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混凝土搅拌机搅拌装置的结构设计与分析（JZM500型）(带CAD图）
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混凝土搅拌机
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分类号：1 f ，11 2 - 2 -密级俗弄单位代码：1 0 4 2 2学号：如) 66 、户震另番S H A N D O N GU N I V E R S l T Y硕士学位论文T h e s i sf o rM a s t e rD e g r e e论文题目：影媚侮细记键上褫徘枷锣归凇形研昵鲡匆口盔佃肥舌嘭印舌洳2 枷九寸阻坯维箩坼C o 杠嗽e “作者姓培养单专业名指导教合作导名潲蜱位堑筮兰丝鳖堕称逖兰! 趔豳师蒸壅焦塑堡师少厶年月弦日万方数据D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e df o r t h eA p p l i c a t i o no fM a s t e r SD e g r e eo fE n g i n e e r i n gS t u d yo nP a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o no fD o u b l eH e l i xS h a f tC o n c r e t eM i x e rC a n d i d a t e ：W a n gC h e n g l i nS p e c i a l t y ：M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS u p e r v i s o r ：P r o f W a n gJ i n g k u nP r o f iZ ! 1 2 ：1 ：Lj i ：j j ! 、o n 一US h a n d o n gU n i v e r s i t yM a y2 2 t h ，2 0 1 5万方数据f U l l I IIi 1 1 1 1 1I II I II1 0Y 2 7 9 3 6 91原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位沦文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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责任由本人承担。论文作者签名：至隧日期：翌盟篁! 三岁关于学位论文使用授权的声明本人完全了解d i 东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：敞导师签名：日期：鬯坐圹万方数据日录目录摘要IA 】6 l S T R A C T I I I第1 章绪论11 1 混凝土搅拌机研究现状11 1 1 国外搅拌机研究现状l1 1 2 国内搅拌机研究现状21 2 混凝土搅拌机发展趋势31 3 课题的提出41 4 课题研究意义和内容51 4 1 课题研究意义51 4 2 课题主要研究内容5第2 章搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析92 1 混凝土搅拌机理分析92 1 1 混凝土组分与性能分析92 1 2 搅拌对混凝土性能的影响92 2 搅拌过程中物料的运动分析1 22 。3 双螺旋轴搅拌机对物料拌合效果的影响1 32 3 1 搅拌装置结构参数对物料拌合效果的影响，1 32 3 2 搅拌装置工作参数对物料拌合效果的影响1 42 4 本章小结1 5第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析1 73 1 双螺旋轴搅拌机结构参数分析1 73 1 1 搅拌筒长宽比理论分析与计算1 73 1 2 双螺旋轴螺旋形式分析设计1 83 1 3 双螺旋轴螺旋升角设计计算2 03 2 双螺旋轴搅拌机工作参数分析2 23 3 双螺旋轴搅拌机三维模型建立2 5万方数据山东大学硕士学位论文3 4 本章小结2 5第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化2 74 1 混凝土搅拌控制方程的建立及多相流流动分析2 74 1 1 混凝土搅拌控制方程的建立2 74 1 2 混凝土多相流流动分析2 94 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及参数优化2 94 2 1C F D 仿真条件设定2 94 2 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及结构参数优化3 04 2 3 搅拌流场数值仿真结果对比分析及工作参数优化3 64 3 本章小结4 2第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析4 35 1 叶片式及螺带式搅拌机参数分析4 35 1 。l 叶片式搅拌机搅拌装置结构参数分析4 35 1 2 螺带式搅拌机搅拌装置结构参数分析4 85 1 3 叶片式及螺带式搅拌机三维模型建立4 95 2 三种类型搅拌机搅拌流场数值分析5 05 3 本章小结5 6结论与展望5 9参考文献6 1致谢6 91 1万方数据C O N T E N T SC O N T E N T SC h i n e s eA b s t r a c t 1A B S T R A C T I I IC h a p t e r 】【I n t r o d u c t i o n ，11 1R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e r 11 1 1R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e r A b r o a d 11 1 2R e s e a r c hS t a t u so f C o n c r e t eM i x e ra tH o m e 21 2D e v e l o p m e n tT r a n do f C o n c r e t eM i x e r 。31 3T o p i cO r i g i n 41 4C o n t e n to f S u b j e c tR e s e a r c ha n dS i g n i f i c a n c e 51 4 1S i g n i f i c a n c eo f S u b j e c tR e s e a r c h 51 4 2C o n t e n to f S u b j e c tR e s e a r c h 5C h a p t e r2A n a l y s i so ft h eM i x i n gP r o c e s s SI n f l u e n c eo nt h eQ u a l i t yo fC o n c r e t e 92 1A n a l y s i so f t h eM e c h a n i s mo f C o n c r e t eM i x i n g 92 1 1A n a l y s i so f C o n c r e t eC o m p o s i t i o na n dP e r f o r m a n c e 92 1 2I n f l u e n c eo f M i x i n go nP r o p e r t i e so f C o n c r e t e 92 2M o t i o nA n a l y s i so fM i x i n gM a t e r i a l 1 22 3T h eE f f e c tt ot h eS t i r r i n go f D o u b l eH e l i xA x i sM i x i n gC o n s o l e 1 32 3 1T h eE 廊c tt ot h eS t i r r i n go f M i x i n gD e v i c e 1 32 3 2T h eE f f e c tt ot h eS t i r r i n go f M i x i n gS p e e d 1 42 4C h a p t e rS u m m a r y 1 5C h a p t e r 3 A n a l y s i so f t h eP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 1 73 1O p t i m i z a t i o nA n a l y s i so fS t r u c t u r eP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 173 1 1T h e o r e t i c a lA n a l y s i sa n dC a l c u l a t i o no ft h eA s p e c tR a t i oo ft h eM i x i n gD r u m 1 73 1 2A n a l y s i sa n dD e s i g no f D o u b l eH e l i xA x i sS p i r a lF o r m 一1 83 1 3D e s i g na n dC a l c u l a t i o n so f D o u b l eH e l i xA x i sH e l i xA n g l e 2 03 2O p t i m i z a t i o nA n a l y s i so f W o r k i n gP a r a m e t e r si nD o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r 2 23 3E s t a b l i s h m e n to f D o u b l eH e l i xS h a f tM i x e r3 DM o d e l 2 53 4C h a p t e rS u m m a r y 2 5C h a p t e r4M i x i n gF l o wF i e l dN u m e r i c a lA n a l y s i so fC o n c r e t eM i x e ra n d万方数据山东大学硕十学位论文P a r a m e t e rO p t i m i z a t i o n 2 74 1E s t a b l i s h m e n to f C o n c r e t eM i x i n gE q u a t i o n sa n dA n a l y s i so f M u l t i p h a s eF l o w 2 74 1 1E s t a b l i s h m e n to f C o n c r e t eM i x i n gE q u a t i o n s 2 74 1 2F l o w A n a l y s i so f C o n c r e t eT u r b u l e n tM u k i p h a s eF l o w 2 94 2C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i sR e s u l t sa n dP a r a m e t e rO p t i m i z a t i o n ，2 94 2 1S i m u l a t i o nC o n d i t i o nS e t t i n go fC F D 2 94 2 2C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i sR e s u l t sa n dS t r u c t u r eP a m m e t e rO p t i m i z a t i o n 3 04 2 3C o m p a r i s o no fC o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i sR e s u l t sa n dW o r k i n gP a r a m e t e rO p t i m i z a t i o n 3 64 3C h a p t e rS u m m a r y 4 2C h a p t e r5C o n c r e t eM i x i n gF i e l dC F DA n a l y s i so fB l a d eM i x e r ，S p i r a l - B e l tM i x e ra n dD o u b l eH e l i x S h a f tM i x e r z 1 35 1P a r a m e t e r A n a l y s i so f B l a d ea n dS p i r a l B e l tM i x i n gC o n s o l e 4 35 1 1n l eS t r u c t u r a lP a r a m e t e r sA n a l y s i so fB l a d eM i x e rM i x i n gA p p a r a t u s 一4 35 1 2n e S t r u c t u r a l P a r a m e t e r s A n a l y s i s o f S p i r a l B e l t M i x e r M i x i n g A p p a r a t u s 4 85 1 3E s t a b l i s h m e n to f t h eB l a d eM i x e ra n dS p i r a l B e l tM i x e r3 DM o d e l 4 95 2S i m u l a t i o nR e s u l t sA n a l y s i so f T h r e eT y p e so f M i x i n gC o n s o l e 。5 05 3C h a p t e rS u m m a r y 5 6C o n c l u s i o n sa n dP r o s p e c t ，5 9R e f e r e n c e s 6 1A c k n o w l e d g e m e n t ，6 9万方数据摘要摘要随着我国基础建设的发展，现代工程建设质量的提高，我们对混凝土质量及生产效率有了更高的要求，混凝土搅拌机作为生产混凝土的关键设备，对其搅拌性能的要求也越来越高。论文选用目前先进的双螺旋轴搅拌装置为研究对象，以提高其搅拌性能为目标，通过理论研究及数值仿真，分析各参数对搅拌流场的影响并对其进行优化，最终确定双螺旋轴搅拌机最佳的结构参数及工作参数。论文通过分析混凝土搅拌性能及拌合过程中物料的运动方式，研究双螺旋轴搅拌装置对混凝土搅拌效果的影响，确定搅拌筒长宽比、螺旋轴螺旋形式、螺旋轴螺旋升角及搅拌速度等结构、工作参数为优化目标，进而对搅拌装置几何参数及拌合过程受力情况进行分析计算，最终确定了螺旋轴的螺旋形式及其它参数的取值范围。确定搅拌装置相关参数取值范围后，采用流体力学及C F D 软件对其搅拌流场进行数值仿真，建立混凝土搅拌控制方程并采用拟流体模型对流场简化处理，确定R N G k 吨数值计算模型。通过对比分析不同结构参数及工作参数下双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布均匀性及物料拌合强度等情况，确定其最佳参数匹配为：搅拌筒采用宽短型、螺旋轴螺旋升角为2 5 7 。、搅拌线速度为1 6 2m s 。优化双螺旋轴搅拌机结构参数及工作参数后，将其与市场应用较为广泛的叶片式及螺带式搅拌机进行对比分析。在理论分析、产品调研及前人相关试验研究基础上，确定叶片式及螺带式搅拌机最佳参数匹配，对三种搅拌机搅拌流场进行数值仿真，分析得出优化后的双螺旋轴搅拌机的速度分布均匀性最好，即优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌性能优于其它两种机型。本研究为双螺旋轴搅拌机的结构改进及性能提升提供了可靠的理论依据和数据支持，实现了提高搅拌性能及效率的目的；采用流体力学及C F D 软件对流场进行数值仿真的方法，为搅拌机的设计优化减少了大量的试验研究，节约了成本，缩短了研发周期，因此具有较高的应用价值及意义。关键词混凝土搅拌机；搅拌性能；参数优化；数值仿真万方数据A B S T R A C TA B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a ni n f r a s t r u c t u r ea n di m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo fm o d e mc o n s t r u c t i o n ，w eh a v ee v e r - i n c r e a s i n gd e m a n d so fc o n c r e t eq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y C o n c r e t em i x e r , a st h ek e yd e v i c ef o rp r o d u c t i o n ，h a sp l a y e dap r o f o u n di m p a c to nm i x i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fc o n c r e t e T h ea u t h o rc h o s e st h ea d v a n c e dd o u b l eh e l i xa x i sm i x i n gd e v i c ef o rt h es t u d yt oh a v eap a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nw h i c ht h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，S Oa st oi m p r o v et h es t i r r i n gp e r f o r m a n c eF i r s t l y , w er e s e a r c h e do nt h ee f f e c to ft h ed o u b l eh e l i xa x i sm i x i n gd e v i c et ot h ec o n c r e t em i x i n gc o n s e q u e n t ，d e t e r m i n et h ea s p e c tr a t i oo ft h em i x i n gt u b e ，s c r e ws h a f ts p i r a lf o r m ，h e l i xa n g l eo ft h es c r e ws h a f ta n ds t i r r i n gs p e e da st h eo p t i m i z a t i o ng o a l T h e nw ec a l c u l a t e dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h em i x i n gd e v i c ea n dt h ef o r c e sd u r i n gt h em i x i n gp r o c e s s ，a n du l t i m a t e l yw ed e t e r m i n e dt h ef o r mo ft h es p i r a lh e l i xa x i sa n do t h e rp a r a m e t e r sr a n g e sS e c o n d l y , w ea p p l i e dC F Ds o f t w a r ef o rt h ef l o wf i e l dt oh a v ean u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa n de s t a b l i s h e dc o n c r e t em i x i n gf l u i de q u a t i o n sw h i c hu s i n gt h es i m p l i f i e dm o d e lt os i m p l i f yt h ef l o wf i e l d ，a n dt h e nd e t e r m i n eR N G k - n u m e r i c a lm o d e l C o m p a r et h es p e e du n i f o r m i t ya n dm a t e r i a lm i x i n gi n t e n s i t yo ft h et w i ns c r e wm i x e ru n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，ec a nd e t e r m i n et h eo p t i m u mp a r a m e t e r sm a t c hf o r ：m i x i n gt u b ew i t hw i d es h o r t ，t h es c r e ws h a f th e l i xa n g l ei s2 5 7 。a n d t h es t i r r i n gs p e e di s1 6 2m S A f t e rt h a t ，w ec o m p a r e dt h eo p t i m i z e dt w i ns c r e w m i x e rw i t ht h eb l a d em i x e ra n dr i b b o nm i x e r , w h i c hw e r ew i d e l yu s e di nt h em a r k e t A f t e rd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h eb l a d em i x e ra n dr i b b o nm i x e r , w em a d ean u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa m o n gt h e s et h r e em i x e r s W ec o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m i z e dt w i ns c r e wm i x e rh a v et h eb e s tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y , w h i c hm e a nt h a tt h es t i r r i n gp e r f o r m a n c eo f t h eo p t i m i z e dt w i ns c r e wm i x e ri sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w om o d e l s T h er e s e a r c hp r o v i d e dar e l i a b l er e f e r e n c ed a t af o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e s em i x e r sa n da c h i e v e dt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gm i x i n gp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y A p a r tf r o mt h i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e d u c e dt h ea m o u n to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w h i c hw o u l dI I I万方数据山东大学硕士学位论文s a v ec o s t sa n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，t h u st h er e s e a r c hh a dah i g hv a l u ea n dm e a n i n g K e y w o r d sc o n c r e t em i x e r ；m i x i n gp e r f o r m a n c e ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o nI V万方数据第1 章绪论第l 章绪论随着我国基础建设的发展，现代工程建设质量的提高，我们对混凝土综合性能的要求也越来越高，混凝土搅拌作为其生产过程中的关键工艺，直接影响着混凝土的搅拌质量及生产效率。通过对目前国内外混凝土搅拌机研究现状及趋势分析得出，搅拌装置的优化改进已成为混凝土搅拌机研究的重点方向。本章对目前混凝士搅拌机存在的问题进行分析，提出研究课题。1 1 混凝土搅拌机研究现状1 1 1 国外搅拌机研究现状混凝土搅拌机由欧美国家于1 9 世纪设计发明，最初机型仅限于自落式搅拌机，其工作原理如图1 1 所示，在搅拌筒内通过内壁的搅拌叶片带动物料随叶片旋转，达到一定高度后，物料沿一定方向做抛洒运动，从而达到拌合效果。因受当时科技发展的制约，搅拌机材料、结构及动力来源等限制了其搅拌性能和生产能力。经过几十年的发展，自落式搅拌机圆柱形外形设计及电动机动力源开始普及，搅拌能力有所提高；2 0 世纪中叶，德国最先发明了强制式搅拌机，其通过外力使搅拌轴及搅拌叶片旋转，使物料产生剪切、挤压等效果，进而达到拌合的目的【。物料在强制式搅拌机的作用下相对运动剧烈，搅拌效果及生产率较自落式搅拌机有大幅提升。很快，双卧轴强制式搅拌机问世，其结构如图1 2 所示。至本世纪，国外混凝土搅拌机已经朝着多元化、高性能的方向发展，搅拌性能及生产能力有了大幅度的提高。图l 一1 自落式搅拌机工作示意图图I - 2 双卧轴强制式搅拌机工作示意图为适应商品混凝土高性能、高产量、多种类的要求，目前国外在强制式搅拌万方数据L 【j 东人学硕士学位论文机机型的基础上，借助先进的科学技术，对混凝土搅拌机进行更深入的研究。在传动机构方面，以降低损耗、提高传动效率为研究目标，德国B H S 提出齿轮箱采用蜗杆传动及柔性连接，增加可调扭矩支座等措施改进传动机构。在密封机构方面，意大利S I C O M A 采用独立密封系统，利用液体润滑油脂进行密封，以提高搅拌机的可靠性。在搅拌装置方面，日本N I K K O 通过叶片的安装方法的改进使刀片更换时间缩短：而德国E L B A 的搅拌槽内衬板采用无螺栓安装方式，并对搅拌装置安装磨损保护夹紧耐磨板等。另外对混凝土搅拌的实时监测、搅拌装置结构参数、喷水系统等也进行了大量的研究改进 2 。国外相关研究机构及生产厂家通过对搅拌机各个系统( 装置) 的研究，提高了混凝土搅拌机的可靠性、耐久性和经济性，使整机性能有了进一步的改善。1 1 2 国内搅拌杌研究现状我国的混凝土搅拌机研制起步于2 0 世纪5 0 年代，生产了国内第一代混凝土搅拌机，机型为鼓筒式自落式搅拌机，因当时国内对搅拌机的研究还处于初始阶段，因此搅拌机的搅拌性能及可靠性相对较差。通过进一步研究，1 9 8 4 年由长沙建机所率先对国内混凝土搅拌机进行改型设计，设计出不同容量的双锥倾翻出料搅拌机和强制式卧轴搅拌机【3 】，使国内混凝土搅拌机的发展水平有了很大提高。进入2 1 世纪以后，随着市场对基础建设要求的不断提高及建筑行业的高速发展，混凝土搅拌设备迎来了良好的发展机遇。搅拌机的种类、型号日益完善，搅拌性能及可靠性日益提高，国内相关研究机构及生产厂家在原有机型的基础上，对搅拌机进行不断地研究改进：通过对搅拌过程中搅拌叶片、搅拌臂和搅拌轴的受力分析，优化转动机构连接形式，提高传动机构与搅拌轴耦合效果，消除搅拌轴错位和重负载；对搅拌过程中搅拌筒受力进行分析，采用加强筋等辅助设计，保证搅拌机壳体的刚性，使其在满负荷运行的情况下保持良好的工作状况等。经过不断的发展，我国混凝土搅拌设备已经拥有一批专利和自主知识产权的技术，为进一步发展奠定了良好的基础。近年来，对混凝土搅拌设备关键技术的研究在不断深入，长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室的研究人员对双卧轴混凝土搅拌机结构和相关搅拌理论进行研究，系统的分析了搅拌叶片面积和安装角、搅拌臂数目和排列、搅拌2万方数据第1 章绪论线速度和搅拌筒长宽比等关键参数对搅拌过程的作用机理，并提出搅拌混合过程的评价方案和优化目标函数，带动搅拌设备进一步发展。在此基础上，搅拌机种类日益繁多，振动搅拌机、螺旋轴式搅拌机也相应问世，通过对混凝土搅拌机的研究改进，其搅拌性能在不断提高。研究人员对混凝土搅拌技术的研究已经进入新的阶段，在新机型研发的基础上，对各类搅拌机结构及工作参数的研究改进成为目前研究的重点方向。随着计算机技术的发展，仿真软件也逐步应用到搅拌流场的研究，为搅拌机搅拌性能的改进提供了一种新的研究思路。1 2 混凝土搅拌机发展趋势随着国家对建筑工程质量要求的日益提高，建筑市场对混凝土综合性能的要求也越来越高，因此，作为混凝土生产的关键设备，混凝土搅拌机也应满足市场发展的要求。在提高混凝土搅拌质量的基础上，满足节能环保、循环发展的工业生产要求成为混凝土搅拌设备未来的发展方向H - 5 。我国每年对混凝土的需求量很大，作为主要的建筑材料之一，其应用范围很广，在国民经济中占有十分重要的地位，而由此造成的污染和浪费也尤为严重。据相关统计，中国的水泥消耗量均占全球的6 0 左右，仅三峡工程就消耗水泥1 6 0 0多万吨；在近三年间，中国水泥用量超过美国在整个二十世纪的消耗量。从数据中可以看出，我国水泥混凝土材料的浪费不容忽视，由此造成了巨大的资源浪费和环境污染。为适应绿色生产的环保要求，未来应该注重节约型搅拌的研究。混凝土搅拌机的节约型搅拌指的是在不影响拌合质量的前提下，减少水泥等原材料的用量【6 7 1 。从混凝土拌合过程中的微观运动来看，为达到节约原材料的目的，搅拌机的搅拌性能必须满足拌合物料微观均匀性的要求，减少水泥粉料团聚现象的发生。以此为目的对新型搅拌机进行研发，振动搅拌机、双螺旋轴搅拌机等新机型相应问世【引，对其搅拌装置各参数进行改进，以此提高搅拌机的搅拌性能，加强搅拌效果，使粉料充分拌合，水泥砂浆更充分的将骨料包裹【9 ，从而实现在提高搅拌效果的基础上节约水泥用量的目的。减少混凝土搅拌机在拌合过程中的功率消耗也逐渐成为众多搅拌机生产厂家的重点发展方向。在搅拌过程中的功率消耗主要是由物料的阻力作用所产生，包万方数据山东大学硕士学位论文括物料旋转时的重力作用、物料对叶片的摩擦作用及物料本身的粘性造成的功耗。目前市场应用较广的双卧轴搅拌机普遍存在搅拌低效区及抱轴等现象，由于此种缺陷的存在，加大了对搅拌轴旋转的阻力，严重时可影响正常搅拌【1 0 1 。新型搅拌机的研发及改进应在保证混凝土搅拌效果的前提下，降低功率消耗，满足节能要求。目前市场较为先进的双螺旋轴搅拌机很好的满足这一要求，其投料峰值电流小，峰值持续时问短，搅拌时间快，且从根本上杜绝了抱轴现象，降低搅拌过程中的能耗 1 1 1 。因此，混凝土搅拌机环保节能的生产要求必定成为混凝土搅拌设备未来的发展趋势，双螺旋轴搅拌机这一新机型适应市场发展要求，对其搅拌装置的改进将成为重要的研究方向。1 3 课题的提出随着现代工程建设质量的提高，我国对混凝土搅拌设备的要求越来越高，而目前混凝土生产效率及质量无法满足施工的要求，急需提高混凝土搅拌机的搅拌性能，在此背景下提出本课题。目前市场应用较为广泛的双卧轴混凝土搅拌机搅拌装置主要由搅拌轴、搅拌臂及搅拌叶片等组成，在动力源的带动下搅拌臂及搅拌叶片随搅拌轴转动，以此达到拌合物料的目的。由于拌合物料是由粗骨料、细骨料、粉料等多组分组成，拌合过程中为防l 物料发生离析，应将物料的拌合速度控制在相应的范围内。如图1 3 所示，当物料在搅拌筒外围时，受到搅拌叶片较高线速度的搅拌作用，使物料流动速度过高；当物料在搅拌轴周围时，则物料流动速度较低，此区域内的物料搅拌作用较差，使物料流动的连续性降低，拌合效果不理想【l2 l 。同时由于搅拌轴附近物料拌合效果较差，加之物料本身粘性作用，在拌合低效区域很可能产生抱轴现象，即物料粘结在搅拌轴上，此处物料不仅得不到有效搅拌，而且影响搅拌筒内物料流动，降低整体拌合效果。针对以上搅拌过程中存在的不足，推出了双螺旋轴搅拌机，其结构如图1 4 所示，采用无通轴结构，用螺旋轴代替搅拌叶片，从而达到使螺旋轴直接参与搅拌的效果。由于其无通轴的结构特点，杜绝了抱轴现象，使物料拌合更为激烈，增强了物料流动；此外，双螺旋轴搅拌机的搅拌空间更大，搅拌料流阻碍更小。但4万方数据第1 章绪论是双螺旋轴搅拌机作为一种新的机型，国内对其搅拌装置的研究较少，对其结构参数及工作参数的设计缺少可靠的参考依据。矗M x 2 “R m，图1 3 搅拌装置及搅拌筒内速度梯度示意图j露7，图1 4 双螺旋轴搅拌机结构示意图本文根据双螺旋轴搅拌装置结构特点，以提高其搅拌性能及效率为目标，研究双螺旋轴搅拌装置结构参数及工作参数对混凝土搅拌质量的影响，并进一步对相关参数进行改进，以实现提高混凝土搅拌效果的目的。1 4 课题研究意义和内容1 4 1 课题研究意义随着我国基础建设的发展，现代工程建设质量的提高，我们对混凝土综合性能的要求也越来越高，混凝土搅拌作为其生产过程中的关键工艺，直接影响着混凝土的搅拌质量及生产效率。而目前我国混凝土搅拌技术还有待提高，搅拌材料的浪费现象仍十分严重。通过对搅拌技术进行改进，可以在提升搅拌机搅拌效率和质量的基础上，减少原材料的浪费，节约大量资源，具有重要的社会和经济意霪 。万方数据山东大学硕十学位论文义。本课题根据搅拌设备市场发展需求，以提高混凝土生产质量、搅拌设备工作效率、节约生产成本为目的，对双螺旋轴搅拌机这一新型搅拌机进行研究。通过理论分析及数值仿真，最终确定搅拌装置最佳的结构参数及工作参数，为此类新型搅拌机的发展提供了可靠的参考数据；数值仿真技术的应用减少了大量的试验研究，节省了成本，缩短了研发周期，并为混凝土搅拌设备的研发提供了可靠的参考依据。该研究同时也带动了相关设备的发展，从而在整体上提升混凝土的生产质量及效率，创造了良好的社会效益，对提高我国搅拌设备的技术水平及工程建设的质量都具有重要的理论和实用价值，并有着广阔的应用前景。1 4 2 课题主要研究内容( 1 ) 搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析首先对混凝土搅拌性能进行分析，研究搅拌过程中拌合物料宏观和微观均匀性的变化特点，分析搅拌对混凝土性能的影响；然后以整个搅拌过程为研究时域，对搅拌过程中不同阶段物料的运动特点进行分析，了解拌合物料在整个搅拌过程中由宏观均匀性到微观均匀性的变化形式。在此基础上，结合双螺旋轴搅拌机结构特点，分析其结构参数及工作参数对混凝土拌合效果的影响机制，确定搅拌装置的优化目标。( 2 ) 双螺旋轴搅拌机参数分析以搅拌过程中搅拌机各参数对拌合物料运动的影响为出发点，对搅拌装置几何参数及拌合过程受力情况进行分析，在达到较佳拌合效果的目标下对搅拌装置参数分析计算，确定螺旋轴螺旋形式及搅拌筒长宽比、螺旋升角等结构参数的参考取值范围，为进一步数值分析提供参考依据，并利用三维建模软件建立双螺旋轴搅拌机三维模型。( 3 1 双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化采用C F D 软件对双螺旋轴搅拌机搅拌流场进行数值分析，从而对参数进行优化，在参考取值范围内确定双螺旋轴搅拌装置最优的结构参数及工作参数。首先根据流体力学相关理论，建立混凝土搅拌控制方程并对多相流流动进行分析；然后对比不同结构参数下双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布及物料流动情况，确6万方数据第1 苹绪论定螺旋轴螺旋升角等结构参数；最后对不同搅拌速度下的搅拌流场进行分析，对比分析结果，确定最佳搅拌速度。( 4 ) 叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析确定双螺旋轴搅拌机最优结构参数后，将其与市场应用较为广泛的叶片式及螺带式搅拌机进行对比分析。在理论分析、产品调研及前人相关试验研究基础上，最终确定叶片式及螺带式最佳结构参数匹配，然后对叶片式、螺带式、优化后的双螺旋轴式三种类型搅拌机搅拌流场进行数值仿真，由仿真结果对比分析三种机型搅拌流场的速度分布均匀性，从而直观反映出三种类型搅拌机搅拌性能的差异。万方数据万方数据第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析第2 章搅拌过程对混凝土拌合质量影响的分析2 1 混凝土搅拌机理分析2 1 1 混凝土组分与性能分析混凝土是由水泥、粗细骨料、外加剂、水等按一定比例拌合，通过浇筑、成型等工序形成的一种复合材料1 3 】。硬化后的混凝土结构如图2 1 所：示。卜粗骨料2 一细骨料3 一水泥浆4 一气孔图2 - 1 混凝土结构示意图物料在经过一段时间搅拌后，水泥、水拌合成为水泥浆，水泥浆又将细骨料包裹成为水泥砂浆，最后砂浆包裹石子并充满间隙，成为新拌混凝土，经成型、密实等相关工序后，形成具有一定特性的整体1 4 J5 1 。由硬化混凝土结构及混凝土搅拌过程可知，混凝土破坏一般首先出现在骨料和水泥石的分界面上，因此水泥石及骨料界面处的强度直接决定硬化后水泥混凝土的强度。所以混凝土拌合的主要目的在于使各组分达到宏观和微观上的均匀分布，从而强化物料问的黏结力，得到高质量的混凝土拌合物。2 1 2 搅拌对混凝土性能的影响混凝土均匀度是影响混凝土搅拌质量的重要因素，在传统搅拌理论中，主要是对宏观搅拌性能的研究和改进，在实际生产中发现，物料在拌合一段时间后即可满足宏观均匀性的要求，但是对混凝土的微观结构观察后发现，部分粗骨料界厩并没有被水泥浆完全包裹，且水泥浆内也分布着干燥水泥团，这表明水泥并没有与拌合水充分拌合。上述现象表明，在只满足宏观匀质性的情况下，混凝土在9万方数据山东大学硕士学位论文黏结面处的强度还存在较大的缺陷，而由于干燥水泥团的存在，使包裹细骨料的水泥颗粒相对减少。就混凝土而言，水泥石及其与骨料问的黏结面是薄弱环节，如果搅拌不充分，微观均匀度达不到要求，就会导致水泥石及骨料界面处强度不足，从而使硬化后混凝土强度降低，影响混凝土搅拌机的搅拌性能1 1 6 - 1 7 】。因此在混凝土的搅拌过程中，应注重对拌合物料微观匀质性的提高：破坏干燥水泥团聚现象，使水泥与拌合水充分拌合；增加物料颗粒之间相互作用的程度，减少水化物薄膜层的形成等【1 8 】。即通过搅拌提高物料微观均匀性，以此提高混凝土的性能。物料在搅拌过程中，应注重各组分分界面间拌合情况。各组分分界面问同时存在着物理及水化反应等作用，拌合过程使各组分状态及性能发生了变化，而影响其变化的关键原因是组分分界面问的吸附作用与扩散作用。通过强化搅拌作用，使每单位骨料颗粒都被水化物薄膜所包围，此时拌合物料满足理想的微观均匀度要求，混凝土性能达到最佳，以此通过强化搅拌来提高混凝土强度1 9 - 2 0 l 。混凝土颗粒微观分布如图2 2 所示。二一a 颗粒团聚重蘑图2 2 混凝土颗粒微观分布图对于现场搅拌，通常是尽可能的缩短物料的拌合时间，因此掌握满足强度要求的混凝土最小搅拌时间对提高生产效率十分重要。对于不同类型的搅拌机和搅拌工艺，其对物料的拌合时间有所不同，基本原则是保证拌合物料达到混凝土各项指标要求，例如表2 1 为A S T M 对某类型搅拌混凝土要求，必须在每批料的1 6和5 6 点处抽取混凝土试样，两试样性能的差别不能超过以下任何规定陟2 2 1 。1 0z k q 20150924万方数据第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析表2 - 1 某类型混凝十性能指标项目两试样性能指标差混凝土的表观密度含气量坍落度骨料分数( 剩在4 7 5 m m 筛上)不含空气的砂浆表观密度抗压强度( 3 个圆柱体试件的7 d平均强度)1 6 k g m 31 2 5 m m ( 平均值在1 0 0 m m 以下) ；4 0 m m ( 平均值在1 0 0 1 5 0 r a m )6 1 6 7 5 对于给定的搅拌机，搅拌时间和拌合物的性能两者之间存在一种关系，如图2 3 所示。根据国外对某型搅拌机试验得出的抗压强度与搅拌时间之间的关系可知，在经过段拌合时间后，混凝土强度增加速度降低，甚至在继续延长搅拌时间后混凝土强度不再增加甚至是减小【2 3 1 。即在某一时间内，随着搅拌时间的增加，可以提高其搅拌质量，但是超过这个时间后，延长搅拌时间也不能显著提高混凝土的性能 2 4 】。2 52 0羽妻1 5塾霪1 0冬搅拌时间( s )图2 - 3 抗压强度与搅拌时间之间的关系水泥是一种水硬性胶凝材料，如果搅动时间过长，水化产物将受到影响，凝胶和晶体网状结构减少或者遭到破坏，从而降低水泥石的强度；另外，搅拌时间过长将破坏水泥浆中所生成的硅酸盐水化合物及C a ( O H ) 2 所形成的各种晶体和z k q 20150924万方数据山东大学硕士学位论文它们互相穿插所形成的网状结构，破坏水化作用的深入和晶体的增长，从而影响水泥石强度2 6 1 。为提高混凝土搅拌质量，国内进行了长期的研究，在添加剂、搅拌工艺、搅拌机方面进行改进，如通过添加剂改善混凝土材料，进而提高混凝土的使用性能；采用二次搅拌工艺，采用分段搅拌来强化各阶段搅拌过程，提高其微观匀质性能；通过改进搅拌装置结构参数，以达到提升搅拌机拌合性能的目的等。2 2 搅拌过程中物料的运动分析在搅拌机的搅拌作用下，各种分离的拌合物料要形成均匀性满足要求的混凝土，其拌合物料颗粒在搅拌过程中的运动是十分复杂的。物料的拌合过程主要由以下三种运动方式实现：( 1 ) 对流运动。对流运动是搅拌过程中最基本的运动形式，拌合物料在搅拌机的作用下，产生轴向及径向位移，在此过程中，拌合物料在搅拌筒内形成循环流动，促使粗骨料、细骨料等粒径不同的组分相互混合，达到物料宏观上的均匀拌合，此过程对于搅拌开始阶段物料的混合有很大作用。( 2 ) 扩散运动。扩散运动是小粒径物料在有限范围内的随机运动，可以看作拌合物料的局部运动，其运动强度较低，但却是达到微观均匀性不可缺少的运动形式，在扩散运动的作用下，可以修复在对流作用中混合不充分的各组分界面，增强骨料与水泥石结合面的强度。( 3 ) 剪切运动。在物料拌合过程中，各组分粒子间也会发生相对作用，由此产生的运动即剪切运动。由于各组分粒径，材料属性的不同，导致其在搅拌过程中运动速度和方式也有所不同，因此各组分问就产生相对运动，造成剪切或碰撞的运动形式。在剪切运动中，有效作用主要为破坏粉料的团聚现象，粉料的团聚主要是粉料与拌合水接触后，在水面张力的作用下，粘着成为干燥的粉状凝聚体。在剪切作用下破坏了这些团聚颗粒，在一定程度上也促进了拌合的微观均匀性。通过上述分析阐明了拌合物料在拌合过程中的运动形式，下面结合其运动形式对混凝土搅拌的动态过程进行分析，混凝土搅拌时间与均匀度的关系如图2 4所示。z k q 20150924万方数据第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析均匀度图2 4 混凝土搅拌时间与均匀度的关系在拌合初始阶段，物料的运动方式主要为对流运动，即如图2 4 所示第一阶段，各组分相互混合，在搅拌装置的作用下形成的循环流动是促进此阶段拌合的主要方式【2 7 1 。进入第二阶段后，各组分已经在一定程度上混合，以混合物料的形式在搅拌筒内形成规律的循环流动，此阶段扩散运动及剪切运动开始发挥作用，拌合由宏观均匀过渡到微观均匀，主要改善各组分分界面物料颗粒分布，并破坏上一阶段所形成的粉料团聚颗粒。在第三阶段物料拌合已达到动态平衡，继续增加搅拌时间对拌合物料的均匀度改善作用已经不明显。拌合物料在整个搅拌过程中，从物料运动方式角度来分析，影响其最终搅拌效果的因素包括各阶段物料的运动特点、各相物料颗粒大小及物料之间粘结力等因素。因此，搅拌装置的设计及改进的目标就是针对不同阶段物料运动方式的特点，完善和强化其运动，使物料在搅拌筒内形成流畅均匀的循环流动，在各个方向达到三种形式运动的有机结合。2 3 双螺旋轴搅拌机对物料拌合效果的影响2 3 1 搅拌装置结构参数对物料拌合效果的影响双螺旋轴搅拌机搅拌装置主要由双螺旋轴及搅拌筒等组成，是参与物料拌合最重要的机构，其结构参数对物料的拌合过程及拌合质量有着很大影响。搅拌装z k q 20150924万方数据山东大学硕士学位论文置的主要结构参数包括搅拌筒的长宽比、螺旋轴的螺旋形式、螺旋轴的螺旋升角等。( 1 ) 搅拌筒尺寸对搅拌流场的影响搅拌筒长宽比对搅拌效果会产生一定影响。在搅拌装置的拌合作用下，物料做轴向及径向运动，并形成规律的料流循环，因此选取合适的长宽比有助于物料的循环流动，从而提高混凝土搅拌质量；另外搅拌筒的长宽比也直接影响螺旋轴螺距、螺旋升角的尺寸，通过对螺旋轴形状尺寸的影响，间接影响混凝士的搅拌质量，所以应该针对物料拌合情况选择恰当的搅拌筒尺寸2 8 1 。f 2 ) 螺旋轴螺旋形式对搅拌效果的影响物料在拌合过程中，螺旋轴是最主要的作用机构，其螺旋形式直接影响物料在搅拌筒内的流动方式。针对螺旋搅拌结构，其螺旋形式包括阿基米德螺旋、对数螺旋及复合螺旋等，根据拌合物料的特性、拌合要求及搅拌容器的形状来选择合适的螺旋形式。对于双螺旋轴搅拌机，根据( 0 型搅拌筒外形及搅拌筒内物料轴向循环径向剪切的运动规律选取合适的螺旋形式，有助于提高混凝土搅拌质量。( 3 ) 螺旋轴螺旋升角对搅拌效果的影响螺旋轴在拌合物料过程中，推动物料沿轴向及径向运动，加之物料自身重力作用及离心运动，实现物料在搅拌筒内形成循环流动，而在此过程中，螺旋轴螺旋升角的选取影响到物料在轴向及径向受力和位移，其螺旋升角如果过小，则导致拌合物料受到的轴向作用过低，循环过程减慢甚至造成物料堆积；其螺旋升角如果过大，则螺旋轴对物料的径向搅拌作用过低，同样影响物料循环，所以选取合理的螺旋升角对物料拌合尤为重要。2 3 2 搅拌装置工作参数对物料拌合效果的影响搅拌机的搅拌速度是其工作过程中的重要工作参数，关系到物料拌合效果及搅拌机功率消耗等。由于搅拌装置自身结构特点，无论叶片式、螺带式、螺旋轴式搅拌机都存在速度梯度现象，即在相同转速下，搅拌装置离搅拌筒轴心越近其线速度越低。根据搅拌机转速特点，选择合适的搅拌速度可以增强物料循环流动，使微粒间碰撞加剧，提高整体搅拌的均匀性。对于搅拌速度的选择，既要使其保持在一定大小之上，从而克服物料阻力，使物料充分流动，又要注意在搅拌过程1 4 z k q 20150924万方数据第2 章搅拌过程对混凝士拌合质量影响的分析中防止离析现象发生。因此搅拌速度的合理取值不仅能提高搅拌质量，又能避免发生离析等现象，从而保证搅拌机良好的搅拌性能【2 9 - 3 0 。2 4 本章小结( 1 ) 本章首先从混凝土基本结构和其性能要求分析搅拌过程对混凝土质量的影响。搅拌机的搅拌性能主要以物料拌合的匀质性作为评定指标，特别是混凝土的微观均匀度，因此在搅拌过程中应注重提高各相物料界面黏结程度及减少干燥粉料的团聚，从而提高混凝土整体的强度。而后对搅拌时间进行分析，发现在某一时问内，随着搅拌时间的增加，可以提高混凝土搅拌质量，但是超过这个时间后，延长搅拌时间也不能显著提高混凝土的性能。( 2 ) 进一步分析搅拌过程中物料的运动方式，从颗粒运动的层面将其运动主要分为对流运动、扩散运动、剪切运动，并对不同搅拌阶段的运动形式进行研究，在搅拌开始阶段主要是对流运动促进拌合物料的宏观均匀性，在搅拌中后期通过扩散运动和剪切运动强化各相拌合物料界面黏结质量。因此确定搅拌装置的改进目标主要是针对不同阶段物料运动方式的特点，完善和强化其运动，以达到增强搅拌机搅拌性能的目的。( 3 ) 最后分析搅拌机对混凝土搅拌质量的影响。影响混凝土拌合效果的主要结构参数为搅拌筒尺寸、螺旋轴螺旋形式、螺旋轴螺旋升角及搅拌速度等，结合之前对物料运动的研究，分析各参数对物料运动及拌合效果的影响，确定搅拌装置的优化目标，从而进行后续的双螺旋轴搅拌机参数优化分析。z k q 20150924万方数据万方数据第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析通过对混凝土的搅拌性能及搅拌装置的结构特点进行分析，确定搅拌筒尺寸、螺旋轴螺旋形式、螺旋轴螺旋升角及搅拌速度对物料拌合效果的影响。在此基础上，本章对各个参数进行具体分析计算，从而确定螺旋轴螺旋形式及其它参数的参考取值。3 1 双螺旋轴搅拌机结构参数分析3 1 1 搅拌筒长宽比理论分析与计算搅拌筒的长宽比是混凝土搅拌机的重要结构参数，其取值会影响物料的拌合效果。如长宽比过大，则拌合物料的轴向运动距离过长，从而减少拌合物料循环流动的次数，导致搅拌时间延长、混凝土搅拌质量下降、螺旋轴刚度降低，使用寿命受到影响；如长宽比过小，又会使搅拌筒及螺旋轴的直径过大，导致拌合物料径向搅拌不充分，影响混凝土搅拌效果。参考国内外同类搅拌设备，其搅拌筒长宽比大致可分两类：一类是窄长型，长宽比取值在1 1 1 3 之间；另一类为宽短型，长宽比取值在0 7 0 9 之问 3 。其尺寸的确定不仅以拌合物料在搅拌筒各个方向都能较短时间同时拌合均匀为目标，另外还要考虑制作成本和外观等因素。由于搅拌筒长宽比的选择不仅关系到搅拌质量及使用寿命，而且对搅拌机转速、螺旋轴螺旋升角等参数也会有影响，因此本文首先从节省制造成本为出发点，对双螺旋轴搅拌机搅拌筒进行分析与计算【3 2 】。对筒体几何形状简化处理，尺寸参数如图3 1 所示。W图3 1 简化筒体几何参数示意图万方数据山东大学硕士学位论文建立数学模型，目标为节省材料，即在体积一定的情况下，其表面积最小。搅拌筒体积：睁陟R + ；三尺2 s i n 2 o + L R 2 ( r r 一妒)( 3 1 )搅拌筒表面积：辟R 2 s i n 2 妒+ 2 R 2 ( r t q ，) + 2 L R ( r r 一妒) + 上陟，+ 2 陟R + 2 三尺( 3 2 )式中W = 2 R ( 1 + c o s l 9 0 ) ，引入辅助函数：F ( L ，R ) = 2 尺z 弓s i n 2 妒十一缈) + 2 R 一妒) + 册2 腓+ 2 L 尺+ A 忡2 畦s i n 2 伊+ - o ) + L W R 一矿) = 0 ( 3 - 3 )p 取值范围为4 0 0 4 5 0 ，解方程组r a FI 丽20 篆= 。p 4 ，崤20得：当6 p = 4 0 0 时庐0 7 ，当妒= 4 5 0 时E = 0 7 2 。所以当搅拌筒长宽比约为0 7 时，即宽短型搅拌筒所需的制造材料较少。因为长宽比的取值还影响到其它结构参数取值及物料拌合的效果，所以此值只能作为其参数选取时的参考。对于长宽比的最终取值，还要考虑搅拌装置其他结构参数对其的影响，在双螺旋轴搅拌装置中，螺旋轴螺旋升角的取值与长宽比的选择紧密相关。因此需要各参数达到最佳匹配，才能使物料得到充分均匀的拌合。3 1 2 双螺旋轴螺旋形式分析设计螺旋搅拌装置采用的是三维螺旋曲线，主要分为圆锥螺旋曲线和圆柱螺旋曲线，对于圆锥螺旋曲线，常用的有对数螺旋线和阿基米德螺旋线。对数螺旋线的螺旋升角保持不变，其螺距随搅拌简直径成正比变化，螺旋线形式如图3 - 2 所示。万方数据第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析a 均榍等黛专AI 、H l 【：hD 刀J -一J LF一图3 - 2 对数螺旋线阿基米德螺旋线螺距保持不变，螺旋升角却随搅拌筒横截面的直径成反比的变化，螺旋线形式如图3 3 所示。I 黎祭，I j蠖劫。j 二彩图3 - 3 阳基米德螺旋线由搅拌筒形状可以得出，其有效搅拌区的端面直径始终保持不变，如螺旋轴采用圆锥螺旋曲线，存在两点不足：首先圆锥螺旋的端面直径是在不断变化的，而搅拌筒的端面直径则保持不变，在圆锥螺旋线端面直径较小的部位，螺旋轴与搅拌筒内壁存在较大间隙，此区域内的拌合物料不能有效地进行拌合；拌合物料在螺旋轴的作用下，在搅拌筒内形成循环流动，从而快速有效的使物料均匀拌合，如采用圆锥螺旋形式，则在不同径向截面，其单位时间内物料流动量不同，不利于物料循环，影响搅拌效率。因此，从多方面考虑，双螺旋搅拌轴的螺旋采用圆柱螺旋曲线形式。为保证搅拌过程中物料有效循环流动，应采用等螺距，等升角的圆柱螺旋曲线形式，如图3 4 、3 5 所示。1 9万方数据山东大学硕士学位论文图3 4 圆柱螺旋线图3 - 5 双螺旋轴螺旋线螺旋线上每一点对应的切线，与圆柱正截面的倾角的余角即为螺旋角。如图3 - 5 所示，将螺旋线展开，与圆柱底面展开线及一个导程组成直角三角形。由于螺旋线展开后为一直线，因此它是圆柱面上不在同一素线的两点之间的最短距离线。)一：汰-。_D，乙弋_冬陡k屯图3 - 6 圆柱螺旋线投影图其轴向及径向投影如图3 - 6 所示，可以看出拌合物料在搅拌筒内受到螺旋轴在轴向及径向的均匀搅拌，并有利于形成物料循环流动，此为较佳的螺旋曲线形式。3 1 3 双螺旋轴螺旋升角设计计算螺旋升角即螺旋线切线与径向端面问的夹角，螺旋轴曲线的螺旋升角对拌合物料的流动有着很大影响，由于影响物料循环流动作用的主要为外螺旋轴，因此本文主要对外螺旋轴螺旋升角进行设计计算。当a 角较小时，螺旋轴作用面近似万方数据第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析与搅拌筒轴线垂直，在此情况下，螺旋轴对拌合物料在轴向的作用过小，导致物料轴向运动不足，影响搅拌；随着a 角的增大，螺旋轴对拌合物料的轴向作用增强，物料轴向流动增强，搅拌质量提高，但随着仅角的继续增大，拌合物料沿螺旋轴作用面的摩擦阻力逐渐增加，容易使物料在螺旋轴上淤积，物料在搅拌筒内流动的连续性降低，甚至影响物料的正常拌合。如图3 7 所示，即为该处螺旋轴的螺旋升角。图3 7 螺旋轴螺旋升角螺旋升角的计算方法如图3 - 8 所示。螺旋升角计算公式为：式中：仅一螺旋升角5 L 螺距卜螺旋中径图3 8 螺旋升角示意图口= a r Ct a n _ Sd( 3 5 )2 1万方数据山东大学硕士学位论文由上式可以看出螺旋升角的改变受到搅拌筒尺寸的影响，通过对搅拌筒尺寸分析，我们确定螺旋升角取值范围：当长宽比为1 1 0 时，螺旋轴螺旋升角a = 3 5 2 0 ；当长宽比为O 7 8 时，螺旋轴螺旋升角a = 2 5 7 。F 面通过对流场中一物料单元进行分析，验证螺旋升角是否满足物料拌合要求。图3 - 9 混凝土物料质点受力分析将某一时刻双螺旋轴搅拌装置对物料单元的作用情况进行简化，如图3 - 9 所示，F 茄为该物料单元所受挤压力；F 雾为搅拌装置驱动力，F = F 嚣一F 拜，凡、F 为垂直方向和搅拌装置径向分力；一为物料与螺旋轴作用面之间的摩擦力。由图分析可知，为使物料能够沿径向运动，应满足F t a I l a F 企0 ，即a a r c t a n f , 若取f = o 4 2 ，a 2 3 0 。综上可得，对于窄长型和宽短型搅拌筒，其螺旋升角的取值分别为3 5 2 0 和2 5 7 0 。3 2 双螺旋轴搅拌机工作参数分析搅拌机转速是混凝土搅拌过程中的重要工作参数，其取值关系到混凝土搅拌时间、搅拌质量及搅拌能耗等，因此应选取最佳的搅拌机转速，以达到高效节能的拌合目的1 3 引。通常，混凝i 二拌合物料的流变性质可用宾汉姆模型来研究，如图3 1 0 所示，其料流变方程表示为 3 4 ：f T 屈+ ，7idv(3-6)式中：万方数据第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析r 一混凝土剪应力；r r 屈服剪应力：刀一混凝土塑性粘度：d v d t 一混凝土剪切变形速率。图3 - 1 0 混凝土粘塑性随剪应力变化关系图由图3 一1 0 及方程3 6 可知，屈服剪应力f 厨与粘度系数玎是决定拌合物料流变特性的重要参数。在混凝土拌合时，物料颗粒之间的作用力对整体变形流动造成阻碍，此时阻止其变形的最大应力r 届即为塑性强度。因此只有在外力作用所产生的剪切应力大于塑性强度r 屈，才会产生流动特性【35 1 。所以，从促进拌合物料流动特性的角度考虑，提高搅拌速度有利于提高拌合物料的剪切变形速率d v d t ，从而增加物料和易性，提高搅拌机搅拌效能。某类型搅拌机在不同搅拌速度下拌合对混凝土强度影响如图3 1 1 所示。鬟。型蕊甾SK罩稔f 一产-2f I搿， 、，!纠O1 0 02 0 03 0 04 0 0搅拌时问( s )摹、一妊磷淄蹩揽拌时间( s 1 速度0 6 m s2 - 速度0 6 m s3 - 速度0 6 m s4 - 速度0 6 m s图3 - 11 不同搅拌速度下混凝土相对强度及其离差系数的关系由图3 1 1 可以看出，搅拌速度处于相对较低水平时，延长拌合时间，可以增2 3万方数据山东大学硕士学位论文强硬化混凝土的抗压强度，并且使混凝土的离差系数降低到一定范围。当搅拌速度过高时，其相对抗压强度反而较低，且离差系数也较大，所以由图可以看出拌合速度过大时混凝土的拌合质量降低3 6 l 。另J , I 、O H 果搅拌转速过高，搅拌装置容易造成碎石挤压，从而加剧搅拌装置及衬板的磨损，并且会增加电机负载。由此可见，搅拌转速应控制在合理的范围内，在提高物料拌合效果的基础上，保证搅拌效率。物料在螺旋搅拌轴挤压、摩擦等作用下，在搅拌筒内做对流、扩散、剪切运动，达到充分拌合的目的。以某一物料单元为例，在螺旋轴强制拌合的过程中，存在一个l 临界角度，此时物料处于自落式状态，物料在此状态下应该能做抛落运动，搅拌转速应该满足临界点以使物料分散抛离；搅拌速度亦不能过大，在高速转动下物料易产生离散，影响拌合质量，且磨损较大，因此搅拌速度应该有一个合理的取值范围。图3 一1 2 为物料单元受力分析示意图。假设物料单元处于某一位置时，螺旋轴在垂直于作用面方向上对物料作用力为零，对此状态下物料单元进行受力分析。? 。j， ，7jeF 离心GF! 。j 。图3 1 2 物料受力分析示意图如图3 1 2 所示，物料单元重力为G ，将其分解为垂直于作用面的G o 、径向力F 翟；F 雕伪物料单元在径向所受合力而提供的离心力；G o 可分解为正压力F 和切向力易；物料在此时下应该能做抛落运动，即物料单元所受的径向合力必须沿作用面向下：F 翟F 劓十F 属静F 矿G s i n 0( 3 7 )( 3 - 8 )万方数据第3 章双螺旋轴搅拌机参数分析F 离心= G V 。g R( 3 - 9 )F 摩 t g = 厂F 磁2 厂Gc o s 0c o s a( 3 - 1 0 )式中：产- 摩擦系数：R 一螺旋轴外缘到中一t l , 轴线的距离；n 一螺旋升角：p 一为物料单元抛落倾角，一般取4 2 0 7 5 0 。为保证螺旋轴搅拌装置的搅拌效果，搅拌线速度不能超过极限值，且速度不能过低。综合考虑分析，其搅拌速度取值范围为1 4 2 0m s 。3 3 双螺旋轴搅拌机三维模型建立由以上分析计算，确定双螺旋轴搅拌机搅拌装置结构参数取值范围：螺旋轴螺旋曲线采用等螺距、等升角的圆柱螺旋曲线形式，搅拌筒取窄长型及宽短型两种，螺旋轴螺旋升角分别取3 5 2 0 和2 5 7 0 。参照某单位某型号搅拌机相关参数，分别建立不同结构参数下的双螺旋轴搅拌机三维模型，为进一步数值仿真做准备。某参数下双螺旋轴搅拌机三维模型如图3 1 3 所示。图3 1 3 某参数下双螺旋轴搅拌机三维模型3 4 本章小结( 1 ) 本章对双螺旋轴搅拌机结构参数进行分析计算，主要包括对搅拌筒长宽比、螺旋轴螺旋形式及螺旋轴升角等参数的分析计算。初步确定搅拌筒尺寸，其长宽比约为0 7 时最节省制作材料；由搅拌筒形状及物料拌合要求确定圆柱螺旋曲线是万方数据山东大学硕士学位论文螺旋轴较佳的螺旋曲线形式：通过对物料颗粒进行分析，对螺旋轴螺旋升角进行计算，窄长型和宽短型搅拌机螺旋升角的取值分别为3 5 2 0 和2 5 7 0 。( 2 ) 本章对双螺旋轴搅拌机工作参数进行了分析，搅拌转速应控制在合理的范围内，在提高物料拌合效果的基础上，保证搅拌效率。以某一物料单元为研究对象，在螺旋轴强制拌合的过程中，存在一个最小转速，可以使物料分散抛离；并且搅拌速度亦不能过大，在高速转动下物料易产生离散，影响拌合质量。通过计算及综合分析最终确定搅拌线速度的取值范围为1 4 2 0r r d s 。从而为下。步数值仿真提供依据。2 6万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化通过对各个参数进行具体的分析计算，确定了螺旋轴螺旋形式及其它参数的取值范围。在此基础上，本章采用数值分析的方法，通过对搅拌流场进行数值仿真，对比不同参数下物料流动的连续性及拌合强度，从而确定最优的结构参数及工作参数。4 1 混凝土搅拌控制方程的建立及多相流流动分析4 1 1 混凝土搅拌控制方程的建立混凝土的拌合过程伴随着复杂的物理及化学变化，在拌合过程中，水泥、骨料等离散相，水和添加剂等连续相相互作用，形成多相流相互耦合的过程，而目前对这种同时包含物理及化学变化的多相耦合尚未形成统一完整的研究体系。针对颗粒运动的数值模拟情况，可以采用离散相颗粒模型或流体拟颗粒模型，其适用条件及情况不同，各有特点，也可将两种模型结合进而计算条件相对复杂的流场问题f 3 7 】。针对拌合过程中的骨料，根据其特性应该属于非连续流动，这种情况不但包括稠密流固耦合，而且要将颗粒在运动过程中对其他液相流动的影响程度纳入模型计算，目前还没有有效的解决方法来应对此种情况。E u l e r - E u l e r 模型是适用于复杂的多相流模型的数值模型，在进行数值计算时，将各相介质进行时间和空间上均化处理，将各相组分流动连续化，以此来适应离散相和连续相流动的描述计算38 1 。本文将骨料及粉料颗粒一同作为与拌合水相互渗透的拟流体，采用拟流体模型对流场简化处理分析，与液体连续相在E u l e r 坐标下进行计算，对物料的质量及动量的控制方程进行数值求解，从而获得流场压力、速度及颗粒运动轨迹等参数。混凝土拟流体的拌合过程是物料在搅拌装置推动下的相互作用，随着搅拌过程的进行，物料速度、压力等不断变化，在此过程中，整个搅拌流场的物料变化符合以下质量守恒方程：掣+ 掣- I - 百O ( w p ) + 面0 p = o ( 4 - I )a x。8 、，8 z。8 t。式中，p 物料密度；2 7万方数据山东大学硕士学位论文c 物料流动时I 司； 、1 ，、w 空间点在x 、y 、z y 向的速度分量。本文将水泥砂浆、水看作不同的相，对于不同相拌合过程建立拟流体和水相的动力学方程3 9 1 。两相流的连续性方程：掣+ 去( 刖口u ：) ：i V p ( p 一和口)( 4 - 2 )3 = i式中，口、口流体相和拟流体相；。q 相的体积分数；以a 相的材料密度；p 相的数量；曰两相转化的单位体积的质量率。混凝土在拌合过程中，物料之问的相互作用对均匀拌合起到重要作用，在对其进行数值分析过程中，物料单元相互作用的动量变化显得尤为重要，其动量守恒方程表述为：| ，掣v 胁，= 一赛+ 警+ 鲁+ 鲁+ & 掣+ d i V ( p 伽) 一赛+ 百0 T x y + 百O Z y y + 百0 T z y + 弓( 4 - 3 )伴a ( p w ) + d i V ( 删) 一瓦O p + 百O T x z + 百a z y z + 百0 T z z + 疋式中，p 物料单元压力；、R 、艺物料单元在三个方向的受力； C x x 、T v ”T z x 粘性应力的分量。即得出其动量守恒方程：堕塑a t 趔+ 击( 钆几u J ：) = 咖a P a g - 机差+ 岳( 钆T 蓼) + 砭+ 皂。( 嵋一u ：) + 关。O f f 卢u ；一p u ：)( 4 4 )式中，P 两相之间的压力；T ：拟流体卢相对流体相6 【产生的剪应力；万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化u ：、“自分别为流体相6 c 、拟流体相的质量平均速度；尼不同相间的非阻力项。4 1 2 混凝土多相流流动分析连续介质的流动状态一般可分为三种，分别为湍流、过渡流和层流，其中过渡流是介于湍流和层流之间的流动状态，其变化可以用R e y n o l d sn u m b e r 来表示。R e y n o l d sn u m b e r 较小时，影响流场的主要因素为黏滞力，流场在黏滞力作用下使其形成稳定流动，此时为层流状态；R e y n o l d sn u m b e r 较大时，影响流场的主要因素为惯性力，此时黏滞力不能使流场中的扰动大幅衰减，造成流动较不稳定，从而形成紊乱、随机性强的流动，此时为湍流状态。混凝土拌合物料在搅拌过程中，影响其流场流动的主要因素是物料流动的惯性力，使流场形成不稳定的流动状态，加之搅拌装置的作用，使其流动更加复杂，因此搅拌流场的流动方式主要是湍流流动。凶为湍流运动的复杂且不规则的流动方式及数学上非线性特性，所以很难用数值模拟的方法准确描述其流动状态。而实际上针对湍流流动的问题，我们般采用平均N S 方程来解决，当我们对不规则的湍流流动的N S 方程平均后，得到相应的平均方程【4 1 1 ，并且引入湍流模型来封闭N S 方程组。常用湍流模型分为：零方程模型、一方程模型和两方程模型等，零方程模型、一方程模型一般适用于简单的湍流流动，两方程模型适用范围较广，包括标准k 模型、R e a l i z a b l ek - 模型以及R N G k 一模型。根据混凝土搅拌流场特性，选择R N G k 一模型作为物料湍流流动的数值模型。4 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及参数优化4 2 1C F D 仿真条件设定( 1 ) 搅拌材料性质定义根据各组分的密度和体积分数值，按照体积加权混合律，求出混合物当量密度，其中，均匀状态的泥浆密度为2 5 0 0 k g m 3 ，将均布状态下的石子离散相看做连续流体。常用的C 2 5 混凝土配合比为水泥：水：砂：石= 1 ：O 4 7 1 5 9 ：3 3 9 。非牛顿流体粘度定义模型包括H e r s c h e l B u l k l e y 模型、幂律模型、C a r r e a u 模型、二万方数据山东大学硕士学位论文阶模型等，其中H e r s c h e l B u l k l e y 模型可用于计算宾汉姆流体粘度。本文采用C 2 5 混凝土为例，液相为液态水，参数由C F D 软件白行导入，拟流体相为砂浆，密度p = 2 5 0 0 k g m 3 ，粘度为1 0 3p a S 。( 2 ) 拌合条件设定在三维模型内选定流体仿真区域，两个旋转区域以相同转速，相反转向转动；对螺旋轴进行简化，只保留对搅拌起主要作用的结构；根据研究目标设定不同的搅拌转速及螺旋轴不同螺旋升角进行仿真，对结果进行对比分析。4 2 2 搅拌流场数值仿真结果对比分析及结构参数优化根据优化目标，提出了搅拌装置参数优化的数值分析方法：在空间坐标系中，按三维坐标方向测搅拌的均匀度，就可知道在不同方向都达到给定均匀度的时间。根据数值仿真的结果，朝着优化目标，调整搅拌装置的结构及工作参数，使其能够在工作腔内所有方向都同时达到给定均匀度，就能实现搅拌参数的优化，从而确定搅拌装置最佳参数及其匹配关系。由第三章分析计算可知搅拌筒长宽比与螺旋轴螺旋升角关系，下面就窄长型和宽短型两种类型进行分析，即对螺旋升角为3 5 2 0 和2 5 7 。两种情况的搅拌流场进行分析。宏观及微观均匀性是判定混凝土物料拌合质量高低的最重要的性能指标，由C F D 软件对搅拌流场进行数值分析，可以得出各位置速度、压力、密度等情况，本章节主要通过搅拌流场速度云图等图谱来对拌合物料在空问坐标Z 、X 、Y 三个方向均匀性及拌合强度进行分析4 2 I ，通过流场内不同位置的速度分布可以体现出流场均匀性分布，而物料流动的速度则可以体现物料拌合的剧烈程度及拌合效率，本文从这两方面对搅拌流场进行研究分析。在窄长型搅拌机模型流场中取3 个位置，同时按照相同比例在宽短型搅拌机模型取3 个位置，对比分析两种情况下搅拌流场在z 轴、X 轴、Y 轴方向七的速度分布情况。( 1 ) 搅拌流场Z 轴视图方向速度云图对比分析万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化圈西丽口位置一速度云图b ) 位置二速度云图鼍嘲黟飞、谶。自泌酽c ) 位置三速度云图图4 一l3 5 2 。螺旋升角搅拌机搅拌流场Z 轴方向速度云图a ) 位置一速度云图一b ) 位置二速度云图翻c ) 位置三速度云图图4 22 5 7 0 螺旋升角搅拌机搅拌流场Z 轴方向速度云图由图4 1 、4 2 所示，窄长型搅拌机拌合速度主要分布在0 3 5m s 1 4 5m s ，最高速度集中在搅拌筒底部，在搅拌筒中部存在部分低速区：宽短型搅拌机拌合速度主要分布在0 4 5m s 1 5 5r r g s ，最高速度集中在搅拌筒底部。通过速度云图对比鼍罗镯，纛一黪；A 遴圈万方数据山东大学硕士学位论文可以得出，宽短型搅拌机整体搅拌速度均匀性要优于窄长型，宽短型搅拌机搅拌平均速度高于窄长型，并且两种类型搅拌机搅拌速度梯度相差不大。由此得出结论，宽短型搅拌机搅拌流场速度分布的均匀性整体要优于窄长型，且搅拌平均速度较高，有利于物料搅拌。即由z 轴视图方向速度云图对比分析可以得出宽短型搅拌机搅拌流场物料流动连续性及拌合强度优于窄长型。( 2 ) 搅拌流场x 轴视图方向速度云图对比分析囵蒸。，鋈燕警a ) 位置一速度云图一誓b 1 位置二速度云图c ) 位置三速度云图图4 33 5 2 。螺旋升角搅拌机搅拌流场x 轴方向速度云图万方数据弟4 草戳螺旋硼搅拌耐【揽扦流场数值分析及参数优化毪熬一”一嚣。，黛鲨黟。、| jt 一。“攀j 誊；i ，j ；j 二j圈c ) 位置三速度云图图4 42 5 7 。螺旋升角搅拌机搅拌流场X 轴方向速度云图由图4 3 、4 4 所示，窄长型搅拌机拌合速度主要分布在O 3 5i n s 1 2 5m s ，最高速度集中在搅拌筒底部，在搅拌筒端面附近存在部分低速区；宽短型搅拌机拌合速度主要分布在0 3 5m s 1 2 0m s ，最高速度集中在搅拌筒底部，在物料流动方向其速度分布较均匀，只在一侧端面位置存在少量低速区。通过速度云图对比可以得出，宽短型搅拌机拌合速度整体均匀性要明显优于窄长型，两种模型主要搅拌区域速度梯度跨度相差不大，但窄长型搅拌机在各取样位置明显存在部分搅拌低速区，不利于物料搅拌，由X 轴视图方向速度云图对比分析可以得出宽短型搅拌机搅拌流场物料流动连续性方面优于窄长型。( 3 ) 搅拌流场Y 轴视图方向速度云图对比分析万方数据山东大学硕士学位论文雕i灌熘0 1哥0 $ 5 3。 07 7 505 4 0黼ia ) 位置一速度云图b ) 位置二速度云图c ) 位置三速度云图图4 53 5 2 0 螺旋升角搅拌机搅拌流场Y 轴方向速度云图万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化爨焉憋：蒸m C8 ：8雕；爨澄鹾燕鳓a ) 位置一速度云图b ) 位置二速度云图C ) 位置三速度云图图4 - 62 5 7 0 螺旋升角搅拌机搅拌流场Y 轴方向速度云图由图4 5 、4 6 所示，窄长型搅拌机拌合速度主要分布在0 2 5l f b ，S 1 3 5m s ，最高速度集中在螺旋搅拌轴附近，在每个取样位置都存在不同程度的低速区；宽短型搅拌机拌合速度主要分布在0 3 5m s 1 3 5m s ，最高速度集中在螺旋搅拌轴附近，在每个取样位置都存在不同程度的低速区。通过速度云图对比可以看出，两种模型都存在部分低速区，宽短型搅拌机整体速度均匀性略好于窄长型：两种模型主要搅拌区域速度梯度跨度相差不大，但在上视位置宽短型搅拌机物料整体运动速度高于窄长型，宽短型搅拌机物料拌合强度较高。由Y 轴视图方向速度云图对比黪_ 罐万方数据山东大学硕士学位论文分析可以得出宽短型搅拌机搅拌流场物料流动连续性及拌合强度优于窄长型。在对比分析两种情况下其搅拌流场在Z 轴、x 轴、Y 轴方向速度分布情况可知，宽短型搅拌机流场整体拌合速度大小及速度分布均匀性均优于窄长型，由此可以得出结论，在2 5 7 0 螺旋升角情况下，搅拌流场的拌合强度及物料流动连续性优于3 5 2 。螺旋升角。4 2 3 搅拌流场数值仿真结果对比分析及工作参数优化由第三章分析计算可知其搅拌速度取值范围为1 4m s 一2 0m s ，下面就不同搅拌速度的搅拌流场在三维坐标方向的拌合性能进行分析。( 1 ) 搅拌流场Z 轴视图方向速度云图对比分析爨纛：薹譬_ ：4 “h 黔j j酶：嘉誊7 杰一? 。爨：。i董! 譬。：鞋i纛一鋈a ) 转速2 0r a d sb ) 转速2 3r a d sC 1 转速2 6r a d sd ) 转速2 9r a d s图4 7 不同搅拌速度下搅拌机搅拌流场z 轴方向速度云图图4 7 为搅拌转速分别为2 0r a d s 、2 3r a d s 、2 6r a d s 、2 9r a d s 时搅拌流场Z轴视图方向速度云图。由图可知，当转速为2 0r a d s 时，截面最高速度约为1 4 m s ，速度分布相对均匀，流场速度大部分集中在0 3m s 一0 9m s ，右侧流场靠中部流动万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化速度较低；当转速为2 3r a d s 时，截面最高速度约为1 6m s ，速度分布均匀性好，流场速度大部分集中在0 6m s 一1 1m s ，搅拌筒中部少量物料流动速度较低；当转速为2 6r a d s 时，截面最高速度约为1 8m s ，速度分布均匀性一般，流场速度大部分集中在0 4m s 1 2m s ，右侧搅拌流场速度分布高于左侧；当转速为2 9 r a d s时，截面最高速度约为1 9r n s ，速度分布均匀性较差，流场速度大部分集中在0 2 m s 1 5 m s ，右侧搅拌流场速度梯度较大。由以上分析可知，当转速由2 O r a d s 提高到2 9r a d s 时速度分布均匀性先增高后降低，且在转速2 3r a d s 时均匀性最好；对比各搅拌速度下速度梯度，在2 3r a d s转速下速度梯度较小；对比四种转速下各流场速度分布，当转速为2 3r a c l s 时流场左右两部分速度分布差异性较小，但少部分位置速度较低；随着搅拌转速的增高，流场平均速度依次增加，即在2 9r a d s 时速度最高。( 2 ) 搅拌流场x 轴视图方向速度云图对比分析避l 瑟蠹，I 。7 8 嚣14 2静09 2 207 8。O57 5| | | b ) 转速2 3r a d sc ) 转速2 6r a d s万方数据山东大学硕士学位论文碜! j 强id ) 转速2 9r a d s图4 - 8 不同搅拌速度下搅拌机搅拌流场x 轴方向速度云图如图4 8 为不同搅拌转速下搅拌机搅拌流场x 轴视图方向速度云图。由图可知，当转速为2 0r a d s 时，截面最高速度约为1 4m s ，云图右侧存在低速区，流动速度在0 3m s ，其余流场速度大部分集中在0 4m s 一1 0m s ，均匀性较差；当转速为2 3r a d s 时，截面最高速度约为1 6m s ，靠近前后端面部位速度较低，流场速度大部分集中在0 5m s 1 1m s ，均匀性有所提高；当转速为2 6r a d s 时，截面最高速度约为1 8m s ，流场速度大部分集中在0 5m s 一1 2m s ，均匀性较好；当转速为2 9r a d s 时，截面最高速度约为2 0m s ，流场速度大部分集中在0 5m s 一1 5m s ，速度梯度较大，均匀性有所降低。由以上分析可知，当转速由2 0r a d s 提高到2 9r a d s 时速度分布均匀性先增高后降低，且在转速2 6r a d s 时均匀性较好；对比各搅拌速度下速度梯度，在2 3r a d s及2 6r a d s 转速下速度梯度较小；对比四种转速下各流场速度分布，当转速为2 0r a d s 及2 3r a d s 时流场在搅拌筒前后端面位置存在低速区；随着搅拌转速的增高，流场平均速度依次增加，即在2 9r a d s 时速度最高。( 3 ) 搅拌流场Y 轴视图方向速度云图对比分析万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化a ) 转速2 0r a d sb ) 转速2 3r a d sc ) 转速2 6r a d sd ) 转速2 9r a d s图4 - 9 不同搅拌速度下搅拌机搅拌流场Y 轴方向速度云图3 9|釜舞甓遴I-照瞬靛薹万方数据山东大学硕士学位论文如图4 - 9 为不同搅拌转速下搅拌机搅拌流场Y 轴视图方向速度云图。由图可知，当转速为2 0r a d s 时，截面最高速度约为1 4m s ，云图中靠近端面位置存在低速区，其余位置流场速度大部分集中在0 4m s 1 0m s ，均匀性较差；当转速为2 3r a d s 时，截面最高速度约为1 6r n s ，速度均匀性明显提高，流场速度大部分集中在0 6m s 一1 2m s ；当转速为2 6r a d s 时，截面最高速度约为1 8m s ，云图中靠近端面位置存在低速区，流场速度集中在0 4m s l - 3m s ，速度梯度较大，均匀性较差；当转速为2 9r a d s 时，截面最高速度约为2 0m s ，云图中靠近端面位置存在低速区，流场速度集中在0 4m s 1 4m s ，速度梯度较大，均匀性较差。由以上分析可知，当转速由2 0r a d s 提高到2 9r a d s 时速度分布均匀性先增高后降低，且在转速2 3r a d s 时均匀性最好：对比各搅拌速度下速度梯度，在2 3r a d s及2 6r a d s 转速下速度梯度较小；对比四种转速下各流场速度分布，当转速为2 0r a d s 及2 9r a d s 时流场在搅拌筒前后端面位置存在低速区；随着搅拌转速的增高，流场平均速度依次增加，即在2 9r a d s 时速度最高。通过对搅拌流场z 轴、x 轴、Y 轴速度云图分析可以得出：1 当转速由2 0r a d s 提高到2 9r a d s 时速度分布均匀性先增高后降低；2 在速度云图前视图及上试图中，转速为2 3r a d s 时速度均匀性最好，在速度云图右试图中，转速为2 6r a d s 时速度均匀性最好：3 在各搅拌转速下，靠近搅拌筒端面位置速度较低；4 对比各搅拌速度下速度梯度，在2 3r a d s 及2 6r a d s 转速下速度梯度较小；5 随着搅拌转速的增高，流场平均速度依次增加，即在2 9r a d s 时速度最高，但是在转速2 9r a d s 下流场速度梯度较大，均匀性较差。由此得出，在转速2 3r a d s 及2 6r a d s 下流场整体速度均匀性较好，速度梯度分布较小，综合分析，在转速2 3r a d s 及2 6r a d s 下搅拌机搅拌效果优于转速2 0r a d s 及2 9r a d s 下的搅拌效果。并且在速度云图前视图及上视图中，转速为2 3r a d s时速度均匀性明显优于转速为2 6r a d s 时速度均匀性，在速度云图右试图中转速为2 3r a d s 时，靠近前后端面部位存在少部分低速区，速度均匀性不如转速为2 6r a d s 时速度均匀性，因此无法对确定最佳搅拌速度提供充足有力的支持，现就以0 1 5r a d s 为增幅，对转速分别为2 3 0r a d s 、2 4 5r a d s 、2 6 0r a d s 三种情况进行进一步分析。万方数据第4 章双螺旋轴搅拌机搅拌流场数值分析及参数优化( 4 ) 搅拌流场速度线图对比分析增幅只有0 1 5r a d s 时，从速度云图中无法直观观测其速度均匀性，下面就转速分别为2 3 0r a d s 、2 4 5r a d s 、2 6 0r a d s 指定位置速度线图进行分析。在搅拌筒内部不同位置取4 条直线，对经过直线位置物料的速度进行研究。jr：?喜多_ 一_ 。7 。一】叫一，：一，+ 。i ：。，、一一一一Inc ：三。一曩a ) 转速2 3 0r a d sb ) 转速2 4 5r a d S：L 二：S：二1：e：【 17r ，C ) 转速2 6 0r a d s图4 1 0 不同搅拌速度下搅拌机搅拌流场速度分布图万方数据山东大学硕十学位论文分别对四条速度曲线进行分析，由图4 1 0 可知，在转速2 3 0 r a d s 时四条曲线的速度主要分布在0 4m s O 8m s ，每条曲线速度分布比较均匀，单条曲线速度梯度最大为0 3m s ；在转速为2 4 5r a d s 时四条曲线的速度主要分布在0 3 5m s 0 8 5m s ，每条曲线速度分布相对均匀，单条曲线速度梯度最大为0 3 5m s ；在转速为2 6 0r a d s 时四条曲线的速度主要分布在O 3m s 一0 8m s ，每条曲线速度分布相对均匀，单条曲线速度梯度最大为0 4m s 。由以上分析可以得出，对同一位置不同转速下进行比较，在转速2 3 0r a d s 时速度梯度最小，单条曲线速度均匀性分布最佳；对同一搅拌转速不同位置进行比较，在转速2 3 0r a d s 时各位置物料运动速度比较集中，均匀性最佳；且在三种速度下流场拌合的平均速度相差不大，即拌合强度相差不大。因此得出结论，转速为2 3 0 r a d s 即搅拌线速度1 6 2m s 左右时，物料流动的连续性最佳，拌合效果最好。4 3 本章小结( 1 ) 本章首先对物料拌合过程建立控制方程，并进行物料多相流流动分析。根据拌合条件及物料之间的相互作用，建立质量守恒方程及动量守恒方程，并采用拟流体模型对流场简化处理分析，确定R N G k 一数值计算模型。( 2 ) 对不同结构参数下的搅拌流场数值仿真结果对比分析，选取螺旋升角为3 5 2 。( 窄长型) 和2 5 7 。( 宽短型) 两个搅拌机模型进行流场数值分析，发现在螺旋升角为2 5 7 0 时，拌合的强度及物料流动连续性最好，且搅拌筒尺寸满足节约材料的要求，即优化后的双螺旋轴搅拌机螺旋轴螺旋升角为2 5 7 0 。( 3 ) 对不同工作参数下的搅拌流场数值仿真结果对比分析，通过对2 0r a d s 、2 3r a d s 、2 6r a d s 、2 9r a d s 四种角速度下仿真结果对比分析，发现当搅拌速度在2 3r a d s 、2 6r a d s 时搅拌效果较佳，为进一步确定其最佳拌合速度，选取2 3 0r a d s 、2 4 5r a d s 、2 6 0r a d s 三种角速度进一步分析，通过结果对比分析得出角速度为2 3r a d s 时，物料流动的连续性及拌合强度最佳，即优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌线速度为1 6 2m s 。综上所述，该型号的双螺旋轴搅拌机优化后的参数为：搅拌筒为宽短型，螺旋轴螺旋形式采用等螺距、等升角的圆柱螺旋形式，螺旋升角为2 5 7 。，搅拌速度为1 6 2m s 。在此参数下双螺旋轴搅拌机具有最佳的搅拌性能。4 2万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析对双螺旋轴搅拌机搅拌装置进行优化后，将其与叶片式及螺带式两种成熟机型的搅拌流场进行对比分析。本章在理论分析、产品调研及前人相关试验研究基础上，确定叶片式及螺带式搅拌机最佳参数匹配，然后对叶片式、螺带式及优化后的双螺旋轴式三种类型搅拌机搅拌流场进行数值仿真，由仿真结果分析三种机型搅拌流场的速度分布均匀性，对比三种类型搅拌机的搅拌性能。5 1 叶片式及螺带式搅拌机参数分析5 1 1 叶片式搅拌机搅拌装置结构参数分析叶片式搅拌机搅拌装置主要包括搅拌轴、搅拌臂、搅拌叶片等，两根搅拌轴在传动机构的带动下做等速反向转动，每根搅拌轴上安装若干搅拌臂，搅拌臂端部安装有搅拌叶片。为使物料得到充分拌合，叶片有不同的安装角，通过搅拌作用使物料在搅拌筒内循环运动，最终达到拌合的目的 43 | 。由叶片式搅拌机结构特点和搅拌机理可知，搅拌叶片的安装角度、排列方式对搅拌效果有着很大的影响。本章对叶片式搅拌机搅拌装置部分结构参数进行理论分析。( 1 ) 搅拌叶片安装角合理取值理论分析搅拌叶片安装角是指搅拌叶片与轴线所夹的锐角，如图5 1 所示。由搅拌机理可知，物料在搅拌叶片的作用下在搅拌筒内做循环流动，其流动方向包括轴向、径向流动，为使物料得到充分拌合，物料应该在搅拌筒空间三维方向实现充分运动，而影响物料运动的主要结构参数就是搅拌叶片的安装角度，只有在搅拌叶片具有恰当的安装角时，才能达到三维方向充分拌合的目的【4 4 1 。4 3万方数据山东大学硕士学位论文t 图5 一l 叶片安装角国内对叶片式搅拌机叶片安装角进行了大量的研究，在不同的搅拌筒尺寸及叶片安装角下对混凝土拌合物进行测试，对比不同条件下的混凝土质量发现，长宽比为O 7 8 、叶片安装角为3 5 0 及长宽比为1 1 0 、叶片安装角为4 5 0 时，砂浆密度相对误差及粗骨料质量的相对误差较小，混凝土的强度较大，且此两种情况下的离差系数较小，因此得出安装角的最优取值：宽短型搅拌筒叶片最佳安装角为3 5 0 ，窄长型搅拌筒叶片最佳安装角为4 5 0 N S 。本文为对三种机型做等量对比，选取宽短型搅拌筒，叶片安装角为3 5 0 。( 2 ) 搅拌臂料流排列形式分析搅拌臂的排列形式分为“围流”和“对流”两种。“对流”即物料在搅拌叶片的作用下，分别由搅拌筒两端向中间部位流动，造成物料短时问在中问堆积，当堆积物料开始溢出时就会向搅拌筒两端做反向运动，以此作为循环，往复做对流运动，如图5 2 所示。万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析f - 一_、，7、1l | l、Pfl，二，t ?岁一N5 - 2 搅拌臂对流排列方式“围流”即物料在搅拌叶片的作用下，在搅拌筒内做环绕状循环流动。一侧搅拌叶片作用于物料，使其朝一个方向运动，在物料达到这一侧末端时，末端反向安装叶片将物料推向另一侧，另一侧叶片则推动物料向另一方向运动，形成大循环流动；在两轴之间区域，两侧叶片使物料相互交换，形成小循环流动，以此作为循环做围流运动【4 6 1 ，如图5 3 所示。图5 - 3 搅拌臂嗣流排列方式由两种料流形式分析可知，理论上都可以完成循环流动，对物料进行搅拌，但其拌合效果却有差别。在对流排列中，物料在搅拌筒中问部位处于堆积状态，而两端物料体积较少，使物料堆积部位流动缓慢，拌合的激烈程度降低，甚至部万方数据山东大学硕士学位论文分物料由于拌合速度过低在搅拌轴和搅拌臂部位粘结；另外此种循环方式导致搅拌轴各处叶片受力不均匀，降低搅拌机使用寿命。在围流排列中，物料一直均匀分布在搅拌筒搅拌部位，使搅拌流场速度均匀分布，物料可以得到充分拌合，其搅拌效果和效率均优于对流排列。相关研究机构对搅拌臂料流排列形式进行了试验研究，试验表明当搅拌臂采用对流排列时，混凝土的匀质性不满足M O 8 ，C - O 5 的国标要求，而对于搅拌臂围流排列，虽然砂浆密度的相对误差和粗骨料质量的相对误差会随着其它搅拌参数的改变而变，但是却都满足M O 8 ，A G 5 的要求4 7 1 ，所以搅拌臂围流排列要优于对流排列。( 3 ) 单轴搅拌臂的排列形式分析单根搅拌轴上搅拌臂排列包括正、反两种排列形式，如图5 - 4 所示。4l 、7a 1 正排列3万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析41 、7b ) 反排列图5 4 单轴搅拌臂的排列形式以搅拌臂相位角6 0 。为例，如图5 4 所示，在“正排列”形式下，搅拌臂l 推动物料轴向运动，转过一个安装角度6 0 。后搅拌臂2 开始推动物料，由此可知，在n 个搅拌臂作用下，物料由轴的一端流动到另一端时需经过( n 1 ) 6 0 0 即可完成。在“反排列”形式下，搅拌臂1 推动物料轴向运动，而搅拌臂2 推动物料则需经过3 0 0 0 ，即在n 个搅拌臂作用下，物料由轴的一端流动到另一端时需经过( n 1 )x 3 0 0 。才能完成 4 8 。由此可见，在搅拌臂数目及搅拌臂相位角确定的情况下，物料在正排列形式要比反排列形式搅拌的快，在相同搅拌时间内物料搅拌循环次数要多，连续性好，搅拌效率高，物料在轴向流动循环次数更多，搅拌装置的利用率更高。综上所述，单轴搅拌臂“正排列”可以增加轴向推搅的作用频率，物料轴向循环加快，搅拌更加连续，促进物料充分拌合，而且，搅拌装置也可以得到更充分的利用，此结构已经得到市场广泛应用。( 4 ) 双轴对应搅拌臂排列形式分析双轴搅拌臂排列形式包括平行及交错两种位置关系，同时将其与单轴搅拌臂排列相组合，又有正正、正反、反反三种形式。4 7万方数据山东大学硕士学位论文图5 - 5 双轴对应搅拌臂排列形式对于单轴搅拌臂相位角采用6 0 。排列时，双轴一般采用平行布置的位置关系，在相关试验研究中也可以得出1 5 0 】，在搅拌臂6 0 。相位角的情况下采用平行布置搅拌效果是较好的。当单轴采用正排列时可以增加轴向推搅的作用频率，物料轴向循环加快，搅拌更加连续，拌合效果更佳，对于两轴正正、正反、反反三种形式，正反的位置关系会引起两轴拌合频率的差异，影响物料循环流畅性；而两轴都采用反排列则导致整机物料循环次数较少，拌合效率降低。参照相关试验研究，搅拌臂正正组合排列时，得到的混凝土拌合物中砂浆密度相对误差、物中粗骨料质量相对误差及离差系数是最小的，而混凝土的强度是最高的，与理论分析相吻合。因此其最佳的排列形式为双轴都采用正向排列，此时搅拌效果最佳。通过理论分析、产品的市场调研及参照相关试验研究，确定叶片式搅拌机较佳参数匹配为：采用宽短型搅拌筒、叶片安装角为3 5 0 、搅拌臂采用围流排列方式、双轴都采用正向排列。5 1 2 螺带式搅拌机搅拌装置结构参数分析螺带式搅拌机搅拌装置主要包括搅拌轴、搅拌臂、铲形搅拌叶片及螺带叶片等，其搅拌过程类似于叶片式搅拌装置，两根搅拌轴在传动机构的带动下做等速反向转动，每根搅拌轴上安装若干搅拌臂，不同的是其搅拌臂端部安装有铲形搅拌叶片及螺旋带，螺旋带组成连续搅拌叶片，而在另一侧为消除搅拌低效区而安装尺寸较小的铲形搅拌叶片，在整个搅拌装置的带动下物料在搅拌筒内循环运动，最后达到拌合的目的【5 2 - 5 3 。根据其搅拌装置的结构特点，本节对螺带叶片螺旋形万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析式、螺带叶片螺旋升角、搅拌臂排列等参数进行理论分析。( 1 ) 螺带叶片螺旋形式由对双螺旋轴搅拌装置的分析可知，目前较为常见的螺旋曲线有对数螺旋曲线和阿基米德螺旋曲线等，但由于两种曲线的螺旋升角或螺距随着搅拌筒的直径变化而改变，而搅拌筒的直径为定值，因此为提高搅拌效果，满足其均匀性的搅拌要求，应使物料在每一个轴向截面受到均匀的搅拌。通过对市场相关产品调研，结合理论分析，确定等螺距、等螺旋升角的圆柱曲线为螺带叶片最佳螺旋形式。( 2 ) 螺带叶片的螺旋升角螺旋升角是螺带式搅拌装置的主要结构参数。以物料的某1 质点为研究对象，考虑到拌合物料之问的剪切作用，设混凝土与钢的摩擦系数为以0 3 6 O 4 2 ) ，拌合料之间的内部剪切角为妒，内部剪切系数计算如下【5 4 ：厂1 52 0则有：2 02 0搿万2 ( o - 3 6 0 4 2 ) 两2 0 4 8 0 5 6 ( 5 - 1 )所以Q 取值范围为：t a n l0 4 8 口 t a n lO 5 6即：2 5 6 。 ( p 2 9 2 。为使搅拌效率最大，螺带叶片螺旋升角应等于混凝土物料内部剪切角，即a = ，即2 5 6 。 a 2 9 2 。由以上可知，螺带叶片螺旋升角的取值范围：2 5 6 0 p 2 9 2 。对于螺带叶片螺旋升角的取值，已经进行过数值分析及相关试验研究1 5 5 1 ，经过某厂家试验验证，最终确定螺旋升角为2 7 0 ( 宽短型) 时，拌合效果最好。( 3 ) 搅拌臂排列形式搅拌臂排列形式会对物料流动产生一定影响。对于螺带式搅拌主机，铲型叶片与螺带式叶片相互配合以达到良好的拌合效果；同时为了使物料在搅拌过程中搅拌轴载荷均匀，应使物料在搅拌过程中不同位置参与拌合的叶片面积相等。对于不同型号搅拌机，目前较为常见的搅拌臂相位角有4 5 。、6 0 。和9 0 。三种5 6 1 。分析万方数据山东大学硕士学位论文螺带叶片、普通叶片在径向截面的布局及位置关系，应保证物料搅拌均匀性，即在截面的各处尽量使物料受到均等的搅拌作用。本实验室已经进行过相关研究，并参照国内同种型号搅拌机搅拌臂排列形式，选取相位角为4 5 0 时搅拌效果最佳。通过理论分析、前人相关试验研究及产品的市场调研，确定螺带式搅拌机最佳参数匹配为：采用宽短型搅拌筒，等螺距、等螺旋升角的圆柱曲线，螺带叶片升角为2 7 0 ，搅拌臂相位角为4 5 。5 1 3 叶片式及螺带式搅拌机三维模型建立通过以上理论分析、产品调研及前人相关试验研究，最终确定叶片式及螺带式搅拌机结构，参照某单位某型号搅拌机，建立三维模型，如图5 - 6 及5 7 所示。叶片式搅拌机主要结构参数为：采用宽短型搅拌筒，叶片最佳安装角为3 5 0 ，搅拌臂围流排列方式，双轴都采用正向排列。螺带式搅拌机主要结构参数为：采用宽短型搅拌筒，等螺距、等螺旋升角的圆柱曲线，螺带叶片升角为2 7 0 ，搅拌臂相位角为4 5 。图5 6 某参数下叶片式搅拌机三维模型图5 7 某参数下螺带式搅拌机三维模型5 2 三种类型搅拌机搅拌流场数值分析G B T9 1 4 2 2 0 0 0 混凝土搅拌机中规定，混凝土搅拌机的搅拌性能主要以物料拌合的匀质性作为评定指标。数值仿真的方法可以将不同类型搅拌机的流场拌合情况呈现出来，由仿真结果可以直观地观测到流场内不同位置的速度分布，通过数值仿真得到的速度均匀性可以一定程度上反应搅拌机拌合物料的均匀性，即可以作为判定混凝土搅拌机搅拌性能的指标，而且国外一些混凝土搅拌机生产厂家已经将搅拌流场的数值仿真作为评价产品性能的指标。目前我国叶片式双卧轴搅拌机已经广泛应用于混凝土搅拌领域，在其基础上万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析发展的螺带式搅拌机也已快速进入混凝土搅拌市场，此两种机型在搅拌质量、适应性等方面均可满足一定需求。因此，本章以这两种搅拌机为参照。首先由理论分析、产品调研及前人相关试验研究，确定叶片式及螺带式最佳的结构参数：然后对叶片式搅拌机、螺带式搅拌机、优化后的双螺旋轴搅拌机进行数值仿真，进而对比分析三种类型搅拌机的搅拌性能，考察优化后的双螺旋轴搅拌机相比于成熟的机型是否具有搅拌性能上的优越性。目前国内对叶片式及螺带式搅拌机最佳搅拌速度进行了一定量的数值仿真及试验研究，对于不同型号、不同拌合条件，最佳搅拌速度略有差异，但其取值般都集中在1 5m s 1 7m s 之间【5 7 】，为更科学的进行对比分析，对三种转速下的搅拌流场进行仿真，三种转速下的搅拌线速度约为1 5r n s 、1 6m s 、1 7m s 。( 1 ) 搅拌流场速度矢量图对比分析如图5 8 、5 - 9 、5 1 0 为三种搅拌速度下，三种机型搅拌机搅拌流场Y - O z 截面速度矢量图。瞧辑i溢嚣k畦趱邀美签2剖I ，羽。i ；嚣。3 麓、：_ 茹，。赣越羞釜二基 一妊，一一i 一蔓垒k 。，霪：妻，一至邋一；叠“芋i墓c 1 优化后的双螺旋轴搅拌机图5 - 8 搅拌线速度为1 5m s 时三种机型搅拌流场速度矢量图万方数据山东大学硕士学位论文5 2瑟、t ? “隧瞄a ) 叶片式搅拌机b ) 螺带式搅拌机爨。；魏：_ ：o ：，譬澄卜7 ：。，：+ ： *畦爱羹羔二! 蠢二羹萎壅二蔓。差至c ) 优化后的双螺旋轴搅拌机图5 - 9 搅拌线速度为1 6m s 时三种机型搅拌流场速度矢量图纛i 安瓣：鬻一a 、叶片式搅拌机b ) 螺带式搅拌机C ) 优化后的双螺旋轴搅拌机图5 1 0 搅拌线速度为1 7m s 时三种机型搅拌流场速度矢量图瑟毽霭曩蔓一_ 0 薹熏遴。#n“，ikiK”m爨o繇陵溢I露q黼怼麓_万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析由搅拌流场速度矢量图5 8 、5 - 9 及5 1 0 对比得出，在三种搅拌速度下，叶片式搅拌机搅拌流场搅拌速度等值线分布较为密集且不均匀，搅拌臂及搅拌轴对物料运动有较大影响，由于叶片处物料流动速度过高而影响附近物料流动，使物料的运动方向过于集中在叶片附近，形成以其为中心的速度梯度料流形式，阻碍了物料在整个流场大循环的流动方式；而对于螺带搅拌机，外围物料速度等值线分布均匀性较叶片式搅拌机有所提高，存在的部分较高速度流动的物料对其周围物料影响较小，但是在搅拌臂及搅拌叶片附近的速度等值线分布均匀性较差，形成漩涡状速度分布，降低了物料流动的连续性，并且搅拌轴周围物料运动的激烈程度较低；对于优化后的双螺旋轴搅拌机，较为明显的是搅拌筒轴心附近位置的速度分布得到改善，从物料运动方向来看，物料在流场内总体以螺旋轴推动方向流动，流动的连续性能较高，在螺旋搅拌轴出物料速度较高，但其对周围物料速度及流动方向影响程度较小，进而可以得出搅拌流场各处物料运动的剧烈程度相当，流动的连续性能好。对比三种机型的矢量图可以看出在搅拌过程中优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布最为均匀，即物料拌合最为均匀。由以上分析可得，在三种机型中，优化后的双螺旋轴搅拌机的搅拌性能最佳。( 2 ) 搅拌流场速度线图对比分析速度矢量图可以直观上反应流场速度分布情况，为了使仿真结果更具说服力，下面进一步对流场速度分布进行量化分析。在同一搅拌速度下，在三种机型搅拌流场内任意相同比例位置下，分别选取一条线段，研究稳态下通过该位置的物料速度分布，如图为不同位置物料速度分布图。万方数据山东大学硕士学位论文“”一一一“一1 ”“一“V ，；-。、1，一，叶片式搅拌机搅拌流场某位置速度分布图7；、|j、fj心广V伽0 ，。，一h I ：l - t 图5 1 2 螺带式搅拌机搅拌流场某位置速度分布图_ 。k譬、一一一一一一一一一一一一一- 00Lc 吣：h t 图5 - 1 3 优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌流场某位置速度分布图如图5 一1 1 所示，对于叶片式搅拌机，最高速度与最低速度之差为0 3 7M s ，速度变化趋势为升高一降低一升高，速度随位置变化率最高为1 9 1 7 ，最低搅拌速万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析度为0 1 5m s ；如图5 1 2 所示，对于螺带式搅拌机，最高速度与最低速度之差为0 7 7m s ，速度变化趋势为升高一降低一升高，速度随位置变化率最高为5 0 0 ，最低搅拌速度为0 1 8m s ；如图5 1 3 所示，对于优化后的双螺旋轴搅拌机，最高速度与最低速度之差为0 3 0m s ，速度变化趋势为升高一降低，速度随位置变化率最高为1 0 0 ，最低搅拌速度为0 3 5r n s 。由以上数据分析可得最高与最低速度差最大的为螺带式搅拌机，速度变化率最大的为螺带式搅拌机，流场内搅拌速度最低的为叶片式搅拌机。对于优化后的双螺旋轴搅拌机，各位置速度分布相对均匀，且最低搅拌速度明显i 高于以上两种机型。在同一搅拌速度下，在三种机型搅拌流场内任意相同比例位置下，分别选取三条线段，研究稳态下通过该位置的物料速度分布，如图为不同位置物料速度分布图。厂、二：图5 1 4 叶片式搅拌机搅拌流场不同位置速度分布图0 图5 1 5 螺带式搅拌机搅拌流场不同位置速度分布图万方数据山东大学硕士学位论文图5 1 6 优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌流场不同位置速度分布图对于叶片式搅拌机，如图5 1 4 所示，从速度分布均匀性来看，其中通过某条线段位置的物料运动速度与另外两位置速度差较大，表明两位置之间物料单元速度梯度过大，运动均匀性及流动连续性能较差；从物料运动的剧烈程度来看，通过三个位置的物料的拌合速度分别在0 2 5m s 、0 3 0m s 、O 5 0m s 上下波动，拌合速度并不高，不利于物料高效快速拌合。对于螺带式搅拌机，如图5 1 5 所示，从速度分布均匀性来看，较叶片式搅拌机有所改善，但是部分位置之间的物料运动速度梯度依然较大，物料运动均匀性及流动连续性能欠佳；从物料运动的剧烈程度来看，通过三个位置的物料的拌合速度分别在0 3 0m s 、0 3 5m s 、0 5 5m s 上下波动，最高拌合速度较叶片式搅拌机明显提高，物料运动剧烈程度及拌合速率提高。对于优化后的双螺旋轴搅拌机，如图5 1 6 所示，从速度分布均匀性来看，较前两种机型有很大提高，不同位置物料速度分布均匀性较好，速度梯度过大的情况得到改善，提高了物料运动均匀性及流动连续性能；从物料运动的剧烈程度来看，通过三个位置的物料的拌合速度分别在O 4 5r n s 、0 5 0m s 、O 5 5m s 上下波动，且波动程度较低，物料单元运动的剧烈程度高于前两种机型。由不同位置物料速度分布图分析可知，无论在速度分布的均匀性能还是物料拌合的强度来看，优化后的双螺旋轴搅拌机都要优于叶片式及螺带式搅拌机。综上分析，通过对物料拌合进行数值仿真，得出三种搅拌机搅拌流场的速度矢量图及不同位置的速度线图，由结果对比分析可知，优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布最为均匀，即在一定程度上反映出双螺旋轴搅拌机对物料的万方数据第5 章叶片式、螺带式及双螺旋轴搅拌机搅拌流场对比分析拌合最为均匀，由混凝土搅拌机搅拌性能的评定指标可知，经过优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌性能最佳。5 3 本章小结( 1 ) 本章首先在理论分析、产品调研及前人相关试验研究基础上，确定叶片式及螺带式搅拌机最佳参数匹配，叶片式搅拌机主要结构参数为：采用宽短型搅拌筒，叶片最佳安装角为3 5 0 ，搅拌臂围流排列方式，双轴都采用正向排列。螺带式搅拌机主要结构参数为：采用宽短型搅拌筒，螺带叶片螺旋曲线采用等螺距、等螺旋升角的圆柱曲线，螺带叶片最佳螺旋升角为2 7 0 ，搅拌臂相位角为4 5 。并参照某J 家同种类型搅拌机建立叶片式及螺带式搅拌机三维模型，为下一步数值分析做准备。( 2 ) 对三种机型在1 5m s 、1 6m s 、1 7r r g s 搅拌速度下的流场进行数值仿真，对比分析其结果，由三种机型的矢量图得出在搅拌过程中优化后的：双螺旋轴搅拌机搅拌流场的速度分布最为均匀。( 3 ) 进一步对各机型流场内部任意相同比例位置下速度分布进行分析，得出无论在速度分布的均匀性还是物料拌合的强度来看，优化后的双螺旋轴搅拌机都要优于叶片式及螺带式搅拌机。通过本章研究可知，与其他两种常见机型相比，优化后的双螺旋轴搅拌机具有良好的搅拌性能。因此对其搅拌装置的优化可以实现提高搅拌性能及工作效率的目的，具有较高的应用价值。本研究为双螺旋轴搅拌机的结构改进及性能提升提供了可靠的理论依据和数据支持，数值仿真技术的应用减少了大量的试验研究，节省了成本，缩短了研发周期，并为混凝土搅拌设备的研发提供了可靠的参考依据。万方数据万方数据结论与展望结论与展望论文以双螺旋轴搅拌机为研究对象，以提高其综合搅拌性能为研究目标，在分析各参数对搅拌流场的影响的基础上，采用流体力学及C F D 软件对其搅拌流场进行数值分析，最终获得搅拌机最合理的结构参数和工作参数，并将优化后的双螺旋轴搅拌机与市场应用较为广泛的叶片式和螺带式搅拌机进行对比分析。研究取得的主要成果及结论如下：( 1 ) 通过分析混凝土搅拌性能、拌合过程中物料的运动方式及双螺旋轴搅拌装置结构和工作参数对拌合质量的影响，确定搅拌筒尺寸、螺旋轴螺旋线形式、螺旋轴螺旋升角及搅拌速度为优化目标。( 2 ) 对目标参数进行分析，最终确定的各参数参考取值为：螺旋轴采用等螺距、等升角的圆柱螺旋曲线形式；窄长型搅拌筒螺旋升角为3 5 2 0 ，宽短型搅拌筒螺旋升角为2 5 7 0 ：搅拌线速度的取值范围为1 4 2 0m s 。( 3 ) 采用流体力学及C F D 软件对搅拌流场进行数值分析，对结构及工作参数进行优化，确定最佳参数配合。通过分析搅拌流场的速度分布及物料运动情况，最终确定宽短型搅拌筒、螺旋升角为2 5 7 。时拌合效果最佳；通过对比搅拌流场分布情况，最终确定搅拌速度为1 6 2m s 时拌合效果最佳。( 4 ) 将优化后的双螺旋轴搅拌机与市场应用较为广泛的叶片式及螺带式搅拌机进行对比分析。确定叶片式及螺带式搅拌机最佳参数匹配后，对三种搅拌机搅拌流场进行数值仿真，最终得出优化后的双螺旋轴搅拌机搅拌性能优于其它两种机型。本研究确定了双螺旋轴搅拌机搅拌装置最佳的结构及工作参数匹配，经对比分析后得出优化后的双螺旋轴搅拌机相比于成熟的机型具有搅拌性能上的优越性，实现了提高了搅拌性能及效率的目的，有助于改善目前混凝土生产效率无法满足施工的问题，并为此类新型搅拌机的结构改进及性能提升提供了可靠的参考依据；本文采用先进的数值仿真方法模拟拌合过程，为搅拌机的设计优化减少了大量的试验研究，缩短了研发周期，具有较高的应用价值。由于时间及研究条件的限制，本课题在以下两个方面还需进一步完善：( 1 ) 在优化搅拌装置后，下一步需对其进行力学性能研究、轻量化设计及动态5 9万方数据山东大学硕士学位论文性能分析，研究拌合过程中振动、摩擦等对搅拌机工作性能及可靠性的影响，从而对整机进一步改进。( 2 ) 为更全面的研究搅拌机搅拌性能，下一步应该从投料初始阶段开始研究，对不同投料顺序的拌合情况进行分析，并将仿真与试验相互结合、相互补充，为混凝土搅拌机的研究提供更可靠的参考数据。6 0万方数据参考文献 1 王兴波混凝土搅拌机设计【J 】门窗，2 0 1 4 ，1 ：3 1 8 2 G i o r g i oF e r r a r i ，M i t s u y aM i y a m o t o ，A l b e r t oF e r r a r i N e ws u s t a i n a b l et e c h n o l o g yf o rr e c y c l i n gr e t u r n e dc o n c r e t e J C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s 2 0 1 4 ，6 7 ( 3 0 ) ：3 5 3 3 5 9 3 王立花，郑世奇浅谈混凝十搅拌机的结构特点及性能设计【J 】科技与企业，：2 0 1 4( 16 ) ：4 4 9 - 4 4 9 4 1 王刚聚焦预拌混凝土进入环保时代【J 建设机械技术与管理，2 0 1 3 0 3 ：2 2 2 4 5 】王子馨，陈若枝，王义民，等混凝土搅拌机的节能环保新结构【J 】工程机械与维修，2 0 1 5 ，1 ：0 2 4 6 】A d a mB u t t r e s s ，A l e dJ o n e s ，S a mK i n g m a n M i c r o w a v ep r o c e s s i n go fc e m e n ta n dc o n c r e t em a t e r i a l s t o w a r d sa ni n d u s t r i a lr e a l i t y J C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h 2 015 ，6 8 ：112 12 3 7 】B j o r nD a u m a n n ，A b d e l k r i mF a t h ，H a r a l dA n l a u f D e t e r m i n a t i o no ft h em i x i n gt i m ei nad i s c o n t i n u o u sp o w d e rm i x e rb yu s i n gi m a g ea n a l y s i s J C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e 2 0 0 9 6 4 ( 1 0 1 ：2 3 2 0 2 3 3 1 【8 】Y M e n a r d ，K B r u ，S T o u z e ，A L e m o i g n I n n o V a t i V ep r o c e s sr o u t e sf o rah i g h q u a l i t yc o n c r e t er e c y c l i n g J W a s t eM a n a g e m e n t 2 0 1 3 ，3 3 ( 6 ) ：i 5 6 1 1 5 6 5 9 1B C h a t v e e r a , P L e r t w a t t a n a r u k ，N M a k u l E f f e c to fs l u d g ew a t e rf r o mr e a d y - m i x e dc o n c r e t ep l a n to np r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t e J C e m e n ta n dC o n c r e t eC o m p ( ) s i t e s 2 0 0 6 ，2 8 ( 5 ) ：4 4I - 4 5 0 【1 0 】吴发兵浅谈搅拌机叶片的使用和维护 J 】江西建材2 0 1 4 ，0 5 ：2 9 5 2 9 6 VD e l i g i a n n i s ，S M a n e s i s C o n c r e t eb a t c h i n ga n dm i x i n gp l a n t s ：An e wm o d ef t n 2a n dc o n t m la p p r o a c hb a s e do ng l o b a la u t o m a t a J A u t o m a t i o ni nC o n s t r u c t i o n 2 0 0 8 ，17 ( 4 ) ：3 6 s 一37 6 【1 2 】刘小玲，任国涛，姚运仕三种新型双卧轴混凝土搅拌机结构特点及搅拌性能比较【J 】建设机械技术与管理2 0 1 4 0 2 ：11 2 11 5 【1 3 N a nS u ，B u q u a nM i a o An e wm e t h o df o rt h em i xd e s i g no fm e d i u ms t r e n g t hf l o w i n gc o n c r e t ew i t hl o wc e m e n tc o n t e n t J C e m e n t & C o n c r e t eC o m p o s i t e s ，2 0 0 3 ，2 5 ：215 2 2 2 1 4 】张晓波混凝土双速搅拌工艺的试验研究 D 长安大学2 0 0 6 6 1万方数据1 15 1B o g d a nC a z a c l i u I n m i x e rM e a s u r e m e n t sf o rD e s c r i b i n gM i x t u r eE v o l u t i o nD u r i n gC o n 。佗t 。M i x i n gI J C h e m i c a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c ha n dD e s i g n 2 0 0 8 ，( 8 6 ) ：1 4 2 3 1 4 3 3 16 1H a k i mS A b d e l g a d e r H o wt od e s i g nc o n c r e t ep r o d u c e db yat w o s t a g ec o n c r e t i n gm e t h o d J C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h 1 9 9 9 ，2 9 ( 3 ) ：3 31 - 3 3 7 【17 】M Y a n g ，H M J e n n i n g s I n f l u e n c eo fm i x i n gm e t h o d so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fc e m e n tp a s t e J 1 A d v a n c e dC e m e n tB a s e dM a t e r i a l s ，2 0 0 5 ，2 ( 2 ) ：7 0 7 8 【18 赵利军，杜占领，冯忠绪双卧轴振动搅拌机的试验研究 J 中国工程机械学报2 0 0 4 ，0 2 ：2 4 5 - 2 4 8 1 1 9 杨金龙混凝土多步搅拌工艺及其机理探析【J 】科技视界2 0 1 2 ，2 7 ：2 3 3 - 2 3 4 1 2 0 王卫中，冯忠绪，张晓波混凝土二次搅拌工艺搅拌速度的确定【J 】混凝土2 0 0 8 ，0 8 ：1 2 4 1 2 7 211T e r j eF R o n n i n g ，J a nL i n d g a r d ，S i g r u nK j 毒rB r e m s e t h A S RA s s e s s m e n t C o n c r e t eP r i 8 mT e s t i n gw i t h i naR e g u l a t o r yF r a m e w o r k J P r o c e d i aE n g i n e e r i n g - 2 0 1 3 ，5 7 ：7 0 - 7 6 1 2 2 1A M N e v i l l e P r o p e r t i e so f c o n c r e t e M l ，P e a r s o nE d u c a t i o nL i m i t e d ，2 0 11 2 3 S i d n e yD i a m o n d T h ep a t c hm i c r o s t r u c t u r ei nc o n c r e t e ：e f f e c to f m i x i n gt i m e J C e m e n 2a n dC o n c r e t eR e s e a r c h 2 0 0 5 ，3 5 ( 5 ) ：1 0 1 4 1 0 1 6 【2 4 】B D a u m a n n ，H A n l a u f , H N i r s c h l D e t e r m i n a t i o no f t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd u r i n gt h eD m d u c t i o no f v a r i o u sc o n c r e t er e c i p e s J C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h 2 0 0 9 ，3 9 ( 7 ) ：5 9 0
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