双卧轴搅拌机叶片排列试验结果

赵利军,冯忠绪
(长安大学工程机械学院,陕西西安710064)

摘 要：根据双卧轴混凝土搅拌机内物料运动的特点,分析了搅拌叶片不同排列方式对混凝土搅拌质量的影响,得出了搅拌叶片的合理排列方式,并进行了试验验证。结果表明:搅拌叶片的排列应保证物料在整个拌筒空间内循环流动,以及在中央主搅拌区内最大限度的逆流运动;搅拌叶片的最佳排列方式为正反排列。

关键词：工程机械;双卧轴搅拌机;叶片排列;物料运动;试验

收稿日期:2003-01-10 
作者简介:赵利军(1976-),男,河北张家口人,长安大学博士研究生.

双卧轴搅拌机因其搅拌质量好、生产率高,被广泛用于各种搅拌场合。搅拌装置作为该机型的核心部分,直接影响着整机的混凝土搅拌质量、生产率和使用维修费用。目前对于该装置的设计,中国大多数厂家是参照国外产品;国外厂家则主要是通过大量试验和多年实际应用得到的经验值为依据。虽然有一些学者对其搅拌叶片总体的料流排列进行了一定的研究,提出了涡旋搅拌机理[1～4],但对于在这种料流运动下,叶片在搅拌轴上的具体排列尚未有系统的认识。本文根据双卧轴搅拌机内物料运动的特点,在详细分析单轴和双轴上叶片排列以及试验验证的基础上,得出了搅拌叶片合理的排列方式。

就目前现有的双卧轴搅拌机,其叶片排列具有涡旋搅拌特征,如图1所示。物料的流向符合右(左)手定则,即当右(左)手四指顺着搅拌轴旋转方向时,拇指的指向就是物料的流动方向;并且两轴上搅拌叶片推动物料轴向流动分量和径向流动分量的方向相反。此时,物料不但在拌筒内有大范围的循环流动,而且在中央主搅拌区,两轴之间的物料还有强烈的高频次逆流(Ⅰn-Ⅱn-1或Ⅱn-Ⅰn+1,其中Ⅰ、Ⅱ为轴号,n为叶片序号),从而使物料产生强烈的碰撞和揉搓,快速实现均匀拌合。但这仅仅是给出了叶片的总体形式,而对于叶片在搅拌轴上的具体排列,则还需要进一步分析。这主要包括两方面,一是单根轴上相邻两个搅拌叶片的排列,二是双根轴上搅拌叶片的排列。

首先是单根轴上相邻两个搅拌叶片的排列,它可以有两种方式:一种称其为正排列;另一种为反排列。其中对叶片正排列的规定是:当逆着物料流动方向看,搅拌叶片的排列顺序方向与搅拌轴转向相同;而顺着物料流动方向看,二者方向相反。相反的情况则是叶片的反排列,具体形式如图2所示。图2中“·”表示物料流出纸面。通过对比不难看出,叶片反排列时,物料从一个叶片处被推搅到下一个相邻的叶片处,每一次搅拌轴都要旋转270°,如果有n个搅拌叶片,那么就需要n-1倍的270°;而对于叶片正排列,物料从一个叶片处被推搅到下一个相邻的叶片处,每一次搅拌轴只需旋转90°就能实现,n个叶片也只需n-1倍的90°。显然,对于单根轴上相邻的两个搅拌叶片,正排列要比反排列推搅得快。因此在搅拌时间一定的情况下,物料得到的搅拌次数也就更多,也就更容易达到匀质。卧轴搅拌机,其双轴搅拌叶片有交错布置和平行布置两种形式,这与搅拌机所能适应骨料的最大粒径有着密切的关系。

图1　叶片的总体排列

但对双卧轴搅拌机来说,仅讨论其中一根轴上叶片的排列是不全面的,也是不准确的,应进一步分析双根轴上搅拌叶片的排列。考虑到单根轴搅拌叶片正排列有较好的搅拌效果,那么双轴搅拌叶片的排列就有两种组合:一正一反排列(简称正反排列)和双正排列。显然,在不破坏物料流大循环的前提下,两轴间物料逆流运动的频次越高,揉搓和挤压作用就越充分,搅拌效果就越好。因此,双轴上搅拌叶片的排列应以此作为依据。当然也要兼顾在搅拌的任何瞬间参与搅拌的叶片数量相同,以达到电机负荷均匀,减少冲击的目的。目前对于各种型号的双

图2　单轴上叶片的排列

图3和图4分别为双轴搅拌叶片的交错布置和平行布置(这里以4个叶片,单轴相位角90°为例)其中Ⅰ轴上的叶片将物料往外推,Ⅱ轴上的叶片将物料往里推。图4(a)、(c)的Ⅰ轴为正排列,Ⅱ轴为反排列布置。图4(b)、(d)的Ⅰ、Ⅱ轴均为正排列布置。与图3搅拌叶片交错布置不同的是,图4平行布置的Ⅰ、Ⅱ两轴上的叶片总是同时到达中央主搅拌区。从图中可以看出,对于图4(a)、(c)的正反排列,当搅拌轴旋转一周,两轴上叶片到达中央主搅拌区的相互关系为

图3　双轴搅拌叶片交错布置

图4　双轴搅拌叶片平行布置

而对于图4(b)、(d)的双正排列,当搅拌轴旋转一周,两轴上叶片到达中央主搅拌区的相互关系为

Ⅰ2-Ⅱ1,Ⅰ1-Ⅱ2,Ⅰ4-Ⅱ3,Ⅰ3-Ⅱ4

由此可见,无论是交错布置还是平行布置,搅拌叶片正反排列得到的“Ⅰn-Ⅱn-1”逆流次数(3次)要比搅拌叶片双正排列得到的次数(2次)多,因此搅拌作用更强烈,搅拌质量也更好。并且随着搅拌叶片数量的增多,这种优势会更加明显。同时在图4(d)的双正排列中,由于两轴上的叶片同时到达主搅拌区,那么搅拌叶片的“Ⅰ4-Ⅱ3,Ⅰ3-Ⅱ4”顺序就破坏了拌筒内物料的大循环流动。这是因为物料以连续递推的方式前进,其中Ⅰ轴上叶片的工作顺序为先Ⅰ4后Ⅰ3,但由于叶片Ⅱ3与Ⅰ4同时参加搅拌,并且二者对物料推动的方向相反,所以当叶片Ⅰ3工作时,几乎已无料可搅,因为料早已被叶片Ⅱ3反向推回;同理,Ⅱ轴上叶片工作的顺序为先Ⅱ3后Ⅱ4,由于叶片Ⅰ4的反向推动,所以当叶片Ⅱ4工作时,也无料可搅,从而导致Ⅰ轴处的物料无法推出来,而Ⅱ轴处的料也无法推进去。所以,双正排列叶片的“Ⅰn-Ⅱn-1,Ⅰn-1-Ⅱn”顺序对物料沿轴向的均匀拌合是极为不利的。

为进一步验证效果,对叶片排列进行了对比试验。试验设备为1台100L双卧轴搅拌机,搅拌臂采用抱瓦结构,通过螺栓的夹紧安装在搅拌轴上,搅拌叶片以45°安装角分别固定在相应的搅拌臂上。这样就可以任意调节叶片在搅拌轴上的排列,从而达到试验要求。

试验用混凝土的设计强度等级为C20,混凝土拌合物坍落度为10～30mm。水泥用强度等级为32.5R的普通硅酸盐水泥,细骨料用中砂,粗骨料用5～40mm连续级配碎石。混凝土配合比为:水∶水泥∶砂∶石子=0.54∶1∶2.14∶4.16。

试验是在相同的混凝土配合比和搅拌制度下,分别比较搅拌叶片交错布置和平行布置的条件下,双轴搅拌叶片为双正排列、正反排列和双反排列对搅拌质量的影响,从而确定出最佳的排列方式。对搅拌质量的检验,主要是测定相应混凝土拌合物的匀质性[6],即从同一罐不同部位的混凝土拌合物中砂浆密度的相对误差ΔM和单位体积混凝土拌合物中粗骨料质量的相对误差ΔG作为评定指标。同时为了能够实际地反映混凝土微观均匀程度,还测定了养护龄期为28d的硬化混凝土标准试块的抗压强度[1],主要包括:强度平均值f,标准差σ和离差系数Cv

式中:n为混凝土取样的个数;fi为第i个试样的强度值(MPa)。σ、Cv值越小,说明强度越均匀,混凝土质量越好。测定的试验结果见表1。

从表1中可以看出,无论交错布置还是平行布置,双轴搅拌叶片采用正反排列得到的混凝土拌合物中砂浆密度相对误差ΔM、单位体积拌合物中粗骨料质量相对误差ΔG和离差系数Cv都是最小的,而混凝土的强度f是最高的,这正说明搅拌叶片正反排列可以使物料达到较好的宏观和微观均匀性。显然,试验的结论与前面的理论分析是一致的,搅拌叶片正反排列既能增加物料逆流运动的频次,也能保证物料获得较多的轴向流动次数和在拌筒内翻动的剧烈程度,从而使物料在拌筒的不同坐标方向都能够快速达到宏观和微观上的匀质。此外,在搅拌叶片平行布置的正正排列试验中,可以很明显的看到物料沿轴向运动不畅、水与物料混合不充分的现象。这正是由于搅拌叶片的“Ⅰn-Ⅱn-1,Ⅰn-1-Ⅱn。”顺序对物料大循环运动的破坏造成的。(www.xing528.com)

表1　搅拌叶片不同排列时混凝土的匀质性和强度

(1)搅拌叶片的排列应保证物料在整个拌筒空间内的大范围循环流动,同时在中央主搅拌区内相互交错穿叉,最大限度地摩擦、碰撞。

(2)理论分析和试验表明,就目前双卧轴搅拌机的现有结构,叶片的最佳排列方式为正反排列。

参考文献:

[1] 冯忠绪.混凝土搅拌理论与设备[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 张世英,陈元基.筑路机械工程[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3] 盛春芳.混凝土搅拌机纵横谈(五)[J].建设机械技术与管理,1999,(2):16-19.

[4] 张金宏,陆好剑.德国BHS公司混凝土设备技术[J].中国水利,2002,(1):66-67.

[5] 赵利军.双卧轴搅拌机参数优化及其试验研究[D].西安:长安大学,2002.

[6] GB/T9142-2000.混凝土搅拌机[S].2000.

[7] Ferraris C F.Concrete mixing methods and concrete mixers:state of art[J].J.Res.Natl.Inst.Stand.Technol. 2001,106(2):391-399.

[责任编辑 郭庆健]

Test of blades arrangement for twin shaft mixer

ZHAO Li-jun,FENG Zhong-xu
(School of Engineering Machinery,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract：According to the characteristics of materials movement in twin-shaft mixer,this paper analyzed the influence of blades arrangement on mixing quality of concrete.The right arrangement of the mixing blades was determined.Its results was tested.The results indicate that the blades arrangement must ensure materials'circular movement in the whole mixing trough and refluent movement to the full extent in the central mixing area,the positive and negative arrangement of blades is optimal.

Key words：engineering machinery;twin-shaft mixer;blades arrangement;materials movement;test

中图分类号：U415.522

文献标识码：A

文章编号：1671-8879(2004)02-0094-03