7第七章水泥混凝土拌合设备设计

第七章 水泥混凝土拌合设备设计,7.1 概述一、用途及工作对象1、功用将水泥混凝土的原材料：水泥、水、砂、石料、添加剂按预先设计的配合比，经上料、输送、储存、计量、配料、搅拌和出料，生产出符合要求的合格混凝土混合料。其工作对象是水泥混凝土混合料及其原材料。,7.1 概述,2、水泥混凝土及其特性（1）水泥混凝土：以水泥为胶结料，把水泥及添加剂与砂、石料按一定比例掺配搅拌均匀而成的混合物。（2）结构组成及特性结构：水与水泥形成的胶泥包裹着各种尺寸骨料；特性：初期呈流塑性，胶泥与水使骨料悬浮于胶泥中而使其流塑性提高，易于施工形成各种形状；后期水泥与水发生水化反应形成水泥石，并将粗细骨料凝结于一体形成较高强度，其水化反应所需水份约为25%。（3）强度影响因素级配与胶泥含量：级配合理时，胶泥含量越小（前提各粒料裹敷均匀）强度越高，但和易性降低；水灰比：理论上，水泥水化所需水重量为水泥重25%，另需15%的水附着于水化物表面；,7.1 概述,实际上，低于40%时很难达拌合均匀称度，且难于振实（使其呈流塑状态），故拌合时用水应略多；但水过多，在水泥固化后水逐渐蒸发，会使其内形成小空穴，降低其强度。3、拌合要求为使生产出的混合料强度高，能满足力学承载能力要求；方便施工，易于制成各种形状（称和易性好）；则：首先要设计好合理的配合比，水灰比；其次施工搅拌时要严格计量，充分搅拌均匀。水灰比选择见下表。,7.1 概述,4、提高混凝土强度措施（除配比设计外）（1）选用高标号水泥（425号）；（2）选用高强度骨料（使骨料强度混凝土强度2倍）（3）使用高效减水剂，使在保证和易性情况下尽可能降低水灰比；（4）采用活性骨料和活性掺合料（硅粉）；（5）采用高速强制搅拌；（6）采用重复振捣工艺；（7）采用密闭养护工艺；（8）采用限制膨胀工艺；（9）采用真空作业法成型施工；（10）采用纤维增强混凝土； 。,7.1 概述,二、水泥混凝土搅拌设备类型1、按生产率大小及自动化程度分（1）小型：Q20m3/h，也称为搅拌机或单机站；用途：用于零散浇筑的简易拌合；结构：一般为移动式；操作为手柄式；（2）中型：Q = 60100m3/h，一般也称为搅拌站；用途：中、小型建筑工程，道路修建工程现场使用；结构：一般组成可拆装转移式搅拌站，采用自动控制；（3）大型：Q = 100200m3/h，也称搅拌楼；用途：成品混凝土生产厂，混凝土预制件厂等；结构：一般组成固定式混凝土搅拌楼，自动化控制。,7.1 概述,2、按移动方式分（1）移动式：拖式：整个设备安装于拖行行走装置上，主要为小型单机；可拆迁式：可分成几个大总成，拆迁后现场组装；集成式（也称集装箱式，模块式等）：主要为大、中型；,7.1 概述,（2）固定式：垂直布置式（也称单阶式）：主要为各种搅拌楼；水平布置式（也称二阶式）：主要用于各种搅拌站，结构简单成本低，但占地面积大，一般为一台主搅拌器，配其它附属装置构成。,7.1 概述,3、按搅拌器搅拌工艺分（1）自落式：通过搅拌筒内叶片不断将砂石料提升、下落，实现搅拌（一般提升、下落次数3040次即可）。主要用于塑性混凝土搅拌，可拌制大直径骨料；其又可分为鼓筒式（已被淘汰）；锥形反转出料式；锥形倾翻出料式；自落式用于低场落度混凝土拌制，最大粒径150180mm。,7.1 概述,（2）强制搅拌式：通过叶桨等强制推移砂石料实现搅拌，可适应塑性、干硬性等各种混合料拌制，一般最大骨料粒径6080mm。其具体还可分为立轴式、卧轴式立轴式：有涡桨式；行星式（分定盘行星式与转盘行星式）； 卧轴式：有单卧轴式；双卧轴式（分间歇式与连续式两类）；,7.1 概述,（3）复合式：裂筒式；无叶桨螺旋涡流式；振动搅拌机；即搅拌筒内同时具有搅拌叶桨的搅拌机。例：比利时的AMEY公司的新型大容量搅拌机，即为采用两半球形筒体加水平卧轴方式搅拌，采用半球分开卸料。,7.1 概述,三、结构组成及主要装置构造1、总体结构组成各式混凝土搅拌装置均是在搅拌装置（一般称为主机）的基础上配以各种上料、配料、出料等装置而形成。其主要组成部分有：（1）集料的上料、存储、配料计量给料装置；（2）水泥的存储、输送、计量给料装置；（3）水及添加剂存储、泵送与计量装置；（4）搅拌装置；（5）成品料存储装置；（6）操纵与控制装置。,7.1 概述,其中，单机搅拌机一般仅带有上料装置、搅拌装置、驱动系统、水泵供水系统等组成；其骨料、水泥等的计量采用人工计量或称量，水的计量采用继电器控制水泵（或闸门）供水时间进行计量；而搅拌楼则由上料装置和由上而下的储料仓层、称量配料层、搅拌层和卸料层组成，高度一般为2030m；混凝土搅拌站一般为平面布置，它由骨料配料装置及上料装置（包括上料、储存、计量或称量配料）、骨料二次提升装置、搅拌装置、出料装置、水泥仓及上料装置、水及外添加剂泵送装置等组成，公路工程施工中常用。,7.1 概述,2、混凝土配料装置（机）（例国产PLD系列）功用：根据用户设计的混凝土配合比自动完成砂、石、水泥等（36种物料）的配料工作（注：一般不包括水泥、水、外添加剂）；组成：给料系统、称量系统、电气控制系统；,7.1 概述,（1）给料系统功用：存储物料，在控制系统控制下向称料斗加料；组成：储料斗36个，形状倒方锥形，容量212m3；给料装置：闸门式：有弧形门与反弧形门（用于小粒径混合料）两种；给料机式：带式给料机：用闸门及皮带速度调节给料量；螺旋式给料机：通过改变螺旋转速调节给料量；鼓式给料机：通过调节给料鼓筒转速调节给料量；振动给料机：通过振动频率、振幅、闸门调节给料量；其中，储料斗中物料的上料方式，主要有：装载机上料；皮带输送机上料，主要用于混凝土拌合站；拉铲上料，主要用于混凝土拌合楼；斗式提升机上料，主要用于混凝土拌合楼。,7.1 概述,（2）骨料称量系统类型：容积式：在骨料、砂等含水率变化大时采用，制备轻质混凝土时用（有带式、斗式、振动式）；重量式：称量斗式：又分累积称量式（即一种物料一种物料累积称量）；并列称量式（即每一种物料采用一个称量斗称量，多为大生产率拌合设备采用，例；Q100m3/h）；带式（各种物料分时称量，时间间隔12s，总时间一般2030s）；组成：称量斗或称重皮带；称量装置：有机械杠杆式；机械电子秤式（机械杠杆 + 应变式传感器）；电子式（重力传感器式）；液压式；提升料斗及提升机构 ；,7.1 概述,结构原理：称量斗或称重皮带通过四点悬挂支承在称重杠杆上（或拉力传感器上），对于机械式或机械电子式，其称重杠杆一般为两级，第二级杠杆上设有平衡砝码、缓冲阻尼器，二级杠杆与表盘或应变梁传感器相连，用以显示称重或将重力信号转换为电信号；称量时多数采用累计称量，由电控系统控制，按配方先由料斗底配料皮带（或闸门或振动给料器）向称量斗中给料，当其达第一种物料重时则停转（或关闭闸门），并启动第种料斗的配料皮带（或闸门等），向称量斗供第种料，当达、种料之和时停止供料，再进行第种料称重计量，如此直至各种料称量完成后，达一份拌合重则停止计量给料，称量斗将配好的料卸入提升斗（对于二阶式搅拌站）或搅拌器（对拌合楼）。,7.1 概述,为减少计量快结束时物料冲击对计量的影响，对于拌合楼一般在每种称量达90%时会减少闸门开度，采用振动喂料，以减少冲击误差，并可实现超称处理（扣减）；对于皮带式称量装置，为减少称量误差，一般每种物料称量后，通常间隔12s，再称量第2种物料；其中机械式的表盘有弹簧式和双摆钟式两种 。（3）电器控制装置作用：控制各料斗闸门开度或配料皮带速度等，以控制给料；控制配方，即按配方顺序称量；控制配料斗及提升斗动作。类型：半自动式，即利用继电器控制，采用程序控制；自动式控制，即由计算机自动控制。,7.1 概述,3、水泥存储、供给与计量装置组成：水泥仓、螺旋输送器、称量斗等组成。（1）水泥仓：为圆柱形钢结构，一般直径2.43.5m，长（高）度：615m；容量50、100T；例：2.88m，长12.4m，总高19.4m，容量100T；使用数量一般13个；装料一般由水泥输送车将散状水泥直接吹送装入，吹送压力0.10.3MPa，水泥仓设有除尘过滤器，若需粉煤灰时也采取同样装置存储。,7.1 概述,（2） 螺旋输送机作用：输送水泥、粉煤灰等散状物料；安装部位：水泥仓底部，转速n:90300rpm。直径D：100、120、160、200、250、300、400、500、600(mm)长度L：2.5、4.5、6、9、12 (m)；螺距：S = 0.8D；对于混凝土拌合楼，也有许多采用斗式提升机提升水泥或用气压输送方式输送。（3）水泥秤（称量或计量装置）水泥及粉煤灰掺合剂或粉状添加剂的计量均采用重量法计量。结构：由称量斗、传感器等组成；工作过程：与粉煤灰等共同采用累积计量，称量斗上设有排气过滤器，使用中应经常保持清洁通畅，以免因其压力升高影响计量。,7.1 概述,4、供水系统及添加剂供给系统由水箱、添加剂箱、水泵、添加剂泵、计量控制装置等组成。其依据计量装置不同主要有如下几种：（1）定时控制供给系统即水的流量一定，通过时间继电器控制供水时间长短来控制供水量，其特点：结构简单成本低，但供水量受水箱水压变化影响，控制精度低，一般误差2%左右，主要用于要求不高场合。（2）流量计计量控制供水系统采用涡轮数字式流量计计量给水量，控制器按设定水量递减，当减至设定值20%时关闭大水管，改为小流量供水，当减至0时电磁阀关闭供水。特点：供水量准确，控制方便，误差0.5%，适用于搅拌站等。,7.1 概述,（3）定额控制计量即使计量斗截面面积一定，在计量水箱容器的上限水位和下限水位分别设置微型接近开关，当水箱水位达上限水位时进水电阀磁关闭，停止向水箱供水等待向搅拌器供水，排水阀根据搅拌器要求打开供水，当水位达下限时进水电阀磁关闭，停止向搅拌器供水，同时打开进水电阀磁向水箱供水，如此循环工作。特点：结构简单实用，寿命长，误差1%。（4）重量式计量供水系统即利用一称重式称量斗存储和计量需供水量，其进出水阀由电磁阀控制，当进水量达设定重量时停止进水，当需向搅拌器进水时，排水阀打开，水在自重或水泵作用下流入或喷入搅拌器，供水结束，则进水阀重新打开进行计量，如此循环工作。特点：计量精度最高，不受水压、泵水量等影响，主要用于拌合楼等。当加添加剂时，其计量与上基本相同。,7.1 概述,5、搅拌装置依据生产率大小，一台拌合设备可设一台或多台搅拌机，其常见的有：（1）双锥型搅拌机按出料方式分：反转出料式：例：国产JZ系列：JZC：齿圈驱动；JXM：摩擦轮驱动；,7.1 概述,倾翻(5060)出料式：例：国产JF系列；特点：结构简单，使用方便，不适于拌干硬性混凝土，适于拌塑性混凝土，特别是大粒径骨料混凝土。功率消耗最低，一般约为：1.11.3kw/m3。,7.1 概述,（2）单卧轴式搅拌机JD水平布置的卧轴上安装有两片或多片按左右反螺旋布置的叶片，轴转动时，混合料被从左右两侧向中间强制搅动对流。特点：结构紧凑，功率消耗小，耐磨性好，搅拌质量好，生产率较高，可搅制各种稠度混凝土，应用较广，主要为中、小型工程。功率消耗3.23.35kw/m3；,7.1 概述,（3）双卧轴式搅拌机即由水平布置的两根卧轴驱动其上间隔布置的叶桨搅拌推移混合料，两轴同步反向旋转，可在中间形成强烈搅拌区（沸腾区），一般底部卸料，8090%可自重卸料。特点：搅拌强烈，效率高，质量好，能耗低，自动化程度高，耐磨性好(叶桨端部速度仅为立轴式的1/2)，但结构较复杂。功率消耗：3.23.35kw/m3；,7.1 概述,（4）立轴涡桨式搅拌机即在圆盘式搅拌筒内中心安装有旋转半轴，轴上安装有多组（内、中、外刮料）叶片，通过电机驱动轴转动带动叶桨搅拌推移混合料，底部卸料，料门多为旋转料门。特点：叶桨端部搅拌速度3m/s，搅拌强烈，均匀性好，搅拌时间短，结构简单，适应于各种塑性混凝土，但功率消耗大（约为自落式2倍），叶桨磨损快。功率消耗：3.54kw/m3；,7.1 概述,（5）立轴行星式搅拌机即搅拌机轴上不但有叶桨，还有12组可自转的行星式搅拌机构，搅拌时叶桨既随轴公转（定盘式），也进行自转，从而实现搅拌；(在转盘式中轴不公转而盘转)，因其功率消耗大，而逐渐较少用。特点：搅拌区域大，无死角，叶桨端部速度低，功率消耗低，磨损轻，拌筒容积利用率高，但结构较复杂。,7.1 概述,（6）其它型式：例：裂筒式、振动式、曲形筒式等。,7.1 概述,6、控制与操纵系统（1）手动式：单机搅拌机因其主要为小型零星作业，多为手动式操纵控制；（2）半自动式：即利用继电器控制，通过电气装置或气压装置，控制与实现进料、计量、搅拌与卸料，主要用于小型搅拌站；（3）自动控制式：即采用微机进行全自动控制（也可手动控制），可实现自动配方、自动控制、自动补偿、报警、打印等；还可利用屏幕模拟显示各部分工作情况。,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,一、基本参数选择计算1、生产率确定(1)道路施工用拌合设备生产率应根据工程量、施工工期（对公路工程）确定，一般应60m3/h。即： (T/h)或 (m3/h)式中：L：计划铺筑路段长度（m）；B：计划铺筑路段宽度（m）；H：计划铺筑路段厚度（m）；2.5T/m3；K松1.11.4；T：计划施工天数；t：每天施工作业时间（h），t8h；kT：时间利用系数，kT0.80.9；,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,（2）对于商品混凝土搅拌站（楼），则应按每年年产混凝土数量计算。即： (m3/h)式中：Q年：搅拌站年生产混凝土计划数（m3/年）；T：搅拌站工作天数，T306天；t：每天工作时数，t8h；k：生产不均匀系数，对混凝土预制厂：k1.2；对商品混凝土搅拌站：k1.32.0；对工程施工工地：k2.53.0 。,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,2、搅拌机容量计算根据建设部部颁标准，水泥混凝土搅拌机以其出料容量做为其公称容量，即主参数。（1）公称容量（出料容量）V计算 (m3/h)， (m3)式中：V：出料容量（m3）；Z：每小时搅拌次数（次/h）；T：每循环作业时间（s）； (s)t1：装料时间1520s；t2：搅拌时间(见下页表)；t3：出料时间，倾翻出料：t3=1015s；反转出料：t3=4050s；若单个搅拌机公称容量过大也可采用多台搅拌机，此时，VcV/n按系列化要求，公称容量应为：50、100、150、200、250、350、500、750、1000、1500、3000L。,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,（2）进料容量计算 由此可确定进料斗尺寸。式中：VJ：进料容量m3；VC：出料容量，即公称容量；kC：出料系数，对混凝土：kC0.650.7；对砂桨：kC0.850.9；对强制式：kC0.625；（3）搅拌机搅拌筒几何体积VD计算 自落式拌合机搅拌最短时间(s) ,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,3、搅拌筒转速确定当搅拌筒转动时，物料被搅拌叶片带动随筒转动，若转速达一定值时，即当离心力及摩擦力之和大于其重力产生的下滑力时，物料在离心力作用下即会粘贴在筒壁上不下落，此时无法实现拌合。此称临界转速，拌合机工作中其转速应小于临界转速。即： 其中： 式中：n：转速r/min； ：叶片安装倾角（相对于轴线），一般为45；r：粒料回转半径，可取搅拌筒内径，即：rR (m)p：离心力；F：摩擦力； f：摩擦系数，f0.6；,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,代入整理可得：取45时： (r/min)；或 (r/min)D：搅拌筒圆柱部分直径，一般为2m左右；一般n1433r/min常用18r/min；可先定n后计算R，或先定R(D)后计算n。,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,二、驱动功率计算自落式搅拌机运转时，其功率主要消耗于：提升砂石料阻力、滚圈沿滚轮滚动阻力、及滚轮轴承阻力三部分。1、砂石料提升阻力计算设砂石料提升时其筒内物料平面与水平夹角等于物料的自然坡度角，即：4045则：提升阻力矩为：式中：bi：拌合料偏心距m；GCM：拌合料重T；,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,换算到滚圈上的切线阻力为： （kN）其中：式中：GC：搅拌筒圆柱部分物料重T；GK：搅拌筒锥形部分物料重T；bc：圆柱部分物料偏心距m；bK：圆锥部分偏心距m；R：搅拌筒直径m；：滚圈厚度m；：筒内弧形物料跨度角（弧度）；lC：搅拌筒圆柱部分长m；1.82.4T/m3；h：弧形扇面物料弦高m；,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,2、换算到滚圈上的滚动摩擦阻力及轴承摩擦阻力计算 （kN）式中：k：滚动摩擦系数，k0.0020.005；：滚轮支承安装角，30GCM：混合料重T；GB：搅拌筒重T；d1：滚轮直径m；d2：滚轮轴直径；1：滚轮轴承摩擦阻力系数（查手册）；,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,3、拌合滚筒驱动功率计算 （kw）式中：v：拌合筒滚圈圆周切线速度m/s；：搅拌筒驱动机构传动效率；三、其它装置参数确定1、砂、石料储仓与水泥仓筒的数量与容量确定（1）砂石骨料储仓容量：按生产率的1.252.5倍计算即： （m3）（一般为212 m3）；（2）数量：砂、粗石、碎石、外掺剂（粉煤灰）四种，若考虑到个别料用量较大，可取56个；（3）水泥仓：对于商品混凝土生产厂，考虑到需提供不同标号水泥，故可设2个，其它可设一个。,7.2自落式混凝土搅拌机的设计计算,2、各种称量及计量装置称量范围及精度确定（1）道路施工混凝土各种材料大致用量及精度要求水： 150kg/ m3 1%水泥： 350 kg/ m3 1%砂： 840912 kg/ m3 2%石子： 9881060 kg/ m3 2%（2）各种物料称量范围及精度确定水： 0250kg 1%水泥： 0500kg 1%砂石料： 02500kg 2%添加剂： 09L 2%3、混凝土卸料高度：一般3.8m，依据自卸车运输工具高度定。,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,一、基本参数选择计算1、搅拌机生产率计算（同自落式）2、搅拌机容量计算方法同自落式，所不同的是每循环作业时间T有所不同式中：t1：进料时间，t11020s；t2：搅拌时间，立轴涡桨式：6090s；立轴行星式：多数：6090s，个别：1520s；卧轴式：3060s；t3：出料时间，t31020s；即：公称容量： (m3)，出料容量： m：为搅拌机台数；进料容量： ，kC0.625。,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,3、搅拌轴转速确定转速过低会降低生产率，转速过高一方面会因离心力作用使混合料离析，另一方面会因摩擦过度影响使用寿命。（1）按防离析与避免过度磨损考虑 (r/min)式中：R：搅拌筒内腔半径（m）；（2）按搅拌叶片最大圆周切线速度计算 (r/min)式中：vL：限制最大切线速度，双卧轴式：1.41.6m/s；单卧轴式：1.251.8m/s；立轴式（外叶片速度）：3m/s； 一般vL1.2m/s；,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,（3）经验公式确定对单卧轴式：公称容量为0.52m3时： 公称容量0.33 m3时： (r/min)；对立轴涡桨式： (r/min)；式中：d：搅拌筒直径（m）；对双卧轴式： (r/min)；式中：R：搅拌筒半径（m）；实际生产中，立轴式：n2040(r/min)，生产率大者应取低值；单卧轴式：n2060(r/min)；双卧轴式：n2336(r/min)。,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,二、搅拌机驱动功率计算1、立轴式根据欧美国家研究，立轴涡桨式搅拌机出料容量VC与拌合筒圆盘外径D，电机功率N间有如下关系：由此得出： 式中：VC：拌合机出料容量（m3）；D：拌合机圆盘外径（m）；N：电机驱动功率（kw）；,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,2、卧轴式（1）分析计算法因驱动功率主要消耗于叶片径向推移阻力和使物料轴向移动阻力上，故： (kw)式中：传动效率； (kw) (kw)式中：k：叶片径向推移混凝土的单位阻力，对塑性混合料：k=30kN/m2；对干硬性混合料：k=55kN/m2；k：轴向推移阻力系数，对粘土等粘性物料，k=45.5；对砾石、砂、水泥等磨削物料， k=3.2。,7.3 强制搅拌式拌合机设计计算,b：叶片宽度(m)； RH，RB：叶片顶端及内端半径(m)；：叶片平面相对搅拌轴的夹角，最佳值50，一般35