機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)68攪拌機(jī)設(shè)計(jì)論文

摘要 攪拌機(jī)是攪拌設(shè)備的心臟。在攪拌機(jī)設(shè)計(jì)及使用過程中，合理的選取攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)和工作參數(shù)，直接關(guān)系到混凝土等材料的攪拌質(zhì)量和攪拌效率。論文對(duì)攪拌臂的排列、攪拌葉片的安裝角、拌筒長(zhǎng)寬比、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間等主要參數(shù)的選取進(jìn)行分析與試驗(yàn)研究。通過歸納，給出了雙臥軸攪拌機(jī)的主要參數(shù)，包括攪拌臂排列、葉片安裝角、拌筒長(zhǎng)寬比、攪拌線速度等；給出了評(píng)價(jià)攪拌機(jī)參數(shù)合理與否的準(zhǔn)則；給出了攪拌臂排列的基本原則。 第 1 章 前言 1 1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 19世紀(jì) 40年代，在德、美、俄等國(guó)家出現(xiàn)了以蒸氣機(jī)為動(dòng)力源 的白落式攪拌機(jī)，其攪拌腔由多面體狀的木制筒構(gòu)成，一直到 19世紀(jì) 80年代，才開始用鐵或鋼件代替木板，但形狀仍然為多面體。 1888年法國(guó)申請(qǐng)登記了第一個(gè)用于修筑戰(zhàn)前公路的混凝土攪拌機(jī)專利。 20世紀(jì)初，圓柱形的拌筒自落式攪拌機(jī)才開始普及，其工作原理如圖 1 2所示。形狀的改進(jìn)避免了混凝土在拌筒內(nèi)壁上的凝固沉積，提高了攪拌質(zhì)量和效率。 1903年德國(guó)在斯太爾伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的預(yù)拌工廠。 1908年，在美國(guó)出現(xiàn)了第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的攪拌機(jī)，隨后電動(dòng)機(jī)則成為主要?jiǎng)恿υ础?1913年，美國(guó)開始 大量生產(chǎn)預(yù)拌混凝土， 到 1 950年，亞洲大陸的日本開始用攪拌機(jī)生產(chǎn)預(yù)拌混凝土。在這期間，仍然以各種有葉片或無葉片的自落式攪拌機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用為主 。自落式攪拌機(jī)依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成攪拌。工作時(shí)，隨著拌筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料被攪拌筒內(nèi)壁固定的葉片提升到一定高度后，依靠自重下落。由于各物 料顆粒下落的高度、時(shí)問、速度、落點(diǎn)和滾動(dòng)距離不同，從而物料各顆粒相互穿插、滲 透、擴(kuò)散，最后達(dá)到均勻混合。自落式攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單，功率消耗小，拌筒和葉片磨損輕，但攪拌強(qiáng)度不高，生產(chǎn)效率低，攪拌質(zhì)量不易保證。此種攪拌機(jī)適于拌 制普通塑性混凝土，廣泛應(yīng)用于中小型建筑工地。按拌筒形狀和卸料方式的不同，有鼓筒式攪拌機(jī)、雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌機(jī)、雙錐傾翻出料攪拌機(jī)和對(duì)開式攪拌機(jī)等，其中鼓簡(jiǎn)式攪拌機(jī)技術(shù)性能落后，已于 1987年被我國(guó)建設(shè)部列為淘汰產(chǎn)品。隨著多種商品混凝土的廣泛使用以及建筑規(guī)模的大型化、復(fù)雜化和高層化對(duì)混凝土 質(zhì)量、產(chǎn)量不斷提出的更高要求，有力地促進(jìn)了混凝土攪拌設(shè)備在使用性能和技術(shù)水平 方面的提高與發(fā)展。各國(guó)研究人員開始從混凝土攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)方式、攪拌腔襯板材料以及攪拌生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)和探索。 20世紀(jì) 40年代后期，德國(guó) ELBA公司最先發(fā)明了強(qiáng)制式攪拌機(jī)，和自落式攪拌機(jī)的工作原理不同，強(qiáng)制式攪拌機(jī)利用旋轉(zhuǎn)的葉片強(qiáng)迫物料按預(yù)定軌跡產(chǎn)生剪切、擠壓、翻滾和拋出等強(qiáng)制攪拌作用，使物料在劇烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中得到勻質(zhì)攪拌。強(qiáng)制式攪拌機(jī)工作原理如圖 1 3，與自落式攪拌機(jī)相比，強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌作用強(qiáng)烈，攪拌質(zhì)量好，攪拌效率高，但拌筒和葉片磨損大，功耗增大。此種攪拌機(jī)適于拌制干硬性、輕骨料混凝土以及特種混凝土和專用混凝土，多用于施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土攪拌站和預(yù)拌混凝土攪拌樓。根據(jù)構(gòu)造特征不同，主要有立軸渦漿式攪拌機(jī)、立軸行星式攪拌機(jī)、立軸對(duì)流式攪拌機(jī)、 單臥軸攪拌機(jī)和雙臥軸攪拌機(jī)等。 圖 1 2 自落式攪拌機(jī)工作原理示意圖圖 1 3 強(qiáng)制式攪拌機(jī)工作原理示意圖 隨著技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)制式攪拌機(jī)在德國(guó)的 BHS公司和 ELBA公司、美國(guó)的 JOHNSON 公司和 REX WORKS公司、意大利的 SICOMA公司和 SIMEN公司、日本的日工株式會(huì)社和光洋株式會(huì)社等企業(yè)發(fā)展迅速，目前已形成系列產(chǎn)品。比如德國(guó)的 EMC系列、 EMS系列攪拌站和 UBM系列、 EMT系列攪拌樓，意大利的 MAO系列攪拌站、 MSO 系列大型攪拌基地等 。我國(guó)混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)從 20世紀(jì) 50年代開始。 1952年，天津工程機(jī)械廠和上海建筑機(jī)械廠試制出我國(guó)第一代混凝土攪拌機(jī)，進(jìn)料 容量為 400L和 1000L。 20世紀(jì) 70年代未至 80年代初，我國(guó)為適應(yīng)建筑業(yè)商品混凝土 大規(guī)模發(fā)展的需要，在引進(jìn)國(guó)外樣機(jī)的基礎(chǔ)上，有關(guān)院所廠家陸續(xù)開發(fā)了新一代 Jz型雙錐自落式攪拌機(jī)、 D型單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。其中， JS型雙臥軸攪拌機(jī)在 80年代初 研制成功。 80年代末，我國(guó)混凝土攪拌產(chǎn)品開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向商品混凝土成套設(shè)備，研制出了 10多種混凝土攪拌樓 (站 )。經(jīng)過引進(jìn)吸收、自主開發(fā)等幾個(gè)階段，到本世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)混凝土攪拌機(jī)技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，在產(chǎn)品規(guī)格 和生產(chǎn)數(shù)量上，都達(dá)到了一定規(guī)模，出 現(xiàn)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，逐步形成了一個(gè)具有一定規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)能力的行 業(yè)。 2006年，我國(guó)生產(chǎn)裝機(jī)容量 O 5 6m3的攪拌站 2100多臺(tái)，已成為混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)大國(guó)。 1 2國(guó)內(nèi)外攪拌機(jī)參數(shù)的研究現(xiàn)狀 對(duì)攪拌設(shè)備來說，攪拌機(jī)構(gòu)是核心裝置，混凝土攪拌質(zhì)量的好壞，攪拌機(jī)生產(chǎn)率的高低以及使用維修費(fèi)用的多少都與它有關(guān)，目前，雙臥軸攪拌機(jī)是國(guó)內(nèi)的主導(dǎo)機(jī)型，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)臥軸攪拌機(jī)技術(shù)進(jìn)行了比較廣泛、深入的研究。國(guó)外對(duì)臥軸攪拌機(jī)技術(shù)的研究起因于對(duì)瀝青混和料拌和抽樣和方法準(zhǔn)確度的 分析，由于試驗(yàn)中采用的 1t間歇式臥軸強(qiáng)制攪拌器，抽取的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)顯示了在攪拌器的一種設(shè)計(jì)與另一種設(shè)計(jì)之間，由于槳葉的排列方式不同，有可能成為造成混合料均勻 度的明顯差別的主要原因。研究人員分析認(rèn)為：所用的雙軸槳葉式攪拌器中，材料的主 要運(yùn)動(dòng)是一種在與軸垂直的平面內(nèi)，圍繞著每根軸的不規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)。在槳葉相遇或重疊的 部位，材料在一根軸之間的區(qū)域內(nèi)相互交換著，材料的輔助運(yùn)動(dòng)是與兩根軸平行的，從攪拌軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面到另一旋轉(zhuǎn)平面。在用來構(gòu)成輔助運(yùn)動(dòng)方面，不同設(shè)計(jì)方案的攪 拌器，變化是很廣泛的?；旌狭显趦筛S之間的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng) 是不規(guī)則的，但是在軸的兩 側(cè)，物料則圍繞著攪拌器內(nèi)壁在水平面內(nèi)作某種循環(huán)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的程度都會(huì)受到槳葉端 面與它們移動(dòng)方向的夾角的影響。為了找到在攪拌器其它設(shè)計(jì)特點(diǎn)保持不變的情況下，由于改變槳葉端面的角度和安裝方式而產(chǎn)生的不同方案的輔助運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)被攪拌的混和料均勻度的影響程度，研究人員制造了一套帶有可調(diào)槳葉的特殊槳臂。通過央緊作用，將槳葉緊固到槳臂的圓柱部分，并可按任意角度調(diào)整，而且可按根右旋或左旋螺距來安裝于攪拌軸上。在一些攪拌器中，將垂直于它們移動(dòng)方向的平面槳葉，向左和向右交替地轉(zhuǎn)一定角度，使這些槳葉的排列 方式不是按照產(chǎn)生一種有規(guī)則的輔助運(yùn)動(dòng)，所以在攪拌器內(nèi)材料的輸送不是始終如一地從一端到另一端。當(dāng)使物料由軸的兩端向中心運(yùn)動(dòng)時(shí)。物料向中心堆積，有一些物料則從堆積料的頂端溢出，再?gòu)膬啥朔祷?，那旱物料的水平面要低得多。在另外一些攪拌器中，槳葉的排列可使物料產(chǎn)生有規(guī)則的輔助運(yùn)動(dòng)。一軸上的所有槳葉端面都使物料朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而另一根軸上的所有槳葉端面部使物料朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。在槳葉相對(duì)于攪拌軸不同的傾斜角度情況下，分別采用兩種槳葉排列方式進(jìn)行試 驗(yàn)：將所有槳葉調(diào)至使物料向攪拌器的中心運(yùn)動(dòng)：將一根軸上的所有槳葉都安裝 成使物料向右運(yùn)動(dòng)，而另一根軸上的所有槳葉都安裝成使物料向左運(yùn)動(dòng)，以便能使物料 在平面內(nèi)圍繞著攪拌器產(chǎn)生順時(shí)針方向的循環(huán)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩種排列方式被稱為“向心”方式和“旋轉(zhuǎn)”方式。試驗(yàn)按 18批物料作為一個(gè)系列來進(jìn)行，它覆蓋的變化因素包括：三種槳葉角度 (15、 30和 45)、兩種槳葉排列方式和三種攪拌時(shí)間 (1min、 2min和 4min)。獲得拌和勻質(zhì)性分析的樣品總數(shù)為 213個(gè)。分別計(jì)算出每批混和料樣品中粘結(jié)料的百分比標(biāo)準(zhǔn)離差和通過給定篩子的物料百分比標(biāo)準(zhǔn)離差，將標(biāo)準(zhǔn)離差轉(zhuǎn)換為離差 系數(shù)，以便提供不同混和料之間合理有 效的比較。 第 2 章攪拌機(jī)主要參數(shù) 2 1雙臥軸攪拌機(jī)的主要參數(shù) 本文以目前廣泛使用的雙臥軸攪拌機(jī)為主，對(duì)攪拌裝置幾何和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的合理取值范圍進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究。攪拌裝置參數(shù)主要有：攪拌臂的排列、攪拌葉片的安裝角、 拌筒的長(zhǎng)寬比及攪拌線速度等，其結(jié)構(gòu)如圖 2 1(a)所示，主要參數(shù)如圖2 1(b)所列： 圖 2 1(a)雙臥軸攪拌機(jī)結(jié)構(gòu) 圖 2 1雙臥軸攪拌機(jī)主要參數(shù) 2 2攪拌機(jī)參數(shù)選取的準(zhǔn)則 目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的自落式和強(qiáng)制式攪拌機(jī)己沿用了 50余年。但在攪拌 機(jī)設(shè)計(jì) 和使用中，仍采用類比法這樣的經(jīng)驗(yàn)方法，缺乏合理性；由于對(duì)攪拌過程的機(jī)理研究不 夠，對(duì)如何選擇這一參數(shù)，說法不一，缺乏科學(xué)性；在攪拌過程中，混合料的物理一化 學(xué)性能都發(fā)生了變化，這一過程極其復(fù)雜而影響因素又較多，但由于對(duì)諸參數(shù)綜合優(yōu)化的試驗(yàn)研究不深入，且設(shè)計(jì)和使用者在選擇轉(zhuǎn)速值時(shí)缺少依據(jù)。攪拌機(jī)是混凝土制備設(shè)備的心臟，它必須滿足攪拌質(zhì)量與攪拌效率等性能要求。攪拌質(zhì)量就是生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的新拌混凝土；攪拌效率就是在滿足攪拌質(zhì)量的前提下，攪拌時(shí)間要盡量短，以提高設(shè)備的生產(chǎn)率和設(shè)備的利用率，降低生產(chǎn)成本。 百年大計(jì)，質(zhì)量第一?；炷潦侵匾慕ㄖ牧?，新拌混凝土質(zhì)量是對(duì)攪拌機(jī)性能的最基本的要求，也是首要的性能要求?；炷临|(zhì)量用其宏觀及其微觀均勻度來評(píng)價(jià)，宏觀均勻 性用拌和物中砂漿密度的相對(duì)誤差塒 O 8和粗骨料質(zhì)量的相對(duì)誤差 AG5來衡 量 ，微觀均勻性用混凝土強(qiáng)度的平均值豆，標(biāo)準(zhǔn)差盯和離差系數(shù) G來衡量 。豆值越 高 、 G值越小，說明混凝土質(zhì)量越好；反之亦然。因此，攪拌機(jī)械應(yīng)在保證新拌混凝土質(zhì)量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下高效節(jié)能的工作，這就是確定攪拌機(jī)合理參數(shù)的準(zhǔn)則。攪 拌機(jī)在設(shè)計(jì)和使用中主要參數(shù)的選取準(zhǔn)則也可用數(shù)學(xué)表達(dá)式 來表示。 對(duì)攪拌攪拌過程進(jìn)行綜合模擬，給出了攪拌機(jī)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)： 式中，攪拌的平均時(shí)間 f的角標(biāo)表示拌缸 (或拌筒 )三維坐標(biāo) (x， y， z)或 (z， r，由 )及其順序。該式的物理意義是：合理的攪拌機(jī)參數(shù)應(yīng)保證在滿足給定的均勻度指標(biāo)的前 提下，在拌缸內(nèi)各個(gè)方向的攪拌時(shí)間相接近。這時(shí)選取的攪拌機(jī)的主要參數(shù)較合理。可 利用實(shí)驗(yàn)來調(diào)整攪拌機(jī)的參數(shù)，使其趨于合理。在不同的攪拌時(shí)間，按三維坐標(biāo)方向測(cè)攪拌的均勻度就可知道，在所有方向都達(dá)到給定的均勻度的時(shí)間。一般來 兌，在三個(gè)方向同時(shí)都達(dá)到給定的均勻度指標(biāo)是不可能的，總會(huì)有先 有后。應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的參數(shù)，使得能夠在攪拌室內(nèi)所有方向上能接近同時(shí)達(dá)到給定的均勻度。 2 3試驗(yàn)樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)條件 2 3 l 試驗(yàn)樣機(jī) 試驗(yàn)樣機(jī)主要攪拌參數(shù)見表 2 l，主體結(jié)構(gòu)見圖 2 2 表 2 1試驗(yàn)樣機(jī)主要攪拌性能參數(shù) 圖 2 2雙臥軸攪拌機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖 該試驗(yàn)樣機(jī)攪拌的基本工作原理與普通雙臥軸攪拌機(jī)一樣，動(dòng)力從電機(jī)通過擺線針輪減速器，變速后由彈性畦軸器直接傳遞給一對(duì)同步齒輪，從而帶動(dòng)兩根攪拌軸作反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。軸端密封共采用三道密封技術(shù)，印迷宮環(huán)、浮封環(huán) O型圈和骨架油封。卸料采用手動(dòng) 方式，通過攪拌筒底部的偏心旋轉(zhuǎn)扇形閘門來控制。由于試驗(yàn)條件的限制也為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，該樣機(jī)沒有設(shè)計(jì)耐磨襯板和 L料機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)中采用人上料，這雖然會(huì)對(duì)攪拌質(zhì)爵和攪拌時(shí)捌產(chǎn)生一些影響，但由于是在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)所以仍然能夠完成試驗(yàn)任務(wù)。 攪拌機(jī)構(gòu)是本次試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。由于試驗(yàn)中要分別比較拌筒不同長(zhǎng)寬比和攪拌臂 不同排列形式以及攪拌葉片不同安裝角度對(duì)攪拌質(zhì)量的影響，因此要求拌筒的長(zhǎng)寬比、攪拌臂的排列和攪拌葉片的安裝必須能夠調(diào)節(jié)，而且要求拆裝、維護(hù)方便。 2 3 2 攪拌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 攪拌葉片的設(shè)計(jì) 攪拌葉片的形狀是根 據(jù)拌簡(jiǎn)直徑、葉片安裝角度 (軸向和徑向安裝角度 )、葉片在軸向和徑向所占攪拌區(qū)域長(zhǎng)度和葉片設(shè)定高度等參數(shù)設(shè)計(jì)的。其中，側(cè)攪拌葉片分左旋和右旋兩種。攪拌葉片的外緣利用拌簡(jiǎn)直徑構(gòu)成的圓柱體，通過曲線擬合得到。考慮葉片與拌筒內(nèi)壁的間隙大小對(duì)葉片使用壽命和攪拌能耗的影響，設(shè)計(jì)攪拌葉片的外緣與拌筒內(nèi)壁的間隙 4mm，并且成變間隙的楔形，見圖 2 3。先接觸物料的前端間隙小于后端，相差 1-2mm，利于集料一旦被 卡后的釋放 。 對(duì)于攪拌臂和攪拌葉片的安裝設(shè)計(jì)，則都采用了抱瓦結(jié)構(gòu)，通過螺栓的央緊作用分別固定在相應(yīng)的攪拌軸和攪拌臂 上，具體結(jié)構(gòu)如圖 2 4所示。試驗(yàn)中，根據(jù)拌 筒長(zhǎng)寬比的不同和試驗(yàn)研究的要求，攪拌葉片的數(shù)量可以相應(yīng)的增減；通過調(diào)節(jié)攪拌軸抱瓦，可以調(diào)節(jié)單軸攪拌臂相位和雙軸攪拌臂相位差；通過調(diào)節(jié)攪拌臂抱瓦，可以調(diào)節(jié)攪拌葉片的軸向安裝角。 拌簡(jiǎn)長(zhǎng)寬比 拌筒長(zhǎng)寬比變化是通過在攪拌筒中橫置擋板實(shí)現(xiàn) 圖 2 4攪拌臂和攪拌葉片結(jié)構(gòu) 的，即保持拌筒寬度不變而對(duì)拌筒長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。擋板的形狀與攪拌筒橫截面是一致的，可以通過螺栓固定在與拌筒焊接的角鋼上，從而將拌筒由窄長(zhǎng)形分隔為寬短形。樣機(jī)設(shè)計(jì)窄長(zhǎng)形拌筒的長(zhǎng)寬比為 1 11，寬短形拌筒的長(zhǎng)寬比為 O 78。 2 3 3 試驗(yàn)用混凝土配合比的設(shè)計(jì) 混凝土配合比設(shè)計(jì)必須滿足四項(xiàng)基本要求； a)施工性能一混凝土拌和物應(yīng)具備滿足施工操作的和易性； b)力學(xué)性能一硬化后的混凝土應(yīng)滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工進(jìn)度所要求的強(qiáng)度和其它有關(guān)力學(xué)性能； c)耐久性能一硬化后的混凝土必須滿足抗凍性、抗?jié)B 圖 2 4攪拌臂和攪拌葉片結(jié)構(gòu) 圖 2 3楔形間隙示意圖 性等耐久性要求； d)經(jīng)濟(jì)性能一應(yīng)在保證混凝土全面質(zhì)量的前提下，盡量節(jié)約水泥，合 理利用原 材料，降低成本。影響水泥混凝土性能的因素很多，其中各組成材料的質(zhì)量和其配合比是影響混凝土 性能的內(nèi)因。一個(gè)合理的配合比，對(duì)提高水泥混凝土在各方面的性能，有著重要的作用?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是確定四項(xiàng)材料用量之間的三個(gè)對(duì)比關(guān)系，即三個(gè)參數(shù)。 (1)水灰比 W C：水與水泥之間的比例關(guān)系，用水與水泥用量的質(zhì)量比表示。 (2)砂率廈：砂子與石子之間的比例關(guān)系，用砂子重量占砂石總重的百分?jǐn)?shù)表示。 (3)單位用水量 mwD：水泥凈漿與骨料之間的比例關(guān)系，用 lm3混凝土的用水量 表示。水灰比、砂率、單位用水量三個(gè)參數(shù) 與混凝土的各項(xiàng)性能之間有著密切的關(guān)系，如 圖 2 5所示 (圖中，粗實(shí)線表示直接關(guān)系，細(xì)實(shí)線表示主要關(guān)系，虛線表示次要關(guān)系 )。 正確地確定這三個(gè)參數(shù)，就能保證混凝土滿足一定的設(shè)計(jì)要求。 圖 2 5配合比參數(shù)與混凝土性能關(guān)系 考慮本次試驗(yàn)研究的目的，因此在試驗(yàn)過程中保持混凝土組成材料及其配合比的恒定，即各組試驗(yàn)所用的混凝土均采用同一配合比設(shè)計(jì)： 水泥 31kg，水 17kg，砂 66kg，石子 127kg。 第 3 章攪拌臂的排列 對(duì)于雙臥軸攪拌機(jī)，攪拌臂的排列形式主要包括攪拌臂的料流排列和攪拌臂的相對(duì) 位置關(guān)系。其中攪拌臂的相對(duì)位置關(guān)系主要是指單根軸上相鄰兩個(gè)攪拌臂之間的相對(duì)位 置關(guān)系和雙軸上攪拌臂之間的相對(duì)位置關(guān)系。本節(jié)主要討論攪拌臂的料流排列。攪拌臂的不同排列形式，可使拌筒內(nèi)的混凝土混合料產(chǎn)生不同的料流運(yùn)動(dòng)形式。臥軸攪拌機(jī)拌筒內(nèi)的料流形式因攪拌軸數(shù)量和混凝土攪拌生產(chǎn)的方式不同有所差別。分析拌筒內(nèi)的料流形式，可以知道影響雙臥軸攪拌機(jī)攪拌筒內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)的主要因素是攪拌臂的排列以及葉片參數(shù)。對(duì)于雙臥軸攪拌機(jī)拌簡(jiǎn)內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)形式，通過初步試驗(yàn)及分析，認(rèn)為由于攪拌臂 的排列及其葉片的安裝形式不同，使物料表現(xiàn)“對(duì)流 和 “圍流”兩種不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。 這兩種料流形式孰優(yōu)孰劣，可以通過理論分析和試驗(yàn)研究得出結(jié)論。 3 1對(duì)流和圍流 對(duì)流攪拌臂的排列如圖 3 1所示。在攪拌葉片推動(dòng)下，混合料由攪拌機(jī)兩端向中央 運(yùn)動(dòng)，并在中央處以錐體形狀堆積。這時(shí)有些物料就會(huì)從料堆頂部溢出，流向拌筒的兩 端，然后再由葉片將其從兩端推回中央，從而完成物料的一個(gè)循環(huán)。 圍流攪拌臂的排列如圖 3 2所示。其中一根軸上的葉片推動(dòng)混合料沿軸朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而另一根軸上的葉片推動(dòng)混合料沿軸朝另一個(gè)相反方向運(yùn)動(dòng)。在兩軸末端，各有返回葉片把混合料扒離拌筒端面，并從一根軸處 轉(zhuǎn)送到另一根軸處，使混合料完成大循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在兩軸之間的區(qū)域，左邊軸上的葉片將混合料推向右邊，右邊軸上的葉片將混合料推向左邊，完成混合料的小循環(huán)運(yùn)動(dòng)。 圖 3 1攪拌臂對(duì)流排列圖 圖 3 2攪拌臂圍流排列 3 2分析與試驗(yàn) 分析物料的運(yùn)動(dòng)形式可知，兩種攪拌臂排列都實(shí)現(xiàn)了物料的循環(huán)流動(dòng)，理論上任一 物料質(zhì)點(diǎn)都能到達(dá)拌筒內(nèi)任意位置，但兩種排列使物料在拌筒中的分布狀態(tài)是不一樣 的。對(duì)流排列中，物料主要積存在拌筒的中央，而兩端卻較少，因此中央的攪拌葉片受載大，兩端處的葉片受載小，容易造成個(gè)別攪 拌臂和葉片過載損壞。而圍流排列可使混合料在拌筒內(nèi)均勻分布，從而保證沿軸全長(zhǎng)上的攪拌葉片受載相同，拌筒底部和葉片的磨損均勻。從這一點(diǎn)來看，攪拌臂圍流排列要比對(duì)流排列更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)其攪拌質(zhì)量的影響可依靠試驗(yàn)研究進(jìn)行比較。通過對(duì)攪拌臂及葉片的不同排列、安裝，在不同形狀的拌筒內(nèi)，進(jìn)行關(guān)于逆流和圍流的比較試驗(yàn)，測(cè)定相應(yīng)的混凝土拌和物勻質(zhì)性和 28d的硬化混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用相同的混凝土配合比， mco(水泥 )： mwo(水 )： mso(砂 )： mGo(石子 )=1： 0 55： 2 13： 4 096?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)為 C20，混凝土拌和物坍落度為 10、 30mm，水泥用 425號(hào)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料用中砂，粗骨料用 5-一 40mm連續(xù)級(jí)配碎石。試驗(yàn)結(jié)果見表分析物料的運(yùn)動(dòng)形式可知，兩種攪拌臂排列都實(shí)現(xiàn)了物料的循環(huán)流動(dòng)，理論上任一 物料質(zhì)點(diǎn)都能到達(dá)拌筒內(nèi)任意位置，但兩種排列使物料在拌筒中的分布狀態(tài)是不一樣 的。對(duì)流排列中，物料主要積存在拌筒的中央，而兩端卻較少，因此中央的攪拌葉片受載大，兩端處的葉片受載小，容易造成個(gè)別攪拌臂和葉片過載損壞。而圍流排列可使混合料在拌筒內(nèi)均勻分布，從而保證沿軸全長(zhǎng)上的攪拌葉片受載相同，拌筒底部和葉片的 磨損均勻。從這一點(diǎn)來看，攪拌臂圍流排列要比對(duì)流排列更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)其攪拌質(zhì)量的影響可依靠試驗(yàn)研究進(jìn)行比較。通過對(duì)攪拌臂及葉片的不同排列、安裝，在不同形狀的拌筒內(nèi)，進(jìn)行關(guān)于逆流和圍流的比較試驗(yàn)，測(cè)定相應(yīng)的混凝土拌和物勻質(zhì)性和 28d的硬化混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用相同的混凝土配合比， mco(水泥 )： mwo(水 )： mso(砂 )： mGo(石子 )=1： 0 55： 2 13： 4 096?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)為 C20，混凝土拌和物坍落度為 10,、 ,30mm，水泥用 425號(hào)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料用中砂，粗骨料用 5-一 40mm連續(xù)級(jí)配碎石。試驗(yàn)結(jié)果見表 3 1。 表 3 1 對(duì)流與圍流的比較試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)值 由表 3 1可見，不同拌筒內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)對(duì)流時(shí)，混凝土的勻質(zhì)性指標(biāo)全都不合格，即不滿足 AM0 8、 AG5的國(guó)標(biāo)要求，而對(duì)于攪拌臂圍流排列，雖然這兩個(gè)指標(biāo) 會(huì)隨著其他攪拌參數(shù)的改變而變化，但是卻都滿足塒 O 8、 G5的要求。這正 說明了采用攪拌臂圍流排列要優(yōu)于對(duì)流排列。 3 3基于圍流形式的攪拌臂排列原則 目前 國(guó)內(nèi)外魯廠家?guī)缀跻捕疾捎脭嚢璞坂隽髋帕械男问?。其典型特征可歸納為： 物料的流向應(yīng)當(dāng)符合右 (占： )手定則，即當(dāng) 有 (左 )手四指順著攪拌軸旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，拇指的指向就是物料的流動(dòng)方向：并且兩軸上攪拌葉片推動(dòng)物料軸向流動(dòng)分量和徑向流動(dòng)分量的方向相反，如圖 3 3所示。此時(shí)，物科不但有大范圍的循環(huán)流動(dòng)f可以是逆時(shí)針也可以是順時(shí)針，如圖 3 4所示 )，而且中央主攪拌區(qū)，兩軸問的物料還有強(qiáng)烈的高頻次逆流。 圖 30逆時(shí)鐘圍濰圖 3順時(shí)針圍流 如果以 I、 II來表示軸的序號(hào)，以 n來表示葉片的序號(hào)，那么 之間這種運(yùn)動(dòng)就稱為逆流。拌區(qū)的次序有先有后，所 上必然存在相位差。相位差太大造成作用時(shí)間上的延遲，進(jìn)而逆流作用的效果就比較弱；相位差太小，甚 至為零時(shí)，意味著兩攪拌臂幾乎同時(shí)到達(dá)攪拌區(qū)，并且二者對(duì)物料推動(dòng)的方向相反，類似于在周向形成一堵“墻”，即彤成局部“死循環(huán)”現(xiàn)象，料流的大循環(huán)運(yùn)動(dòng)被阻斷。所以逆流相位差大小應(yīng)該有一個(gè)合理的取值范圍，在此范圍的逆流才被認(rèn)為足合理的。若能通過合理布置 和兩攪拌 臂，使其到達(dá)攪拌區(qū)的相位時(shí)間差更合理，頻次更多，那么物料揉搓和擠壓的作用就越充分，攪拌效果就越好。同時(shí)，由于這種逆流是在兩攪拌軸之間的強(qiáng)制作用，如果柿黃合理，使得物料作用頻次快，強(qiáng)度大，靠近攪拌軸音 |f分的物料就會(huì)充分運(yùn)動(dòng)起柬就能在某種程度上改善普通強(qiáng)制式 攪拌機(jī)所固有的，園速度梯度所產(chǎn)生的攪拌低效區(qū)問題。但逆流是以不破壞物料的大循環(huán)流動(dòng)為前提的。另外，由于 I和 II之間的相互關(guān) 系又與單軸及雙軸上攪拌臂的相位及其排列有關(guān)，如果布置 合理，那么這種逆流運(yùn)動(dòng)不但起不到強(qiáng)化攪拌的作用，反而有可能破壞整體的大循環(huán)運(yùn)動(dòng)，會(huì)惡化攪拌質(zhì)量。因此，攪拌臂排列形式優(yōu)化的最終目的就是盡可能加快物料軸向大循環(huán)的頻次，同時(shí)增加物料合理逆流，從而增加物料與攪拌葉片直接接觸并發(fā)生強(qiáng)制作用的機(jī)會(huì)，提高 攪拌質(zhì)量。由此可以得到雙臥軸拌筒內(nèi)攪拌臂及葉片布置的基本原則如下： 物料在拌筒內(nèi)合理流動(dòng)，在 盡量短的時(shí)間內(nèi)把物料拌成勻質(zhì)混凝土； 在攪拌軸旋轉(zhuǎn)的過程中，盡量讓參與攪拌的葉片數(shù)目相等，以達(dá)到攪拌電機(jī)負(fù)荷均勻，減少?zèng)_擊的目的； 物料在拌筒內(nèi)分布均勻，不要在拌筒的局部區(qū)段產(chǎn)生堆積，避免個(gè)別葉片和攪 拌臂過載而損壞。 3 4單軸攪拌臂的排列形式 單軸攪拌臂排列形式取決于其上相鄰兩個(gè)攪拌臂之間的相位布置，包括相鄰拌臂間的相位角及其正、反排列形式。 3 4 1 相位角及其正、反排列形式 單根軸上相鄰兩個(gè)攪拌臂之間的相位布置，國(guó)內(nèi)外不盡相同。目前，用于攪拌普通混凝土的攪拌機(jī)中，比較主流的布置相位角是 900和 60。也有采用其他角度布置的， 比如日本日工公司的產(chǎn)品就是 450。用于攪拌大骨料混凝土?xí)r，會(huì)采用1200甚至 1800相位角。從單軸上攪拌臂的相位方向與攪拌軸旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系來看，同一相位角在單根軸上的攪拌臂排列可以有兩種形式：一種稱為正排列，另一種稱為反排列。其中對(duì)于正排列 的規(guī)定是：當(dāng)逆著混合料流動(dòng)方向看，攪拌臂排列的相位方向應(yīng)與攪拌軸轉(zhuǎn)向相同；若 順著混合料流動(dòng)方向看，二者方向則相反。相反的情況就是反排列。 圖 l所示為單軸上 900相位角的攪拌臂排列形式，圖中“”表示物料流出紙面，其中，圖 3 5(a)為攪拌臂正 排列，圖 3 5(b)為攪拌臂反排列。 圖 3 5單根軸上 90相位角的攪拌臂排列形式 3 4 2 分析與試驗(yàn) 以攪拌臂相位角 900為例，對(duì)正、反排列做比較分析。先討論反排列布置。依據(jù)物料連續(xù)遞推式地前進(jìn)，當(dāng)?shù)谒臄嚢璞凵系娜~片將混合料向前推攪后，同軸的第三攪拌臂上的葉片需要旋轉(zhuǎn) 270。才能繼續(xù)將混合料向前推動(dòng)，然后再經(jīng)過一個(gè)270。旋轉(zhuǎn)輪到第二攪拌臂。顯然，混合料從一個(gè)攪拌臂處被推攪到下一個(gè)相鄰的攪拌臂處，每一次攪拌軸都要旋轉(zhuǎn) 270。，如果有 n個(gè)攪拌臂，那么就需要 n一 1 倍的 2700。而對(duì)于正排列布置，由第四攪 拌臂上的葉片向前推攪的混合料，只需要經(jīng)過 90。就 可被同軸的第三攪拌臂上的葉片繼續(xù)推攪。同樣，當(dāng)混合料輪到第二攪拌臂推攪時(shí)，仍 然只需要旋轉(zhuǎn) 90。于是混合料從第一個(gè)攪拌臂傳到第 n個(gè)攪拌臂，只需經(jīng)過 n一 1倍的 900就能實(shí)現(xiàn)。圖 3 6所示為單軸上 600相位角的攪拌 臂排列形式，圖中“”表示物料流出紙面，圖 3 6(a)為反排列，圖 3 6(b)為正排列。在圖 3 6(a)的反排列布置下物料被連續(xù) 遞推式前進(jìn)，當(dāng)?shù)谄邤嚢璞凵系娜~片將物料 向前推攪后，同軸第六攪拌臂上的葉片需要。相位角的攪拌臂排列 3000才能繼續(xù)將物料向前推 進(jìn)。顯然，如果有 n個(gè)攪拌臂，那么就需要 n一 1倍的 3000； 對(duì)于圖 3 6(b)的正排列：則只需經(jīng)過 n一 1倍的 60。就能實(shí)現(xiàn)。由此可見，在攪拌時(shí)間、拌臂數(shù)目及相位角一定的情況下，攪拌臂正排列要比反排列推攪的快，物料獲得的軸向流動(dòng)次數(shù)更多，攪拌裝置的利用率更高。這對(duì)攪拌臂圍流排列的攪拌機(jī)，完成物料從拌筒的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的作用則更加明顯。但同時(shí)也說明單軸上采用較小的相位角可使物料得到較多的流動(dòng)次數(shù)。但相位角太小，物料在拌筒內(nèi)周向翻動(dòng)的劇烈程度降低，它還要受制于混凝土拌和物粗骨料最大粒徑的限制?，F(xiàn)在選用國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn) 的 JS500型雙臥軸攪拌機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算分析。該機(jī)每根軸上 有 7個(gè)攪拌臂，圍流排列，相位角為 90。，轉(zhuǎn)速 35r rain，攪拌周期 45s。于是在一個(gè)攪 拌周期內(nèi)，攪拌軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為 圖 3.6單根軸上 60相位角的攪拌臂排列 對(duì)于攪拌臂反排列，物料完成一個(gè)軸向的推攪需要轉(zhuǎn)過 那么，一 個(gè)周期內(nèi)物料在單根軸上完成的流動(dòng)次數(shù)為 若采用攪拌臂正排列，物料完成一個(gè)軸向的推攪需要轉(zhuǎn)過 于是，一個(gè)周期內(nèi)物料在單根軸上完成的流動(dòng)次數(shù)為 可見，這種 JSS00型雙臥軸攪拌機(jī)單根軸上攪拌臂正排列得到的流動(dòng)次數(shù)是反排列的 (17 5 5 8 )3倍。這同時(shí)也表明單根軸上采用較小的相位角可以獲得較多的流動(dòng)次數(shù)。但也不是說單根軸上攪拌臂問的相位角越小，攪拌質(zhì)量就越好。因?yàn)檩^小的相位角雖然 可以實(shí)現(xiàn)物料沿軸向的快速均布，但物料在拌筒內(nèi)翻動(dòng)的劇烈程度卻相應(yīng)變差，即物料 的周向流動(dòng)變差，這顯然不利于物料在整個(gè)空間方向的均布。顯然，單根軸上相鄰攪拌臂間的相位角是與軸上攪拌臂的數(shù)量密切相關(guān)的。對(duì)于圍流排列，若以 11表示單根軸上攪拌臂的數(shù)目， 0表示相鄰攪拌臂間的相位角，則理論上對(duì)于相位角的取值范圍應(yīng)滿足關(guān)系式： 3600 noO 7200。 從前面對(duì)對(duì)流、圍流的比較試驗(yàn)數(shù)據(jù) (參見表 3 1)來看，對(duì)于所攪拌的混凝土來 說，單軸上相鄰拌臂間 60。相位角要比 90。的攪拌質(zhì)量好。為了進(jìn)一步研究對(duì)普通混凝土攪拌時(shí)單軸上相鄰攪拌臂相位角的較優(yōu)值，選擇 450、 60。和 900，在不同長(zhǎng)寬比的拌筒中，取滿足上述關(guān)系式的不同數(shù)目的攪拌臂，在攪拌葉片不同的安裝角和工作線速度下，攪拌粗骨料最大粒徑為 40mm的普通混凝土，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表 3 2中。從表中數(shù)據(jù)可以看出：攪拌臂相位角 600布置時(shí)，能夠得到相對(duì)較好的攪拌效果，對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的均值都優(yōu)于 900和 450相位 角的情況，尤其是混凝