《机械设计基础1》-第18章

18.1机器功能介绍绿色低碳建筑是指在建筑材料与设备制造、施工建造和建筑物使用的整个生命周期内,减少化石能源的使用、提高能效、降低二氧化碳排放量。其中,绿色建筑材料及其设备制造是实现绿色低碳建筑的根本和首要保证。当前,多种绿色建筑材料不断问世,最具应用前景的是干混砂浆。干混砂浆指由专业厂家生产以水泥为主要胶结材与干燥筛分处理的细集料、矿物掺合料、加强材料和外加剂按照一定比例混合而成的混合物。这种材料是继混凝土商品化后,建筑材料和施工工艺的又一次革命,其优势是:低碳、节能、环保、质量稳定,可实现工厂化生产,有利于产业升级。下一页返回18.1机器功能介绍当前,国家把建设资源节约型和环境友好型社会,发展循环经济和低碳经济,加强节能减排摆在可持续发展更加突出的战略位置。通过推广应用干混砂浆来推动建筑向绿色低碳节能转换,把人们带进低碳建筑时代。由此,符合绿色低碳发展方向的干混砂浆产业正处于蓄势待发的大好时机。混合机是干混砂浆生产线中最关键的设备,也即工厂的“心脏”。目前国内对干混砂浆的研究大多数集中在砂浆品种开发及性能优化方面,而缺乏对生产设备的全面系统深入研究,特别是对混合机方面的研究不足,仅局限于引进和仿制国外产品,混合机发展的不足成为制约干混砂浆行业发展的瓶颈之一。因此,如何尽快研制适用干混砂浆生产的新型高效混合机,增强这一行业产品的市场竞争力,在新的原理和技术方面首先取得突破具有重要的意义和价值。上一页下一页返回18.1机器功能介绍目前国内使用的混合机大多是机械式的,按作用方式分为容器回转型、容器固定型和复合型混合设备。容器回转型包括V型、双重圆锥、滚筒式、正立方体式和连续V型,这类回转型混合设备缺陷是回转速度慢、容器回转空间大、伴随回转容易引起负荷变动;容器固定型包括卧式螺带、立式螺带、犁刀式、行星锥形和静态等类型混合设备,这类固定型混合设备缺陷是清洗困难,只适合于少品种大批量的生产,同时存在搅拌桨叶磨损问题;复合型混合设备是在容器回转型的基础上,在容器内部增设搅拌物料用的叶片,这类混合设备容易造成物料的粉碎和磨损。以上机械混合设备的共性缺陷是干混砂浆混合均匀度低,机械磨损较大。上一页下一页返回18.1机器功能介绍除采用以上机械混合搅拌方法外,在医药、化工等领域也使用了磁力搅拌、超声波搅拌、气力搅拌等方式,经过检索和分析现有的相关文献可知,根据这些方式所设计的混合搅拌设备或是结构复杂、成本高,或是针对液体溶液搅拌、混合搅拌效率低,这些混合搅拌设备难以应用到产量大、效率高的干混砂浆生产过程中。本章针对目前业界干混砂浆混合机存在混合均匀度低和机械磨损大等缺陷,基于机械原理和零件设计知识进行创新设计,包括基于外筒旋转和叶片振动的新型干混砂浆混合机设计、基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计、基于气力与机械联合驱动的新型干混砂浆混合机设计等三类创新机型设计。上一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计一、新型混合机设计原理1.物料不同状态的受力分析当混合设备的搅拌叶片转到图18-1所示的两个位置时,分别对应的是物料的自落状态和挤压状态,处于自落状态的物料随叶片向上运动到一定高度时自落到搅拌轴附近,这样可以减缓离析的产生。当物料处于自落状态和挤压状态时,分别沿主轴方向对物料进行轴向受力分析如图18-1(a)所示。其中,θ为叶片转动角度,即为物料下滑角。下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计当物料处于自落状态时,其上的受力应满足图18-1(b)为物料沿叶片方向的受力分析,其中,α为叶片安装角。可得上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计由式(18-1)和式(18-2)得出用速度v表示的关系式为式中:f为摩擦因数;g为重力加速度;R为叶片顶端到主轴线的距离。当物料在挤压状态下,搅拌设备工作的物料离心力应不大于它与搅拌叶片间的摩擦力,即上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计此时,参照径向的受力分析,可以近似地认为物料所受的正压力等于重力。从以上受力分析可以发现,物料在搅拌叶片的作用下沿着轴向和径向的合成运动进行混合。由式(18-3)可知,叶片的安装角度及外筒几何外形是间接决定主轴转速的因素。另外,混合设备外筒利用定轴轮系与主轴向相反方向旋转,打破了通过搅拌形成的稳定的流场,进一步打乱了物料的运动轨迹,增大了接触面积,能够增强搅拌的均匀度,外筒旋转还能够有效避免箱体底部低效区的出现,在搅拌大循环的过程中实现有效增加混合均匀度的小循环,如图18-2所示。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计2.单自由度系统的强迫振动原理强迫振动是由外界持续激振所引起的振动,从外界不断地获得能量来补偿阻尼所消耗的能量,使系统得以维持持续的等幅振动。本混合设备的振动系统采用持续的激振力即利用偏心质量所引起的强迫振动使叶片获得一定的振动幅度。振动系统可以等效为如图18-3所示的简化物理模型。假设振动叶片的质量为M,偏心轮的偏心质量为m,偏心距3π(忽略连接轴部分质量),当电机以一定的转速n旋转时,偏心质量m就以作等速圆周运动。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计以坐标x表示电机离开静平衡位置的垂直位移。封装壳体以及叶片的刚度为k,阻尼系数为c,则系统振动的微分方程为上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计上一页下一页返回由上述分析可见,偏心质量引起的强迫振动的振幅与不平衡量成正比。由偏心质量引起的强迫振动的激振力幅值与转速的平方成正比。另外,还有为了直观的反应频率比与振幅之间的关系,将振幅的公式改写成无量纲形式,即18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计如图18-4所示,叶片中的振动模块是基于偏心块的偏心质量所引起的强迫振动所设计的。采用两个电机分别带动偏心块转动,偏心质量的离心惯性力在水平方向的分力互相平衡,从而获得竖直方向的激振力,使叶片获得一定的振动幅度,使混合更加高效地进行。偏心质量做圆周运动时,产生离心惯性力F0=2meω2,它在垂直方向的分量即为垂直激振力,则有如图18-1(b)所示,垂直激振力将给予叶片上的物料一个瞬时的力,使物料获得足够的加速度,使物料颗粒运动速度增大,有效碰撞次数增加。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计二、新型混合机设计1.总体结构设计本章所设计的新型混合设备是在利用机械运动实现物料混合的基础上,利用定轴轮系工作原理使混合设备外筒旋转来加大搅拌叶片与物料的接触时间以及接触力,使处于挤压状态的物料混合更加充分。在叶片中加入振动模块,利用振动电机产生的激振力使叶片获得适当的振幅,混合更加均匀。总体结构设计如图18-5所示。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计相对于现有的单一机械运动的混合设备,本混合设备采用定轴齿轮系带动外筒旋转以及叶片振动联合的工作方式。参照图18-5,该新型干混砂浆混合设备是由支撑部分、驱动部分、混合部分以及外筒组成。各零部件连接关系如下:通过联轴器分别将电动机1连接减速器2,同时减速器2通过联轴器3与主轴相连;主轴与外筒通过滚动轴承连接;轮系中的太阳轮通过平键与主轴连接,轮系封装在箱体侧面(图中剖开,便于表示),并通过固定架4使轮系成为定轴轮系,固定架通过连接件与地面固定并套在主轴上(支撑件套筒内径大于主轴直径);上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计搅拌臂17焊接在主轴上,采用长短柄结合的排列方式,叶片14与垫层16一起套装在搅拌臂17中,搅拌臂17与叶片14采用螺钉紧固,叶片14中内置振动模块并封装(由偏心轮13和电动机15组成,图中剖开),搅拌臂17中通过垫层16与U型连接件连接,避免将振动传到主轴上损坏滚动轴承;外筒6通过4个支撑轮9固定,轮子与箱体边缘咬合;主轴与搅拌臂均中空,其中电线逐个牵引到叶片14的振动模块的电机上,封装盒11中为电刷结构。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计图18-5(a)所示位置关系为装料和卸料位置,机器运转过程中,入料口和卸料门均关紧并做旋转运动。2.工作过程混合设备采用叶片振动和外筒旋转联合式的工作原理,具体过程是:物料以及添加剂从入料口7加入后,密封好并开动电机1,同时将插头12与电源相接,通过减速器2的减速,主轴带动搅拌臂17和搅拌叶片14转动进行物料混合,同时通过轮系带动箱体相反方向做低速旋转,增加物料与叶片的接触时间以及接触力,搅拌臂的长短排列搭配可以更加高效的混合。通过封装盒11的电刷结构使搅拌叶片14中的电动机15获得连续的动力并带动偏心轮13旋转,通过偏心质量引起强迫振动,使叶片获得一定的振动幅度,从而使物料高效混合。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计3.定轴轮系设计利用轮系使外筒旋转能更好地增加物料与叶片接触时间,从而提高物料混合的均匀度。由于主轴和外筒均要旋转,在保证只有1个输入自由度的情况下,选用定轴轮系,使所有齿轮的轴线都固定,小齿轮通过固定架与地面固定。具体设计如图18-6所示。这里取传动比i13=-2。可以看出此种组合为降速传动,传动比一般取1.5~4.0,主动件与被动件转向相反。由于仅仅是理论计算,本文数据选取均为粗略选取,数值还需进行近似计算。定轴轮系各轮齿数的确定,必须遵照满足4个条件:传动比条件、同心条件、均布安装条件、邻接条件。下面遵照4个条件对定轴轮系进行配齿计算。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计(1)传动比条件如图18-7所示,定轴轮系传动比为上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计(2)同心条件主动轮与从动轮的中心距应等于从动轮与齿圈(外筒)的中心距,如图18-8所示,即上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计上一页下一页返回及(3)均布安装条件对于标准齿轮传动均布安装条件为式中:N为正整数;K为从动轮个数。18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计(3)邻接条件邻接条件如图18-9所示,有对于标准齿轮传动上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计进行配齿计算时,一般现根据式(18-10)~(18-12)确定齿数,然后将齿数代入式(18-13)中进行验算,具体可以推导出配齿的公式为由于选取i13=-2,从动轮个数K=3,又d=mz,故还有上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计由以上公式,经过计算和检验,可以得出比较合理的一组齿数为4.振动模块设计振动模块结构设计如图18-10所示,并参照工作原理中机械振动相关公式进行计算。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计由于拟采用的金属材料的弹性模量差别不大,故叶片初步拟采用比较耐磨的钨钴类硬质合金钢,代号为YG8。查阅实验数据,选取弹性模量E=216GPa。叶片的等效尺寸参数为代入式(18-16),解得叶片的刚度近似为k=5.4×105N/m另外,假定偏心轮半径r=15mm,偏心质量m=300g,振动叶片的质量M=1200g,其中,选取电动机15的转速为n=8000r/min,故ω≈840rad/s。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计由于振动系统实际阻尼系数不易计算,这里取较为常用的c=0.05~1.00之间。则ζ=1.2×10-4~2.5×10-3。代入式(18-6),可以发现(2ζλ)2项可以忽略不计,则可以求得故采取的振动模块将使叶片获得理想的振动幅度。加入物料后,有效碰撞次数增加,能够较快地实现均匀拌合。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计5.主要参数设计(1)长宽比设计长宽比是搅拌机的基本几何参数。确定长宽比的原则是长宽比的选择要综合考虑它与搅拌机类型、运动参数、结构参数的关系,从而保证搅拌质量和搅拌效率。对于单卧轴混合设备,是指拌缸长度与直径之比。在限定条件下,单卧轴强制式连续混合设备的拌筒长度与半径之比为上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计这里选择混合设备的长度L=1200mm,外筒半径R=400mm。故长宽比为3∶2。(2)其他参数设计搅拌臂的数目和搅拌叶片的面积将在一定程度上决定着搅拌性能的好坏。在相同的搅拌时间和搅拌臂围流布置的前提下,搅拌线速度是影响搅拌质量的首要参数。搅拌线速度即叶片的圆周(切向)线速度,其主要受搅拌过程中物料不发生离析现象限制,可以通过式(18-3)并结合相关参数计算,线速度一般在1.2~1.8m/s之间取值。上一页下一页返回18.2基于外筒旋转与叶片振动的新型

干混砂浆混合机设计已有成熟的理论研究表明,效率最高的搅拌过程应该是尽量保证拌筒在三维坐标方向能同时达到要求的均匀性,这就要求搅拌时物料的轴向运动和径向运动最好接近。通过大量的理论计算、模拟和试验,对于卧轴式混合设备理想的叶片安装角应为31°~45°,对于截面为宽短型的叶片,推荐值为35°。本设计叶片和搅拌臂的安装角为35°,每根轴上各有5组搅拌臂和叶片。每组搅拌臂采用长短臂结合的方式,使物料与叶片充分接触。上一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计一、复合运动高效混合原理单纯使用带桨叶的搅拌运动过程是在桨叶达到一定圆周速度时由于物料的上抛运动,在混合室内形成流动层,层内的物料在对流混合原理的作用下进行混合。单纯外筒旋转作用时,初始位于滚筒底部的物料,由于物料受外筒侧壁间的摩擦力(有些干混物料之间以及与外筒间还存在黏结力)而随滚筒升起,又由于离心力的作用,物料向滚筒壁面靠近,并且上升到一定高度时,在重力作用下飞落到底部,如此反复进行循环混合。若将上述两种混合过程相结合,使物料在桨叶抛洒和外筒旋转复合作用下进行混合,其混合效果和效率将会得到提升。下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计二、新型混合机设计基于上述复合运动作用原理,提出一种基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机,该新型混合机通过定轴轮使搅拌叶片对物料进行强制式搅拌,同时,又借助外筒旋转对物料进行进一步混合。由于搅拌作用使物料在水平面上产生剧烈的对流运动,同时滚筒转动时,在垂直平面上,由于物料的重力以及离心力产生径向重力扩散作用,使物料充分混合。这种混合设备具有混合均匀度高、混合时间短等显著优点。上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计1.总体结构设计总体结构设计如图18-11所示。该混合机由支撑部件、驱动装置、混合装置、进出料口以及外筒等主要部分组成。各零部件连接关系如下:电动机1经过减速器减速后,通过联轴器3将减速器2与搅拌轴相连;搅拌轴通过平键与定轴轮系连接,搅拌轴通过定轴轮系带动外筒体5旋转;外筒体5支撑在第1支架7上,所述第1支架7上设有滚柱8,通过滚柱8与外筒体5的外壁接触支撑,第1支架数量设置为4个,支撑安全可靠。上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计定轴轮系如图18-12所示。在滚筒两端分别有定轴轮系,其组成为齿轮1、齿轮2、齿轮3组成。齿轮1与搅拌轴用键连接,齿轮2轴固定在第2支架9上,齿轮3在外筒体的内壁上加工形成,其中齿轮2的数量为3个。运动由齿轮1(搅拌轴)输入,通过齿轮2,带动从动齿轮3(外筒体)转动。运转过程中,每个齿轮几何轴线的位置都是固定不变的。在滚筒两侧分别有定轴轮系。干混砂浆混合机工作时,物料由进料口4进入,电动机1经过减速器减速后,带动搅拌轴旋转,使搅拌叶片对物料进行强制式搅拌,同时搅拌轴通过键连接带动定轴轮系的齿轮1旋转,进而通过啮合传动到外筒体5,带动外筒体与搅拌轴相反方向的转动,物料经充分的混合后,最后由出料口6流出。上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计参照合作单位干混砂浆混合设备现场工作情况,该新型混合机设计的主要参数为:总容积2000L,工作容积500~1400L,搅拌筒直径1110mm,搅拌轴直径130mm。2.轮系设计利用轮系使外筒旋转能更好地增加物料与叶片接触时间,从而提高物料混合的均匀度。由于主轴和外筒均要旋转,在保证只有1个输入自由度的情况下,选用定轴轮系,使所有齿轮的轴线都固定,小齿轮通过支架与地面固定。为实现减速传动,传动比一般取1.5~4.0,主动件与被动件转向相反。上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计定轴轮系各轮齿数的确定,必须遵照满足4个条件:传动比条件、同心条件、均布安装条件、邻接条件。根据4个条件对定轴轮系进行配齿计算。(1)传动比条件如图18-12所示。定轴轮系传动比为上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计(2)同心条件如图18-13所示。主动轮与从动轮的中心距应等于从动轮与齿圈(外筒)的中心距,同心条件为(3)均布安装条件对于标准齿轮传动,有上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计式中:N为正整数;K为从动轮个数。(4)邻接条件如图18-14所示,对于标准齿轮传动,有进行配齿计算时,一般根据上述公式确定齿数,然后将齿数代入相应公式中进行验算,经过计算和检验,可以得出比较合理的一组齿数。上一页下一页返回18.3基于外筒旋转与叶片搅拌复合作用的新型干混砂浆混合机设计3.外筒设计搅拌筒为搅拌机的工作部件,搅拌筒为圆柱形,在外筒圆周壁上面开出圆周凹槽,托架与凹槽接触。外筒边缘有4个托架,滚筒转动时起到支撑的作用。搅拌筒有两个进料口,进料口对称设置。出料口只有一个,采用大开口全开式,卸料迅速完全。4.搅拌轴及搅拌叶片设计搅拌叶片采用桨式结构,它是由搅拌臂、叶片、连接套、搅拌轴等组成。其中搅拌叶片总共有12个叶片,采用交错排列,如图18-15所示。上一页返回

18.4基于气力与机械联合驱动的新型干混砂浆混合机设计

机械与气力联合驱动干混砂浆混合机既能使用搅拌叶片对物料进行强制式搅拌,又可以在桶壁向桶内吹气使干混砂浆进一步混合,使物料的混合效率更高,混合也更加均匀。对于普通的单轴混合机,搅拌轴上安装具有一定数量、一定角度并呈重叠状的桨叶。在桨叶达到一定圆周速度时,由于物料的上抛运动,故在混合室内形成流动层,层内的物料在对流混合原理的作用下进行混合,但混合均匀度不高。相对于现有仅是叶片旋转混合,采用气流驱动新原理,开发基于气流驱动和机械混合的联合式新型高效混合设备,创建气流驱动新原理中的高效混合理论。总体结构如图18-16所示。下一页返回18.4基于气力与机械联合驱动的新型干混砂浆混合机设计采用气流驱动和机械混合联合式新型工作原理,具体过程是:物料以及添加剂从入料口6加入后,密封好并开动电机1,通过减速器3的减速,主轴7带动搅拌臂12和搅拌叶片13转动进行物料混合,搅拌臂的长短排列搭配可以更加高效的混合。同