雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的構(gòu)造選型

郝文明，劉劍飛，李永清，王玉鳳，田凱，田冠飛

（1.巴彥淖爾市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000；2.內(nèi)蒙古建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010000；3.鄂爾多斯市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010319 ；4.鄂爾多斯市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010319 ；5.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

1 概述

混凝土試驗用攪拌機(jī)是試驗室成型混凝土的必備設(shè)備，廣泛用于科研與大專院校、檢測、施工和混凝土攪拌站實驗室。在混凝土配比相同的條件下，攪拌效果的好壞直接影響到混凝土的工作性能、強度以及將來的長期性能和耐久性能。中國建筑科學(xué)研究院在修訂《混凝土試驗用攪拌機(jī)》（JG3036-1996）過程中，廣泛調(diào)研了國內(nèi)外各種構(gòu)造型式的混凝土試驗用攪拌機(jī)，認(rèn)真對比了各種構(gòu)造型式的優(yōu)缺點，并且參考生產(chǎn)用雙臥軸攪拌機(jī)，最終在《混凝土試驗用攪拌機(jī)》（JG 244-2009）中確定了四種構(gòu)造型式的攪拌機(jī)：自落式、單臥軸強制式、雙臥軸強制式和旋杯強制式，并提出“為提高混凝土試驗攪拌效率和確保拌合物的勻質(zhì)性，新購或更換混凝土試驗用攪拌機(jī)時，應(yīng)優(yōu)先選擇雙臥軸強制式攪拌機(jī)。”事實上，目前生產(chǎn)所用混凝土攪拌機(jī)的構(gòu)造型式基本均為雙臥軸式，因而采用雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)不但提高了攪拌效率，而且解決了科研、試配用混凝土試驗攪拌機(jī)與生產(chǎn)用攪拌機(jī)構(gòu)造型式不一致的矛盾。本文對中國建筑科學(xué)研究院和內(nèi)蒙古建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站在開發(fā)研制和驗證測試雙臥軸試驗用攪拌機(jī)過程中遇到的一些問題，以及最終解決方案進(jìn)行了分析論述。

2 設(shè)計過程

雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的設(shè)計定型是理論分析與不斷試驗檢驗的過程，主要涉及攪拌葉片的排布方式、攪拌葉片的安裝角度、攪拌筒的外形與體積以及卸料方式的確定。

2.1 攪拌葉片的排布方式

攪拌葉片是物料攪拌動作的實施部件，其排布方式直接影響對物料的攪拌效果，因而在攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中作為首要解決的問題。

攪拌葉片的排布方式涉及到兩個方面：一為單根軸上相鄰兩個攪拌葉的排列；二為兩根軸上攪拌葉的排列。在此方面，長安大學(xué)進(jìn)行了較為深入研究[1]，并對相鄰兩個攪拌葉片的正反排列方式進(jìn)行了定義：正排列定義為當(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；相反的情況是葉片的反排列。研究表明，對于單根軸而言，葉片正排列的攪拌效率高于反排列的攪拌效率；雙軸上攪拌葉片的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)和攪拌筒內(nèi)翻動的劇烈程度，從而使料筒內(nèi)各點物料快速達(dá)到均勻性。

因此，借鑒已有研究成果，雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的攪拌葉片排布方式為正反排列、交錯布置，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)使得物料不但在攪拌筒內(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，利用物料的自重和葉片的強制剪切作用，使物料產(chǎn)生強烈的碰撞、翻轉(zhuǎn)和揉搓，快速實現(xiàn)均勻攪拌。

圖1 攪拌葉片排列

2.2 攪拌葉片的安裝角度與個數(shù)

葉片安裝角定義為攪拌葉片斜面與攪拌軸線間的夾角。攪拌葉片在工作時，應(yīng)能推動物料沿攪拌軸軸向和周向循環(huán)運動，實現(xiàn)物料在攪拌筒內(nèi)各個方向混合均勻。文獻(xiàn)[2]定性分析了攪拌葉片安裝角度的取值范圍：若取混凝土對鋼的摩擦系數(shù)為0.62，混合料穩(wěn)定堆放的安息角為40°～60°，則攪拌葉片安裝角的大致范圍為31°～40°之間；并采用正交分析法，考慮葉片安裝角與攪拌臂的料流排列、攪拌臂的相位角、攪拌筒長寬比、攪拌葉片個數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對攪拌效果的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，對于寬短型攪拌筒，葉片安裝角取35°為最佳；對于窄長型攪拌筒，葉片安裝角取45°為最佳。此結(jié)果不但與理論分析結(jié)果相符，而且與目前國內(nèi)外葉片安裝角常用值45°一致。

在確定雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的葉片安裝角度時，考慮了上述的理論分析與試驗結(jié)果，并結(jié)合攪拌葉片的外形特征，通過大量試驗確定葉片安裝角取45°。

單根軸上攪拌葉片的個數(shù)設(shè)計為6個，其中軸兩端攪拌葉片為刮板式，如圖2所示，1面加工為45°斜面。在攪拌過程中，1面與攪拌軸軸線平行，整個攪拌葉片成45°傾斜推進(jìn)式運動，使攪拌筒兩側(cè)物料向中間集中并參與攪拌混合；中間4個攪拌葉片設(shè)計為圖3結(jié)構(gòu)型式，葉片攪拌端部加工為空間曲面，可以看做與圓筒體中軸成45°角的平面截圓筒體所得的橢圓上的一段，如圖4所示，這樣可以保證葉片與攪拌筒間距足夠小——1mm以內(nèi)。

圖2 端部攪拌葉片結(jié)構(gòu)型式

圖3 中間攪拌葉片結(jié)構(gòu)型式

圖4 平面截圓筒體示意圖

2.3 攪拌筒的外形與材質(zhì)

由于雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)具有兩根攪拌軸，為了避免攪拌過程中的死角，料筒底部設(shè)計成兩個圓筒形凹陷，分別對應(yīng)于兩根攪拌軸正下方。并且，凹陷弧面所對應(yīng)的軸線與上方攪拌軸的軸線重合。兩個凹陷之間有一條突起，突起的高度與攪拌筒的公稱容量、攪拌效率和均勻性等密切相關(guān)。

攪拌軸轉(zhuǎn)動時，由于攪拌葉片上各點與軸心的距離不同，各點的線速度也不相同：越靠近攪拌軸線速度越小，越靠近攪拌筒線速度越大——對物料的攪拌、剪切作用也不相同。這樣，在靠近攪拌軸附近的區(qū)域形成混合料攪拌的低效區(qū)。低效區(qū)的存在對單臥軸混凝土攪拌機(jī)的影響最明顯，文獻(xiàn)[3]提出在大攪拌葉片相對一側(cè)、靠近攪拌軸處安裝小攪拌葉，可以增加攪拌軸附近物料與攪拌筒內(nèi)壁附近物料間的徑向?qū)α?，從而消除攪拌低效區(qū)。而針對雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)而言，可以通過調(diào)節(jié)兩根攪拌軸的間距——使其中一根攪拌軸上的攪拌葉片伸入到另一根攪拌軸的低效區(qū)內(nèi)，攪拌葉片相互交錯，從而消除了攪拌低效區(qū)。同時，兩根攪拌軸的靠近程度決定了凹陷之間突起的高度和攪拌筒的容量。

攪拌筒側(cè)壁與水平面垂直。除參與攪拌軸固定的兩個相對側(cè)壁外，剩下兩個側(cè)壁均與底部圓筒相切，此種設(shè)計一方面保證了料筒內(nèi)沒有攪拌死角，另一方面使攪拌筒的容量最大，且攪拌過程不出現(xiàn)卡石子現(xiàn)象。攪拌筒及葉片布置形式如圖5所示。

圖5 攪拌筒及葉片布置形式

雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的攪拌葉片和攪拌筒采用16Mn鋼制作。攪拌筒壁厚為10mm，攪拌葉片厚12mm，攪拌葉片與攪拌筒間距可調(diào)，這些設(shè)計能夠保證攪拌機(jī)的使用壽命高于5年——遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前廣泛使用的單臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)。

2.4 卸料方式

《混凝土試驗用攪拌機(jī)》（JG244-2009）規(guī)定“雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)可采用自動傾翻或底部卸料的方式”。底部卸料方式簡化了攪拌機(jī)的構(gòu)造形式，但不利于攪拌筒體的密封嚴(yán)密性。如采用機(jī)械圓柱體轉(zhuǎn)動閥密封方式，隨著使用頻次的累積，骨料或未清理干凈的水泥漿體卡在底部卸料口處極易造成密封不嚴(yán)，拌合過程的水份流失影響混凝土的實際水灰比，還會造成腐蝕和磨損，更加降低其使用壽命；如采用橡膠密封方式，對橡膠的抗疲勞老化能力要求極高，同時也會造成縫隙填塞漿體和細(xì)骨料進(jìn)而影響密封性能。

目前單臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)由于攪拌筒質(zhì)量、物料相對較少，絕大部分采用人工傾翻卸料。而雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)由于攪拌筒自重較大，物料相對較多，采用人工傾翻已經(jīng)很難實現(xiàn)。在雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)開發(fā)過程中，考慮到用戶的操作習(xí)慣，對攪拌機(jī)的卸料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點設(shè)計，成功研制出電動傾翻的卸料機(jī)構(gòu)，可使攪拌筒的傾翻角度在0°～180°范圍內(nèi)任意點機(jī)動控制，極大地方便了卸料和事后清洗工作。

表1 技術(shù)參數(shù)對照

3 攪拌機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述調(diào)研、分析以及大量的試驗驗證，技術(shù)攻關(guān)小組經(jīng)過幾年的不懈努力終于完成了雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)，并獲得了1項實用新型專利（ZL 2009 2 0300392.8）和申請了1項發(fā)明專利（已進(jìn)實質(zhì)審查階段）。雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的外觀見圖6所示。

圖6 雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)外觀

該雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)解決了科研與生產(chǎn)用混凝土攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)型式不一致的問題。由于采用兩根攪拌軸，攪拌葉片交錯布置，消除了攪拌低效區(qū)，攪拌效率大大提高，混凝土的均勻性非常好。

4 技術(shù)參數(shù)對比

目前，廣泛使用的單臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)相比，技術(shù)參數(shù)對照表見表1。

5 結(jié)論

（1）對影響雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)性能的四個因素進(jìn)行討論，最終確定攪拌葉片正反排列、交錯布置，葉片安裝角度為45°，攪拌筒底部具有兩個凹陷和一條突起、傾翻卸料的結(jié)構(gòu)型式。

（2）雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)的研制成功，解決了科研與生產(chǎn)用攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)型式不一致的問題。

（3）雙臥軸混凝土試驗用攪拌機(jī)消除了攪拌低效區(qū)，攪拌效率大大提高。

[1]趙利軍，馮忠緒.雙臥軸攪拌機(jī)葉片排列的試驗.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2004, 24（2）：94-96.

[2]趙利軍，馮忠緒，姚運仕，王衛(wèi)中等.攪拌機(jī)葉片安裝角的確定方法.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2006，26（5）：99-102.

[3]馮忠緒，趙利軍，姚運仕，汪建衛(wèi)等.攪拌機(jī)低效區(qū)及其消除方法.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2005，25（5）：82-85.