混凝土攪拌機葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀研究探討

摘要: 混凝土攪拌機的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響著建筑施工質(zhì)量和建筑施工進度。采用行星式攪拌結(jié)構(gòu)能有效提高攪拌質(zhì)量。改進攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對提高混凝土攪拌機的攪拌質(zhì)量、減小攪拌阻力、降低功率消耗和提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。

關(guān)鍵詞: 工程機械; 混凝土攪拌機; 攪拌鏟; 曲面

1 前言

　　混凝土攪拌機是施工機械裝備中的重要設(shè)備, 其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響著建筑施工質(zhì)量和建筑施工進度。強制式攪拌機是應(yīng)用最普遍、使用率最高的混凝土攪拌機。

　　強制式攪拌機是借助于攪拌葉片對物料進行強制導(dǎo)向攪拌。其攪拌葉片可以繞水平軸旋轉(zhuǎn)(臥軸式), 也可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)(立軸式); 攪拌葉片的形式可以是鏟片式, 也可以是螺旋帶式。

　　臥軸式和立軸式強制式攪拌機的工作原理、基本結(jié)構(gòu)大致相似, 攪拌筒一般呈圓形, 垂直或水平設(shè)置的攪拌軸通過攪拌筒中心, 攪拌臂沿徑向固定在攪拌軸上, 攪拌葉片安裝在攪拌臂外端。工作時, 攪拌軸帶動攪拌葉片旋轉(zhuǎn), 強迫物料按預(yù)定的軌跡產(chǎn)生剪切、擠壓、翻滾和揉搓等強制攪拌作用, 使物料在劇烈的相對運動中得到均勻攪拌。改進攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對提高攪拌質(zhì)量、減小攪拌阻力和降低功率消耗具有重要的意義。

　　近年來, 對混凝土攪拌機葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀研究取得很大進展, 部分成果已經(jīng)進入實用階段。

2 改進臥軸式攪拌機葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀通用的臥軸式攪拌機的葉片結(jié)構(gòu)為單螺旋帶式, 其曲面形狀為標(biāo)準(zhǔn)螺旋面。工作時, 物料在葉片推動下沿螺旋面移動, 單軸運動方式和螺旋輸送機相同。由于兩軸的旋轉(zhuǎn)方向相反, 兩軸間的物料產(chǎn)生擠壓、翻滾和揉搓, 以達(dá)到攪拌混合效果。

　　長期的生產(chǎn)實踐證明, 通用的臥軸式攪拌機的葉片結(jié)構(gòu)和曲面形狀都很不合理, 應(yīng)該加以改進和創(chuàng)新。

2.1 攪拌葉片的排列方式為正反排列的雙軸攪拌機。

　　雙軸攪拌機的葉片排列結(jié)構(gòu)改為正反排列,可大幅度提高物料混合攪拌效果。

2.1.1 雙軸攪拌機單根軸攪拌葉片的排列分析

　　目前現(xiàn)有的雙臥軸攪拌機, 其葉片排列具有渦旋攪拌特征, 物料的流向符合右(左)手定則, 即當(dāng)右(左)手四指順著攪拌軸旋轉(zhuǎn)方向時, 拇指的指向就是物料的流動方向;并且兩軸上攪拌葉片推動物料軸向流動分量和徑向流動分量的方向相反。

　　此時, 物料不但在拌筒內(nèi)有大范圍的循環(huán)流動, 而且在中央主攪拌區(qū), 兩軸之間的物料還有強烈的高頻次逆流從而使物料產(chǎn)生強烈的碰撞和揉搓,快速實現(xiàn)均勻拌合。

　　但這是葉片的總體形式, 而對于葉片在攪拌軸上的具體排列, 則還需要進一步分析。這主要包括兩方面, 一是單根軸上相鄰兩個攪拌葉片的排列, 二是雙根軸上攪拌葉片的對應(yīng)排列。

　　單根軸上相鄰兩個攪拌葉片的排列可以有兩種方式:一種稱其為正排列; 另一種為反排列。當(dāng)逆著物料流動方向看, 攪拌葉片的排列順序方向與攪拌軸轉(zhuǎn)向相同的為正排列;攪拌葉片的排列順序方向與攪拌軸轉(zhuǎn)向相反的則是葉片的反排列。

　　對于單根軸上相鄰的兩個攪拌葉片, 正排列要比反排列推攪得快。因此在攪拌時間一定的情況下, 物料得到的攪拌次數(shù)也就更多, 也就更容易達(dá)到勻質(zhì)。

2.1.2 臥軸攪拌機雙根軸攪拌葉片的對應(yīng)排列, 臥軸攪拌機雙根軸攪拌葉片的對應(yīng)排列有交錯布置和平行布置兩種形式, 分析雙根軸上攪拌葉片的排列?？紤]到單根軸攪拌葉片正排列有較好的攪拌效果, 那么雙軸攪拌葉片的排列就有兩種組合:一正一反排列( 簡稱正反排列) 和雙正排列。顯然, 在不破壞物料流大循環(huán)的前提下, 兩軸間物料逆流運動的頻次越高, 揉搓和擠壓作用就越充分, 攪拌效果就越好。因此, 雙軸上攪拌葉片的排列應(yīng)以此作為依據(jù)。當(dāng)然也要兼顧在攪拌的任何瞬間參與攪拌的葉片數(shù)量相同, 以達(dá)到電機負(fù)荷均勻, 減少沖擊的目的。

　　通過對葉片相對運動分析可知: 無論兩軸上的葉片是交錯布置還是平行布置, 攪拌葉片正反排列得到的逆流次數(shù)(3次)要比攪拌葉片雙正排列得到的次數(shù)(2次)多, 因此攪拌作用更強烈, 攪拌質(zhì)量也更好。并且隨著攪拌葉片數(shù)量的增多, 這種優(yōu)勢會更加明顯。

　　同時在雙正排列中, 由于兩軸上的葉片同時到達(dá)主攪拌區(qū), 那么攪拌葉片的運動順序破壞了拌筒內(nèi)物料的大循環(huán)流動。這是因為物料以連續(xù)遞推的方式前進, 工作時兩根攪拌軸中會有一根軸上相鄰葉片;同時參加攪拌, 并且二者對物料推動的方向相反。由于葉片的反向推動, 該葉片的相鄰葉片無料可攪, 從而導(dǎo)致一根軸上葉片內(nèi)的物料無法推出來, 而另一根軸上的葉片內(nèi)的料也無法推進去。所以, 雙正排列葉順序?qū)ξ锪涎剌S向的均勻拌合是極為不利的

　　通過攪拌性能對比試驗進一步驗證, 試驗的結(jié)論與理論分析是一致的, 攪拌葉片正反排列既能增加物料逆流運動的頻次, 也能保證物料獲得較多的軸向流動次數(shù)和在拌筒內(nèi)翻動的劇烈程度,從而使物料在拌筒的不同坐標(biāo)方向都能夠快速達(dá)到宏觀和微觀上的勻質(zhì), 這正說明攪拌葉片正反排列可以使物料達(dá)到較好的宏觀和微觀均勻性。

2.2 雙壁犁式物料混合機

　　雙壁犁式物料混合機對通用的臥式攪拌機葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀進行了很大的革新, 把單根軸上的葉片的單螺旋面排列改為旋向相反的雙螺旋面排列( 即單軸上的正反葉片) , 把每塊葉片的曲面改為犁狀曲面, 取得很好的效果。

2.2.1 臥式雙壁犁式物料連續(xù)混合機整機結(jié)構(gòu)臥式雙壁犁式物料連續(xù)混合機整機結(jié)構(gòu)見圖1, 它主要由U形槽2、攪拌轉(zhuǎn)子1、進料口7、出料口8和驅(qū)動裝置等組成, 攪拌轉(zhuǎn)子由軸和軸上的雙壁犁片( 雙向不等長螺旋葉片3、4及抄板5、6) 組成。電動機通過無級變速器驅(qū)動攪拌轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)動, 物料由進料口7進入U形槽2內(nèi), 在雙壁犁片的作用下被混合攪拌均勻并送至出料口8。

　　機內(nèi)的物料被正、反葉片組成的脊鋒分成兩部分, 一部分向前推進, 另一部分則向后推送, 使物料產(chǎn)生連續(xù)不斷的軸向往復(fù)運動, 同時抄板也將處于不同半徑處的物料鏟起、翻轉(zhuǎn), 使物料產(chǎn)生間歇性的徑向運動, 在葉片與抄板的共同作用下,物料在機內(nèi)反復(fù)翻動、擴散、攪拌、揉搓, 使物料混合均勻。由于正向葉片大于反向葉片, 所以物料在作軸向往復(fù)運動的時候, 總體趨勢上是向出料口方向緩慢前進的, 因而可以滿足連續(xù)工作的要求。

　　此外, 物料由通常的單向運動方式改為往復(fù)運動,使得設(shè)備的長度大大縮短。

　　根據(jù)試驗結(jié)果, 反向葉片的長度一般為正向葉片的1/2～2/3較好, 為了保證物料的徑向流動, 雙壁犁片之間應(yīng)留有一定的間隙; 為使軸的受力均勻, 雙壁犁片在軸上應(yīng)呈螺旋線布置, 按雙頭( 或三頭) 螺旋線在每節(jié)軸上布置1～2個導(dǎo)程比較好,如圖2所示。為了防止物料在機體兩端受到擠壓,應(yīng)在物料進口端只設(shè)正向葉片, 在出口端僅設(shè)反向葉片; 當(dāng)混合裝置由多節(jié)攪拌轉(zhuǎn)子和U形槽組成時, 每節(jié)轉(zhuǎn)子的尾部和下一節(jié)轉(zhuǎn)子的頭部僅設(shè)正向葉片, 以幫助物料順利通過軸的連接部位。抄板在正、反葉片上呈阿基米德螺旋線布置, 有利于物料的運動與翻轉(zhuǎn), 抄板的尾部與軸之間應(yīng)留出足夠的間隙, 便于物料的流動。

2.2.1 臥式雙壁犁式物料混合機混合機理當(dāng)物料進入混合機時, 受到雙壁犁片的作用,在U形槽內(nèi)作多重復(fù)合運動, 因葉片是螺旋面, 在反向葉片1上取一個小的扇形元dB, 當(dāng)dB足夠小時可以將其看作一個平面。與dB接觸的物料為A, 設(shè)dB作用在A上的力為P, 由于A與葉片之間存在著摩擦力, 作用力P的方向偏離了葉片法線角( 角等于物料對葉片的摩擦角ρ) 。物料A在P作用下產(chǎn)生圓周運動速度v1, 軸向運動速度v2, 合速度v, 當(dāng)反向葉片上的抄板3與A接觸時, 同樣有一個力P′作用于A上, 使A產(chǎn)生圓周運動v1′和向上的運動v3,它們的合速度為v′。這時, 物料A的運動是v、v′的共同作用。與正向葉片3及抄板接觸的物料顆粒也會有同樣的結(jié)果, 只是v2的方向相反, v、v′合成的方向不同而已。

2.2.2 雙壁犁式物料混合機的混合運動雙壁犁式物料混合機的混合運動有:

　　(1)圓周流混合。隨著攪拌轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動, 在葉片和抄板的作用下, 物料將繞轉(zhuǎn)子的軸心線作圓周運動;

　　(2)剪切混合。物料顆粒在作圓周運動時, 它們之間存在著速度上的差別, 物料顆粒間相互碰撞、滑移或摩擦, 形成剪切混合。一般認(rèn)為, 物料混合的剪切作用與物料顆粒的圓周速度及速度梯度有關(guān)。

　　(3) 軸向流混合。在正向葉片和反向葉片的作用下, 形成軸向往復(fù)物料流。由于正向葉片大于反向葉片, 物料前進的路程長而回退的路程短, 總體上形成向右的軸向物料流。

　　(4) 擴散混合。擴散混合是指相鄰物料顆粒之間相互改變位置而引起的局部混合, 這種局部混合最終可以達(dá)到完全混合的效果。

　　①由于葉片是螺旋面, 一個葉片上的每個扇形元dB的方向都不同, 與不同扇形元接觸的物料顆粒的運動方向也不相同, 在垂直于軸的平面內(nèi)形成"散射式"物料流, 使物料顆粒實現(xiàn)擴散混合。

　　②隨著抄板的轉(zhuǎn)動, 當(dāng)物料顆粒受到抄板的作用時, v1′和v3的方向和大小改變, v3將物料向上拋起。在抄板的尾部v1′達(dá)到最大值, 抄板轉(zhuǎn)動使v1′指向上方時, 物料顆粒被向上拋起( 拋起高度與攪拌轉(zhuǎn)子的直徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)) , 不再依賴相鄰物料顆粒的支撐來維持自身的空間位置, 而失去機械支撐的物料處于流態(tài)化區(qū)域內(nèi)自由運動, 引起物料顆粒之間位置的變化而形成擴散混合。

　?、垭p壁犁片在軸上呈螺旋線分布, 每個犁片之間都錯開一個相位角, 一個犁片的正向葉片將物料顆粒向右散射出去, 經(jīng)過一定的時間后, 下一個犁片的反向葉片又將物料顆粒向左散射回來,形成往復(fù)散射的擴散混合。

　　雙壁犁式混合機使物料處于不斷的圓周流混合、剪切混合、軸向流混合和擴散混合這樣多方位的復(fù)合混合中, 能實現(xiàn)物料的粗略混合以及細(xì)致混合, 這也是雙壁犁式物料混合機混合均勻度高的主要原因。

　　雙壁犁式混合機是為輕工行業(yè)的物料攪拌而設(shè)計, 只需在結(jié)構(gòu)參數(shù)和零部件材質(zhì)方面作一些相應(yīng)的改進, 以適應(yīng)混凝土生產(chǎn)工藝要求, 即可應(yīng)用于混凝土攪拌。目前已經(jīng)有在混凝土生產(chǎn)中應(yīng)用的實例。

3 立軸行星式攪拌機

　　立軸強制式攪拌機是隨著混凝土施工工藝的改進而逐漸發(fā)展起來的機型, 具有攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點, 因此在混凝土攪拌設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。但是強制式攪拌機由于自身結(jié)構(gòu)的不足, 存在著攪拌低效區(qū)的固有缺陷,

3.1 立軸強制式攪拌機攪拌低效區(qū)的成因與危害

　　立軸強制式攪拌機是借助于攪拌葉片對物料進行強制導(dǎo)向攪拌。其攪拌葉片繞垂直軸旋轉(zhuǎn);攪拌葉片的形式可以是鏟片式, 也可以是螺旋帶式。在攪拌軸轉(zhuǎn)動時, 攪拌臂上每一點的線速度不同,各點的線速度與該點到攪拌軸心的距離成正比,大容量的強制式攪拌機直徑可達(dá)6m甚至9M, 攪拌軸轉(zhuǎn)動時, 葉片只能攪動靠近拌筒內(nèi)壁的一層物料, 而處于攪拌葉片和攪拌軸之間的很大一段距離的物料無法得到很好的攪拌。顯然, 攪拌機的容量越大, 攪拌低效區(qū)問題就越嚴(yán)重。

3.2 立軸行星式攪拌機結(jié)構(gòu)形式

　　現(xiàn)有立軸強制式攪拌機的基礎(chǔ)上, 可以通過改進攪拌機的結(jié)構(gòu)形式來消除攪拌低效區(qū)。如何使靠近攪拌軸的物料得到有效的攪拌, 是其改進的關(guān)鍵。立軸行星式攪拌機是在普通立軸式攪拌機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為定盤式和轉(zhuǎn)盤式。其結(jié)構(gòu)特點是:攪拌葉片的回轉(zhuǎn)中心與拌筒的幾何中心不重合, 二者之間有一個偏心距。工作時, 攪拌葉片除了有繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運動外, 其轉(zhuǎn)軸與拌筒中心軸線還有相對轉(zhuǎn)動, 這種攪拌機葉片的運動使物料形成強烈的對流運動, 從而保證整個拌筒空間內(nèi)的物料都得到充分拌和。

　　這種攪拌機構(gòu), 不但能有效消除攪拌低效區(qū),提高攪拌質(zhì)量, 而且還能減輕拌筒襯板和攪拌葉片的磨損, 延長其使用壽命。當(dāng)配合比不變時, 混凝土強度大約提高25%左右; 當(dāng)減少水泥用量20%時, 混凝土強度大約提高15%左右。并且攪拌機容量越大, 這種增強的效果越顯著。

3.3 立軸行星式攪拌機的犁狀葉片( 鏟片)

　　普通的立軸強制攪拌機的鏟片表面形狀一般為平面, 在攪拌過程中, 物料對平面鏟片的運動阻力很大, 混合攪拌的功率消耗高。平面鏟片對物料只有推動作用, 沒有翻動效果, 所以普通的立軸強制攪拌機的攪拌混合效率較低, 物料混合質(zhì)量差,攪拌時間長。

　　犁狀鏟片可以明顯提高立軸強制攪拌機的攪拌混合效率。

　　犁狀鏟片曲面由引導(dǎo)面和翻料面2部分構(gòu)成。引導(dǎo)面平緩, 起角較小, 易于引導(dǎo)物料沿曲面上升。翻料面扭曲較為明顯, 目的在于將上升至曲面頂部的物料實現(xiàn)翻扣。在這種形式的曲面上, 物料的運動軌跡為一條螺旋線, 翻動效果特別明顯, 物料混合質(zhì)量好。可以在很短時間內(nèi), 完成攪拌工序的任務(wù), 所以生產(chǎn)率可成倍地提高。

　　鏟片曲面可以是雙曲面、拋物面或阿基米德螺旋面, 也可以是兩種曲面的光滑連接, 應(yīng)根據(jù)物料的性質(zhì)如: 粒度、粘稠度、硬度等選擇不同的鏟片曲面, 以適應(yīng)不同的工藝要求。

4 結(jié)語

　　混凝土攪拌機是施工機械裝備中的重要設(shè)備, 其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響著建筑施工質(zhì)量和建筑施工進度。強制式攪拌機借助于攪拌葉片對物料進行強制導(dǎo)向攪拌。工作時, 攪拌軸帶動攪拌葉片旋轉(zhuǎn), 強迫物料按預(yù)定的軌跡產(chǎn)生剪切、擠壓、翻滾和揉搓等強制攪拌作用, 使物料在劇烈的相對運動中得到均勻攪拌。

　　改進攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對提高混凝土攪拌機的攪拌質(zhì)量、減小攪拌阻力和降低功率消耗具有重要的意義。

　　通過對臥軸式攪拌機葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀的改進可提高臥軸式攪拌機的生產(chǎn)效率。

　　立軸強制式攪拌機采用行星式攪拌結(jié)構(gòu)能有效提高攪拌質(zhì)量。

　　攪拌葉片的排列方式為正反排列的雙軸攪拌機、雙壁犁式混合機、立軸行星式攪拌機和犁狀鏟片等項研究成果已經(jīng)具有很好的實用價值和推廣前景。

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