i 。一 i 。之间这种运动就称为逆流。搅拌轴转动过程串，由于i 。和i i 。到达中央搅 拌区的次序有先后，所以必然存在相位差。相位羞太大，造成作用时间上的延迟， 进而逆流作用的强度就比较弱；相位差太小，甚至为零时，意味着两搅拌臂几乎 同时到达搅拌区，并且二者对物料推动的方向相反，类似于在周向形成一堵“墙” 即形成局部“死循环”现象，料流的大循环运动被阻断。所以，其大小应该有一 个合理的取值范围，而相位差在此范围的逆流才认为是合理的。 如果通过合理布置i 。和i i 。两搅拌臂，使其到达搅拌区的相位时间差更合 理，频次更多，那么物料揉搓和挤压的作用就越充分，搅拌效果就越好。同时 出于这种逆流是在两搅拌轴之间的强制作用，如果布置合理，使得物料作用频次 快，强度大，靠近主轴部分的物料就会充分运动起来，就能在某种程度上改善普 通强制式搅拌机所固有的，因速度梯度所产生的搅拌低效区问题。但逆流是以不 破坏物料的大循环流动为前提的，因此，双轴搅拌臂的布置应以此为依据。 由于i 。和i i 。之间的相位关系同时与单轴，曼双轴上搅拌臂的相位及其排列 有关，如果布置不合理，那么这种逆流运动不但起不到强化搅拌的作用，反而有 可能破坏整体的大循环运动，使搅拌质量恶化。 因此，搅拌臂排列形式优化的最终目标就是尽可能加快物料轴向大循环的频 次，同时增加物料合理逆流，从而增加物料与搅拌叶片直接接触并发生强制作用 取卧轴搅拌帆工作装置的试验研究 第三章工作装置参数的理论分析 的机会，提高搅拌质量。现从以下三方面分别加以阐明。 ( 1 ) 单轴相位及排列 单轴相位是指单轴上相邻两个搅拌臂之间的相位关系。目前，比较主流的相 位是9 0 0 和6 0 。，也有4 5 0 布冕的；单轴排列是从单轴上搅拌臂的相位方向与搅 拌轴旋转方向的关系分为：正排列和反排列。正排列是指：当逆着料流方向看， 搅拌臂排列的相位方向与搅拌轴转向相 同；顺着料流方向看，二者反向。相反的 情况就是反排列。如图3 3 ，图中“” 表示物料流出纸面。 图3 3 ( a ) 为反排列布置。因为物料连 续递推式前进，所以当第七搅拌臂上的叶 片将物料向d f 推搅后，同轴的第六搅拌臂 ( a ) 反排列( b ) 正排列 翟3 - - 3 单根轴上的搅拌臂捧列 上的叶片需要3 0 0 0 才能继续将物料向前推进。显然，如果有1 3 个搅拌臂，那么 就需要n l 倍的3 0 0 。：对于图( b ) 的下排列：只需经过n - 1 倍的6 0 0 就能实现。 对于本试验样机，如果取转速为5 0 r m i n 、搅拌周期6 0 s 。那么，上述情况 中的反排列，一个周期内物料在单轴上循环1 0 次；而f 排列达到j 0 次。 因此，在搅拌时间、叶片数及单轴相位角一定的情况下，搅拌臂正排列要比 反排列推搅的快，物料获得的轴向流动次数更多，搅拌装雹的利用率更高。同时 也说明单轴上采用较小的相位角可得到较多的流动次数。但相位角太小，物料在 拌简内周向翻动的剧烈程度变差，还要注意粗骨料粒径的影响。 ( 2 ) 双轴相位及排列 双轴相位是指双轴上同截面搅拌臂的相位关系。有交错和平行布置两种情 况；双轴排列是由单轴排列组合得到，有三种方式：正反排列、双正排列、双反 排列。 双轴搅拌臂为正反排列时，物料沿轴向在搅拌臂为正排列的轴上推动的快， 而在反排列的轴上推搅的慢。物料沿轴向的运动是一个闭合的“大循环”运动， 当物料被推搅到搅拌臂为反排列的这根轴上时由于料流交慢，会出现物料拥塞 现象，这必然导致整个大循环的不流畅。所以，对混凝土的搅拌质量会造成影响； 双轴搅拌臂为双j 下或双反排列时，由于物料在两根轴上的流动速度分别是相同 双卧轴搅拌机工作鼗置的试验研究第三章工作装置参数的理论分析 的，所以一般不会出现正反排列时料流堆积的情饬。其中双正排列时的大循环频 次最高，而双反排列时最低，正反排列居中。 以单轴相位为6 0 。、7 个搅拌臂、转速为5 0 r m i n 和搅拌周期为6 0 s 的情况 为例，对双轴搅拌臂的相位和排列及其与大循环和小循环的作用关系加以说明。 图3 4 和3 6 所示的方案是在给定搅拌臂及叶片排列的基础上，使搅拌臂 及叶片在每转过6 0 0 的瞬间，到达搅拌区的数量都是7 个，其中包括两个返回叶 片，以保证负载稳定；另外，要避免两轴上相同序号的搅拌叶片同时到达搅拌区， 以防干涉。通过筛选，只有图示方案是符合基本原则的。 图3 4 为双轴搅拌臂交错布置，其中i 轴上叶片将物料往外推，i i 轴上叶 片将物料往罩推。 c ) 正正排列 b ) 正反排列2 d 】正正排列2 e ) 反反排列1 f ) 及反排列2 圈3 - - 4 双轴揽拌臂交错；目置 图a ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。；觉拌轴旋转一周，两轴上叶片到 达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i ，一i 。一【s i 一一i ； i i 轴：i i 。一i i ，一i i 。一i - t i ie i i j 一么 如卯压a叼一 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 第三章- t 作装置参数的理论分析 搅拌轴旋转一周，i ：到达中央主搅拌区( 以水平位置为参考) 需转过3 0 。， 而i i 需转过2 4 0 。到达，即i 。一i i ，的逆流相位差为2 1 0 。同理知：i ，一i i ! 、 i 。一i i ，、i j i i 。i 。一i i ；、i 。一i j 。问的相位差分别为2 1 0 。由于相位差比 较大，必然造成作用时间上的延迟，因此这几组逆流的作用强度比较弱：对于大 循环而言，一个周期内两轴上的循环频次分别为5 0 次和1 0 次，相差很大，物料 流动不畅，综合作用效果不理想。 图b ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片 到达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i 。一i ；，一i 。一i ；一i 。一i 。 i i 轴：i i ；一i i 。一i i 。一i i 。一i i ；i i i 。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流相位差都为2 7 0 。，这6 组逆流的作 用也很弱；大循环的情况与a ) 相同。综合作用效果不理想。 图c ) 的i 轴和i i 轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。? 一i 。一i 。一i ；一i ； i i 轴：i i ，一i i 。一i i 。一i i 。i i i ! 一i i ； 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流为：i ? 一i i 。和i 。一i i 。，相位差为9 0 。：i ：一i i 和i ：一i i 。，相位差为2 1 0 。：i 。一i l ；和i ，一i i ：，相位差为3 3 0 。 前两次逆流的相位差较小，其作用应该是比较剧烈的，有利于混合料的拌和均匀； 一个周期内大循环的次数为5 0 次。所以，综合作用较剧烈，搅拌质量应该很好。 如图3 5 为图3 4c ) 排列的实物照片。 圈3 5 圈3 - - 4c ) 捧列的实物照片 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究第三章 工作装置参数的理论分析 图d ) 的i 轴和1 i 轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 拌区的先后关系为： i 轴：i 。一i 。一i 。一i 。一i 。一i ， i i 轴：i i 。一i i 一i i 。一i i 。一i i 。，一i i ： 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现逆流的相位差分别为3 0 。、1 5 0 。和2 7 0 。， 频次各为2 次。其中逆流相位差为3 0 。的两搅拌臂几乎同时到达搅拌区，并且 二者对物料推动的方向相反，破坏了物料的大循环流动，与搅拌臂合理布置的原 则是相违背的，必然影响整体混合料的匀质性和强度。 图e ) 的i 轴和i i 轴都为反排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 拌区的先后关系为： i 轴：i 。一i ：一i 。一i 。一i 。一ij i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i l ，一i i 。一i i 。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现逆流的相位：差分别为9 0 。、2 1 0 。、3 3 0 。， 频次各为2 次，其中相位差为9 0 。时逆流作用较强。虽然一个周期内具有较强 作用的逆流为2 0 次，但大循环仅为1 0 次。所以，综合作用效果比c ) 差。 图f ) 的i 轴和i i 轴都为反排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 拌区的先后关系为： i 轴：i6 一i1 7 一i2 3 一i 一i ； i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i 】：一i i - i i in 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现逆流的情况与图d ) 所述的情况一样。并且， 一个周期内大循环的频次理论上仅为1 0 次。所以，综合作用效果比d ) 还差。 图3 - - 6 为双轴搅拌臂平行布置，其中i 轴上叶片将物料往外推，i i 轴上叶 片将物料往里推。 a ) 正反排列b ) 正正排列 c ) 反反排列 圈3 6 双轴揽拌臂平行布置 双卧轴搅拌机一作装置的试验研究 第三章 工作装置参数的理论分析 图a ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片 到达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。一i 。一ij i 一i 。 i i 轴：i i ；一i i 。一i i 。一i i ：一i i 。一i i 。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流相位差都为2 4 0 。，由于相位差比较 大，因此这6 组逆流的作用强度比较弱；大循环的情况与上述正反排列类似。 图b ) 的i 、i i 轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅拌 区的先后关系为： i 轴：i2 一i 。，一i 。一ii i 。一i3 i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i i 。一i i ：一l i ： 搅拌轴旋转周，出现is i i j ，i 。一。的相位差都为0 。，意味着两搅拌 臂同时到达搅拌区，并且二者对物料推动的方向相反，类似于在周向形成一堵 “墙”，即形成局部“死循环”现象，料流的大循环运动被阻断。因此，严重影 响整体混合料的匀质性和强度。如图3 7 为图3 6b ) 排列的实物照片。 图c ) 的i 、i i 轴均为反排列布置。搅拌轴旋转周，两轴上叶片到达中央 圈3 - - 7 田3 - - 6b ) 捧列的实街照片 搅拌区的相互关系为： i 轴：i ：一i ? 一i 。一li i ；一i 。 i i 轴：i is i i 。一i i 。一i i 。一i i ，一i i 。 搅拌轴旋转周的过程中，逆流的情况与上例类似，且大循环的频次理论上 仅有1 0 次。所以，综合作用效果更差。 ( 3 ) 双正非连续排列 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究第三章 工作装置参数的理论分析 双正排列的物料大循环频次晟高，对于图3 6b ) 的死循环现象，如果通过 调整若干搅拌臂的相位角，达到消除死循环，同时增加轴间合理逆流的频次，其 搅拌效果应该很好。这种改变是局部某几个叶片相位角的滞后( 或超前) ，其整 体上的大循环仍可保持，且频次较高。调整后的习：正排列称为双正非连续排列。 由上述分析可知，正正交错布置的方案可以通过筛选避免不合理逆流( 如图 3 4c 、d 中的c 为优方案) ，而正正平行布置时会出现0 。相位差的不合理逆流， 所以下面仅给出搅拌臂正正平行布置时非连续排列的基本调整原则： 1 ) 调整后的排列不影响物料的大循环流动； 2 ) 尽量保证搅拌臂的正排列性质； 3 ) 消除死循环的生成，即i 。一i i 。的相位差至少应大于单轴相位； 4 ) 尽可能减少调整搅拌臂的数量，保持整体 列的对称性： 5 ) 搅拌臂调整角度尽可能是原单轴相位整数佑，以便实际加工及安装方便。 根据上述调整原则，在满足搅拌臂布置原则能基础上通过筛选，图3 8 是 圈3 8 双正非琏续 f 列 b ) 对图3 6 双正平行连续排列的两种调整方案及对应的实际排列照片。 图3 8a ) 的特点是：既消除了图3 6b ) 所述i 。一i i 。i 。一i i ：之间的0 。相位差，同时又增加了相位角分别为1 2 0 。和2 4 0 。的六次逆流；另外，it 、 i ：、i ，以及i i j 、i i 。、i i 。仅是在原先基础上相位同时滞后1 2 0 。，而其排列仍 令 双卧轴搅拌机工作城置的试验研究 第三章工作装置参数的理论分析 是正排列，所以搅拌效果应该是较好的。 图3 8b ) 调整的思路基本一致，滞后相位为1 8 0 。，并且为了满足布簧 原则，个别叶片还做了调整。获得逆流的相位差分别是6 0 。、1 2 0 。、1 8 0 。和 2 4 0 。 如果在调整叶片时一味提高逆流频次而忽视了物料大循环，反而使得搅拌质 量恶化，如图3 9 。 图3 一g 的两轴上分别调整了i ：、i i 。 这六次逆流几乎完全破坏了大循环，使 得搅拌锅内的物料只有局部的强烈翻 动，而轴向的大循环却消失了，搅拌质 量恶化。 由上所述分析可知，搅拌臂的合理 布置有其不可忽视的技术和经济价值。 获得逆流的相位角都是0 。显然 圈3 9 不合理的双正非连续掉列 搅拌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 19 1 ，而逆流相位差的合理取值范围还需进一步通过试验验证获 得。 3 2 3 搅拌叶片安装角度 物料在搅拌器中主要有两种运动，一种是横 向循环：另一种是纵向循环。如果搅拌叶片斜面 与搅拌轴线之间的夹角，即叶片安装角口过小， 混合料缺少纵向循环搅拌；反之，如果口角过大， 则缺少横向循环搅拌：当口5 5 。时，即使提高 搅拌轴转速，也不能使物料产生强烈搅拌l z l | 。 嚷 、 厂一 0 。 铴 b ：j b 若搅拌叶片对转轴安装成某一角度时，可以 圈3 1 0 叶片前的密实核心 使混合料既发生纵向循环，又发生横向循环，且搅拌是强烈的，则此角是最佳的 安装角。 叶片纵向搅拌强度系数k 。，为密实核心两侧棱在转轴上的投影差与叶片在 同一转轴上的投影之比，如图3 1 0 1 6 ： k ：业 “ b o 1 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 第三章 工作装置参数的理论分析 叶片横向搅拌强度系数k ，是口o o 时密实核心横截面积和口= o 。时密实 核心最大面积之比： k p = s s 一 由于两个系数同时对混合料循环强度的影响，因此轴上的叶片必须按一定的 角度安装，以便使混合料的总循环强度系数j 黄最大值，它等于纵向循环系数 和横向循环系数的乘积：。 k 晦= k 贰k 产 c o s t ( s 秆，s h r s i n ；口) s 1 盯y c c s y 把上式对口求一阶导数，并使之等于零，ko a = ( ，可以求得叶片的安装角a ： 当密实核心侧棱与转轴之间的夹角，= 5 5 。7 0 。时，角口= 3 1 。4 0 。考虑到被 拌材料的多样性，可根据实际情况对叶片的安装角度做一定的改变。 3 24 搅拌叶片数量 叶片数量的多少对搅拌机的工作效率及混合料的搅拌质量有着直接的影响， 叶片数多，必然使搅拌机的长度增加使长宽比不合适。而且搅拌机长度增加，放 料门的长度也增加时，这对总体布置不利。另外，搅拌叶片越多，使石料被挤碎 的可能性增大，这将影响到骨料的级配精度。叶片数少，必然减少物料的循环次 数，减少物料与搅拌叶片直接接触并发生强制作月的机会，影响搅拌质量。所以， 确定搅拌机最佳叶片个数也具有重要的意义。 叶片数量要考虑的相关因素是j ： ( 1 ) 搅拌轴每转一圈，物料沿轴向行程不小于搅拌筒轴向空间长度。若以 表 示单根轴上叶片数，目表示相邻搅拌臂之间的相位差，则疗占3 6 0 。，一般 3 6 0 。s 月0 7 2 0 。 ( 2 ) 两轴转动时，两轴上转向相反的叶片最。空间距离决定了搅拌机所能适 应的骨料最大粒径。否则，不是骨料被挤碎，就j 乏叶片搅拌臂受损。当然，上述 “最小空间距离”与叶片数量，几何尺寸，倾斜角度及相互间布置等有关。 ( 3 ) 单根轴上相邻叶片轴向投影应有一定重叠，以保证料流的连续性，同时 卸料时可最大限度地保证拌筒内残留混合料少，给拌筒清洗带来方便。 叶片数量与相位角除了必须符合式3 6 0 。h 臼7 2 0 。，还与双轴搅拌臂的布 置形式有关。尤其是在搅拌臂双正平行排列时，苦叶片数量与单轴相位角的大小 ! 翌! ! 塑壅量垫三笪茎墨堕蔓壁堡笪! 兰三兰三堡茎曼叁鍪塑里丝堑 匹配不合理，就没有完全符合搅拌臂布置基本原则的排列方案。 搅拌臂双正平行排列条件下，叶片数与相位角大小的匹配关系是： ( 1 ) 3 6 0 6 ”口7 2 0 。； ( 2 ) 口= 9 0 。时，拧不可以取5 、7 。即疗不宜为奇数。 ( 3 ) 口= 6 0 。时，n 不可以取6 、8 、l q 。即，z 不宜为偶数。 ( 4 ) 8 = 4 5 。时，胛不可以取9 、l l 、1 3 、1 5 。即，l 不宜取奇数。 下面仅以口- - - - 9 0 。、聍= 5 的情况为例说明。如图3 一1 1 所示为可能的四种排 列组合，其中序号1 、j 代表返回叶片。 3 4 ， 、 7 珏亨 1 5 r ( a ) 3l ， 、上 f ， 1 5 ( c ) j 1 5 2 一 、 7 07 3 3 r 、 二 fi 1 5 4 1 5 ， 、 7 0 亨 2r ( b ) 3 ， 、 二 f 1 5 口2 k 一 、 吲 4 r 图3 一1 1 搅拌胃捧列方案而选 在搅拌轴旋转一周的过程中，组合a 将出现搅拌臂每转过9 0 。，同时达到 搅拌区的叶片数总数及其中的侧叶片数不能保证是5 个和2 个。而且，叶片l 、 5 分别同时到达搅拌区，发生干涉；组合b 也出现同时达到搅拌区的叶片数不一 致的情况；组合c 的2 、4 叶片分别发生干涉；组合d 与b 类似。可见没有符合 搅拌臂排列基本原则的组合。所以，这种匹配关系在实际设计中要尽量避免。 上述原则将给搅拌机某些参数的合理选取提供有益的参考。 3 2 5 搅拌叶片线速度 目前，对于强制式搅拌机的转速计算没有统一的方法，其中有的按搅拌叶片 的圆周线速度为1 4 1 6 m s 进行设计；有的认为搅拌机工作时的离心力等于重 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究第三章t 作装置参数的理论分析 力，由此得出临界线速度= 舷，同时指出工作线速度为2 3 v ；还有一种 方法是在考虑物料下滑角0 的基础上得出v 临= 矗g ( s i n a c o s l 2 ，) 。分析这些方 法，会发现都具有一定的局限性，没有确切反映出确定该参数的内在规律。 实际上物料在搅拌叶片的作用下受到挤压：扫、摩擦力等作用，迫使物料作 强烈、复杂的空间对流运动，处于一种强制式拌和状态；当叶片带着物料向上旋 转到一定角度时，物料主要受惯性力和重力等作j 日，物料由挤紧状态松脱出来产 生一个分散抛离的过程，这是一种自落式状态。丽物料在自落式状态下能否产生 抛撤作用是影响物料搅拌质量的重要因素：转速过大，物料离析，搅拌效果下降， 同时能耗和磨损也增加，因此，转速应有一个临界值。 图3 一1 2 为搅拌筒及叶片投影图。假设物料元a ( 用投影a 表示) 处于叶片 某一位置( 与水平轴成口角) 时恰好处于自落式状态。分析此时物料元a 的受力 情况。其中，g 为物料元a 所受重力，它可分角 为g 和径向下滑力f ，卅：r 。 为物料元a 所受离心力；g ，可分解为物料元的j l i 压力矗压和切向力m ；为了 保证自落式状态下产生抛撒作用，物料元a 所受的下滑力必须克服离心力和摩 擦力，即： f r 清2 ，离心+ f 毒 畸! 其中 ，f 拊2 g s i n o ， gv 2 心= i 百 ，k 擦= f e 压= 厂g c o s o c 9 s a 故： v 蔓( s i n 目一f e o s o e o s a ) g r 式中 ，一摩擦系数 g 一重力加速度( e m s 2 ) 0 一下滑角( 6 ) 口一叶片安装角( 。) r 一搅拌叶片顶端距离轴心距离( m ) 圈3 - 1 2 物料元 在自落式状态下的受力情况 丘 f 牛0 ，g ，z oi f | 鬈 虻! 双卧轴搅拌机工作装置的试验研究 第三章工作装置参数的理论分析 下滑角口与混凝土坍落度有关，一般取4 2 。7 5 。 1 g ，本次试验由于坍落度 较小，所以选取0 = 7 5 。：叶片安装角取4 5 。当混凝土与叶片间摩擦系数，取 0 6 2 时，矿1 5 3 m s 。 为了使叶片在自落