摘要: 混凝土攪拌機(jī)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(jìn)度。采用行星式攪拌結(jié)構(gòu)能有效提高攪拌質(zhì)量。改進(jìn)攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對(duì)提高混凝土攪拌機(jī)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(jī)械; 混凝土攪拌機(jī); 攪拌鏟; 曲面

1 前言

　　混凝土攪拌機(jī)是施工機(jī)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(jìn)度。強(qiáng)制式攪拌機(jī)是應(yīng)用最普遍、使用率最高的混凝土攪拌機(jī)。

　　強(qiáng)制式攪拌機(jī)是借助于攪拌葉片對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)制式攪拌機(jī)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(guò)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(shí), 攪拌軸帶動(dòng)攪拌葉片旋轉(zhuǎn), 強(qiáng)迫物料按預(yù)定的軌跡產(chǎn)生剪切、擠壓、翻滾和揉搓等強(qiáng)制攪拌作用, 使物料在劇烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中得到均勻攪拌。改進(jìn)攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對(duì)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(lái), 對(duì)混凝土攪拌機(jī)葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀研究取得很大進(jìn)展, 部分成果已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。

2 改進(jìn)臥軸式攪拌機(jī)葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀通用的臥軸式攪拌機(jī)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(shí), 物料在葉片推動(dòng)下沿螺旋面移動(dòng), 單軸運(yùn)動(dòng)方式和螺旋輸送機(jī)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(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明, 通用的臥軸式攪拌機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)和曲面形狀都很不合理, 應(yīng)該加以改進(jìn)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(jī)。

　　雙軸攪拌機(jī)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(jī)單根軸攪拌葉片的排列分析

　　目前現(xiàn)有的雙臥軸攪拌機(jī), 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(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。

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

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

　　單根軸上相鄰兩個(gè)攪拌葉片的排列可以有兩種方式:一種稱(chēng)其為正排列; 另一種為反排列。當(dāng)逆著物料流動(dòng)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(duì)于單根軸上相鄰的兩個(gè)攪拌葉片, 正排列要比反排列推攪得快。因此在攪拌時(shí)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(jī)雙根軸攪拌葉片的對(duì)應(yīng)排列, 臥軸攪拌機(jī)雙根軸攪拌葉片的對(duì)應(yīng)排列有交錯(cuò)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(jiǎn)稱(chēng)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(yùn)動(dòng)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(jī)負(fù)荷均勻, 減少?zèng)_擊的目的。

　　通過(guò)對(duì)葉片相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析可知: 無(wú)論兩軸上的葉片是交錯(cuò)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(qiáng)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(shì)會(huì)更加明顯。

　　同時(shí)在雙正排列中, 由于兩軸上的葉片同時(shí)到達(dá)主攪拌區(qū), 那么攪拌葉片的運(yùn)動(dòng)順序破壞了拌筒內(nèi)物料的大循環(huán)流動(dòng)。這是因?yàn)槲锪弦赃B續(xù)遞推的方式前進(jìn), 工作時(shí)兩根攪拌軸中會(huì)有一根軸上相鄰葉片;同時(shí)參加攪拌, 并且二者對(duì)物料推動(dòng)的方向相反。由于葉片的反向推動(dòng), 該葉片的相鄰葉片無(wú)料可攪, 從而導(dǎo)致一根軸上葉片內(nèi)的物料無(wú)法推出來(lái), 而另一根軸上的葉片內(nèi)的料也無(wú)法推進(jìn)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(guò)攪拌性能對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證, 試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的頻次, 也能保證物料獲得較多的軸向流動(dòng)次數(shù)和在拌筒內(nèi)翻動(dòng)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(shuō)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(jī)

　　雙壁犁式物料混合機(jī)對(duì)通用的臥式攪拌機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀進(jìn)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(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)臥式雙壁犁式物料連續(xù)混合機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1, 它主要由U形槽2、攪拌轉(zhuǎn)子1、進(jìn)料口7、出料口8和驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)螺旋葉片3、4及抄板5、6) 組成。電動(dòng)機(jī)通過(guò)無(wú)級(jí)變速器驅(qū)動(dòng)攪拌轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)動(dòng), 物料由進(jìn)料口7進(jìn)入U(xiǎn)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(jī)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(jìn), 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(yùn)動(dòng), 同時(shí)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(yùn)動(dòng), 在葉片與抄板的共同作用下,物料在機(jī)內(nèi)反復(fù)翻動(dòng)、擴(kuò)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(yùn)動(dòng)的時(shí)候, 總體趨勢(shì)上是向出料口方向緩慢前進(jìn)的, 因而可以滿(mǎn)足連續(xù)工作的要求。

　　此外, 物料由通常的單向運(yùn)動(dòng)方式改為往復(fù)運(yùn)動(dòng),使得設(shè)備的長(zhǎng)度大大縮短。

　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果, 反向葉片的長(zhǎng)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(dòng), 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(xiàn)布置, 按雙頭( 或三頭) 螺旋線(xiàn)在每節(jié)軸上布置1～2個(gè)導(dǎo)程比較好,如圖2所示。為了防止物料在機(jī)體兩端受到擠壓,應(yīng)在物料進(jìn)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(shí), 每節(jié)轉(zhuǎn)子的尾部和下一節(jié)轉(zhuǎn)子的頭部?jī)H設(shè)正向葉片, 以幫助物料順利通過(guò)軸的連接部位。抄板在正、反葉片上呈阿基米德螺旋線(xiàn)布置, 有利于物料的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。

2.2.1 臥式雙壁犁式物料混合機(jī)混合機(jī)理當(dāng)物料進(jìn)入混合機(jī)時(shí), 受到雙壁犁片的作用,在U形槽內(nèi)作多重復(fù)合運(yùn)動(dòng), 因葉片是螺旋面, 在反向葉片1上取一個(gè)小的扇形元dB, 當(dāng)dB足夠小時(shí)可以將其看作一個(gè)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(xiàn)角( 角等于物料對(duì)葉片的摩擦角ρ) 。物料A在P作用下產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)速度v1, 軸向運(yùn)動(dòng)速度v2, 合速度v, 當(dāng)反向葉片上的抄板3與A接觸時(shí), 同樣有一個(gè)力P′作用于A上, 使A產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)v1′和向上的運(yùn)動(dòng)v3,它們的合速度為v′。這時(shí), 物料A的運(yùn)動(dòng)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(huì)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(jī)的混合運(yùn)動(dòng)雙壁犁式物料混合機(jī)的混合運(yùn)動(dòng)有:

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

　　(2)剪切混合。物料顆粒在作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí), 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(jìn)的路程長(zhǎng)而回退的路程短, 總體上形成向右的軸向物料流。

　　(4) 擴(kuò)散混合。擴(kuò)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(gè)葉片上的每個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)散混合。

　　②隨著抄板的轉(zhuǎn)動(dòng), 當(dāng)物料顆粒受到抄板的作用時(shí), 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(dòng)使v1′指向上方時(shí), 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(lài)相鄰物料顆粒的支撐來(lái)維持自身的空間位置, 而失去機(jī)械支撐的物料處于流態(tài)化區(qū)域內(nèi)自由運(yùn)動(dòng), 引起物料顆粒之間位置的變化而形成擴(kuò)散混合。

　?、垭p壁犁片在軸上呈螺旋線(xiàn)分布, 每個(gè)犁片之間都錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相位角, 一個(gè)犁片的正向葉片將物料顆粒向右散射出去, 經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后, 下一個(gè)犁片的反向葉片又將物料顆粒向左散射回來(lái),形成往復(fù)散射的擴(kuò)散混合。

　　雙壁犁式混合機(jī)使物料處于不斷的圓周流混合、剪切混合、軸向流混合和擴(kuò)散混合這樣多方位的復(fù)合混合中, 能實(shí)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(jī)混合均勻度高的主要原因。

　　雙壁犁式混合機(jī)是為輕工行業(yè)的物料攪拌而設(shè)計(jì), 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(jìn), 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(shí)例。

3 立軸行星式攪拌機(jī)

　　立軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)是隨著混凝土施工工藝的改進(jìn)而逐漸發(fā)展起來(lái)的機(jī)型, 具有攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn), 因此在混凝土攪拌設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。但是強(qiáng)制式攪拌機(jī)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(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌低效區(qū)的成因與危害

　　立軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)是借助于攪拌葉片對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)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(dòng)時(shí), 攪拌臂上每一點(diǎn)的線(xiàn)速度不同,各點(diǎn)的線(xiàn)速度與該點(diǎn)到攪拌軸心的距離成正比,大容量的強(qiáng)制式攪拌機(jī)直徑可達(dá)6m甚至9M, 攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 葉片只能攪動(dòng)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(wú)法得到很好的攪拌。顯然, 攪拌機(jī)的容量越大, 攪拌低效區(qū)問(wèn)題就越嚴(yán)重。

3.2 立軸行星式攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)形式

　　現(xiàn)有立軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上, 可以通過(guò)改進(jìn)攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)形式來(lái)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(jìn)的關(guān)鍵。立軸行星式攪拌機(jī)是在普通立軸式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為定盤(pán)式和轉(zhuǎn)盤(pán)式。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)偏心距。工作時(shí), 攪拌葉片除了有繞自身軸線(xiàn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外, 其轉(zhuǎn)軸與拌筒中心軸線(xiàn)還有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng), 這種攪拌機(jī)葉片的運(yùn)動(dòng)使物料形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng), 從而保證整個(gè)拌筒空間內(nèi)的物料都得到充分拌和。

　　這種攪拌機(jī)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(zhǎng)其使用壽命。當(dāng)配合比不變時(shí), 混凝土強(qiáng)度大約提高25%左右; 當(dāng)減少水泥用量20%時(shí), 混凝土強(qiáng)度大約提高15%左右。并且攪拌機(jī)容量越大, 這種增強(qiáng)的效果越顯著。

3.3 立軸行星式攪拌機(jī)的犁狀葉片( 鏟片)

　　普通的立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)的鏟片表面形狀一般為平面, 在攪拌過(guò)程中, 物料對(duì)平面鏟片的運(yùn)動(dòng)阻力很大, 混合攪拌的功率消耗高。平面鏟片對(duì)物料只有推動(dòng)作用, 沒(méi)有翻動(dòng)效果, 所以普通的立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)的攪拌混合效率較低, 物料混合質(zhì)量差,攪拌時(shí)間長(zhǎng)。

　　犁狀鏟片可以明顯提高立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)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(shí)現(xiàn)翻扣。在這種形式的曲面上, 物料的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條螺旋線(xiàn), 翻動(dòng)效果特別明顯, 物料混合質(zhì)量好?？梢栽诤芏虝r(shí)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(yǔ)

　　混凝土攪拌機(jī)是施工機(jī)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(jìn)度。強(qiáng)制式攪拌機(jī)借助于攪拌葉片對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)制導(dǎo)向攪拌。工作時(shí), 攪拌軸帶動(dòng)攪拌葉片旋轉(zhuǎn), 強(qiáng)迫物料按預(yù)定的軌跡產(chǎn)生剪切、擠壓、翻滾和揉搓等強(qiáng)制攪拌作用, 使物料在劇烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中得到均勻攪拌。

　　改進(jìn)攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀, 對(duì)提高混凝土攪拌機(jī)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(guò)對(duì)臥軸式攪拌機(jī)葉片結(jié)構(gòu)及曲面形狀的改進(jìn)可提高臥軸式攪拌機(jī)的生產(chǎn)效率。

　　立軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)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(jī)、雙壁犁式混合機(jī)、立軸行星式攪拌機(jī)和犁狀鏟片等項(xiàng)研究成果已經(jīng)具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

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