搅拌机叶片角度安装方法

赵利军,冯忠绪,姚运仕,王卫中,江建卫
(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安710064)

摘 要：为提高混凝土的搅拌质量和效率,根据搅拌过程中物料的运动特点,提出了判断叶片安装角合理与否的准则;通过对物料单元的受力分析和叶片前密实核心的定性分析,确定了叶片安装角的合理取值范围,并运用正交试验法,研究了双卧轴搅拌机的叶片安装角与搅拌臂排列形式、拌筒长宽比、叶片个数和搅拌线速度等参数的匹配关系。结果表明:叶片安装角受搅拌机其他结构和运动参数的影响和制约,确定时要综合考虑各参数间的关系,保证物料在拌筒三维方向同时得到均匀搅拌;双卧轴搅拌机叶片安装角的取值范围为31°～45°,其中宽短型的推荐值为35°。

关键词：机械工程;搅拌机;叶片;安装角;密实核心

收稿日期:2005-10-12 
基金项目:国家863计划重大项目(2001AA422010);陕西省自然科学基金项目(2001C04) 
作者简介:赵利军(1976-),男,河北张家口人,讲师,博士.

搅拌叶片安装角是搅拌机的主要结构和工作参数之一,对搅拌质量和搅拌效率都有着直接的影响[1]。由于叶片安装角与其他搅拌机参数相互关联,每一个参数的变化都会引起搅拌机性能的变化,因此很难找出确定的目标关系式[2-3]。目前中国沿用的方法是仿制和测绘,没有严格的理论依据和试验数据,导致搅片叶片安装角在设计上存在着很大的盲目性。

本文将主要讨论目前最常用的双卧轴搅拌机的叶片安装角,通过对搅拌叶片前密实核心的定性分析和试验研究,分析了叶片安装角与其他搅拌机结构和运动参数的关系,并给出了叶片安装角的合理取值范围,其方法也可用来确定其他类型搅拌机的叶片安装角。

叶片安装角是指搅拌叶片斜面与搅拌轴线间的夹角,见图1中的α锐角。叶片前的密实核心见图2。

图1　物料单元受力图

图2　叶片前的密实核心

文献[1]中对搅拌过程进行了综合模拟,给出了搅拌机参数优化的目标函数

式中:搅拌的平均时间 t的角标表示拌缸(或拌筒)三维坐标及其顺序。该式的物理意义是:合理的搅拌机参数应保证在满足给定的均匀度指标的前提下,在拌缸内各个方向的搅拌时间相接近。这时的搅拌机参数匹配合理,叶片安装角较佳。

2.1　定性分析

搅拌机工作时,拌缸内的搅拌叶片应推动混合料沿拌缸的纵向和横向循环运动,实现混合料在三维空间内的流动。

当安装角α过小时,叶片主要带动混合料围绕搅拌轴转动,而缺乏必要的轴向运动;极限情况是当α=0°时,搅拌叶片变成和轴平行的一块平板,不起搅拌作用。当安装角α过大时,叶片推动混合料的横向运动就很弱;当α=90°时,叶片就成为与搅拌轴垂直的平板,和α=0°时一样也丧失了搅拌功能。因此,搅拌叶片一定要相对于搅拌轴成一定角度安装。为了使混合料的横向和轴向运动都较大,目前国内外叶片安装角的常用值为α=45°。

若将某一瞬间搅拌叶片对某单元混合料的作用情况简化为图1所示,可以看出,要使混合料能够沿叶片宽度方向运动,实现轴向运动,必须满足F1-Ff≥0,即Ftanα-Ff≥0,于是得到条件式

式中:F为驱动力,可在叶片表面分解为F1=Ftanα 和F2=F/cosα;Ff为混凝土与叶片表面间的摩擦力,Ff=Ff,f为混凝土对钢的摩擦系数;对于普通的塑性混凝土,若取f=0.62时,α≥31°。

搅拌机工作时,叶片的前面将形成密实的核心,混合料沿着密实核心的侧棱运动,见图 2。图中AB、BC为密实核心侧棱;α为叶片的安装角;γ为密实核心侧棱与搅拌轴间的夹角。由于AB和BC两侧棱间的夹角180°-2γ为混合料稳定堆放的安息角,它一般为40°～70°,所以γ=55°～70°。

叶片的横向搅拌速度系数b′⊥就是α≠0°时密实核心的截面积与α=0°时密实核心最大面积之比

叶片的轴向搅拌速度系数b′11就是密实核心两侧棱在搅拌轴上的投影差与叶片在搅拌轴上投影之比

为了兼顾混合料在横向和轴向都有较大的运动速度,叶片的安装角应使总的搅拌速度系数b具有最大值。总搅拌速度系数b为

令b′(α)=0,得到=0,即

当γ=55°～70°时,得到α=31°～40°。

2.2　试验研究

以上的定性分析没有考虑叶片安装角与其他结构和运动参数相互间的制约和影响。事实上,叶片安装角与搅拌臂的料流排列、搅拌臂的相位角、拌筒长宽比、搅拌叶片个数等结构参数和线速度等运动参数都有关,应将多因素综合考虑并加以优化。例如,目前国内外常用的拌缸长宽比有窄长型和宽短型两类,相应的叶片安装角就不相同。窄长型拌缸轴向距离相对较大,而横向尺寸相对较小,按上述优化目标,要使拌缸三维方向同时得到均匀,这时轴向运动就应强一些,横向运动可慢一点,相应的叶片安装角应在31°～45°范围取较大值。同理,窄短型拌缸的叶片安装角可取较小值。表1为对搅拌臂的料流排列(A)、搅拌臂的相位布置(B)、拌臂的长宽比(C)和叶片的安装角(D)4个因素不同组合后的试验结果[4]。表2为同时考虑叶片个数和线速度时的试验结果[5]。试验中,搅拌质量指标按国标要求测混凝土拌和物的匀质性,保证试样的粗骨料质量的相对误差ΔG<5%,砂浆密度的相对误差ΔM< 0.8%[6],同时测28 d或7 d硬化试块的抗压强度平均值 R和离差系数CV。

表1　双卧轴搅拌机试验结果Ⅰ

表2　双卧轴搅拌机试验结果Ⅱ

以上试验的不足之处是没有安装角为40°时的结果。分析给定条件下得到的结果,可认为宽短型拌缸(长宽比为0.78)的叶片安装角为35°,窄长型拌缸(长宽比为1.11)的叶片安装角可取到45°,这时的搅拌效果较好,与上述的理论分析结果相一致。(www.xing528.com)

3.1　立轴间歇式搅拌机的叶片安装角

取常用的叶片安装角α=45°,见图3。文献[7]中的多处结果证明,这时的安装角度可满足搅拌机的性能要求。

图3　铲子形叶片

1-叶片;2-叶片Ⅱ

3.2　双排搅拌叶片搅拌机的叶片安装角

这种新型的搅拌机的线速度要比普通双卧轴搅拌机低,双排叶片使横向运动得到了加强,而减弱了轴向运动。试验中取大叶片的α=35°、45°和55°,与其他参数组合,结果证明[8],较合理的参数是拌缸为窄长型(长宽比为1.11)和安装角度为45°。

(1)提出了判断叶片安装角合理与否的准则。

(2)叶片安装角与其他结构参数和运动参数相互制约和影响,选择叶片安装角时应根据优化目标,综合考虑诸多参数间的关系,最好通过试验研究来确定。

(3)通过分析和试验研究,得到双卧轴搅拌机的叶片安装角范围为31°～45°,对中国广泛使用的宽短型双卧轴搅拌机,搅拌叶片安装角的推荐值约为35°。

参考文献:

References:

[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. FENG Zhong-xu.Concrete mixing theory and equipment[M].Beijing:China Communications Press, 2001.

[2] 赵利军,冯忠绪.双卧轴搅拌机叶片排列的试验[J].长安大学学报:自然科学版,2004,24(2):94-96. ZHAO L-ijun,FENG Zhong-xu.Test of blades Arrangementfor twin-shaftmixer[J].Journalof Chang'an University:Natural Science Edition,2004,24 (2):94-96.

[3] 冯忠绪,王卫中,姚运仕,等.搅拌机合理转速的研究[J].中国公路学报,2006,19(2):116-120. FENG Zhong-xu,WANG Wei-zhong,YAO Yun-shi, et al.Study of mixer rational rotation speed[J].China Journal of Highway and Transport,2006,19(2):116 120.

[4] 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. ZHAO Li-jun.Parameters optimum and test study of twin-shaft mixer[D].Xi’an:Chang’an University, 2002.

[5] 王卫中.双卧轴搅拌机工作装置的试验研究[D].西安:长安大学,2004. WANG We-izhong.Test study of mixing mechanism for twin-shaft mixer[D].Xi’an:Chang’an University,2004.

[6] GB/T 9142-2000.混凝土搅拌机[S]. GB/T 9142-2000.Concrete mixer[S].

[7] 江建卫.周期式振动搅拌机的试验研究[D].西安:长安大学,1998. JIANG Jian-wei.Test study of vibrating mixer of periodic type[D].Xi’an:Chiang’an University,1998.

[8] 姚运仕.双叶片搅拌机参数优化及其试验研究[D].西安:长安大学,2004. YAO Yun-shi.Parameters optimum and test study of double-blades mixer[D].Xi’an:Chang’an University,2004.

Method for determining setting angle of mixer’s blades

ZHAO Li-jun,FENG Zhong-xu,YAO Yun-shi,WANG Wei-zhong,JIANG Jian-wei
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China)

Abstract：In order to improve mixing quality and efficiency of concrete,this paper put forward a rationality criterion of setting angle of mixing blades based on materials’motion character in mixing process.Through mechanical analysis of materials unit and qualitative analysis of compact core before the blades,the rational range of the setting angle was determined.The matching relations among the blades’setting angle of twin-shaft mixer with arrangement of mixing arms, length-breadth ratio of mixing trough,blades number and mixing velocity were studied based on orthogonal test.The results indicate that the setting angle is affected and restricted by other motion parameters and structure parameters of the mixer.Rational angles should be determined according to the relations among every parameters,and ensrue simultaneous uniformity in three-dimensional direction of the mixing trough.The rational range of setting angle of the twin-shaft mixer is from 31°to 45°.When the length-width ratio of the mixing trough is less than 1,35 degrees is recommended.2 tabs,3 figs,8 refs.

Key words：mechanic engineering;mixter;blades;setting angle;compact core

中图分类号：U415.522

文献标识码：A

文章编号：1671-8879(2006)05-0099-04