水工型大容量雙臥軸混凝土攪拌機(jī)電氣設(shè)計(jì)

馮新紅 何新初 陸學(xué)富

（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012）

1 引言

雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)是當(dāng)今混凝土生產(chǎn)中最常用的一種攪拌機(jī)，大型雙臥軸攪拌機(jī)不僅對混凝土的水灰比、強(qiáng)度、塌落度的適應(yīng)性寬，而且由于其攪拌性能好，攪拌均勻，拌制混凝土振搗性能好更容易澆筑，是生產(chǎn)大骨料水工碾壓混凝土的最佳選擇。水工混凝土攪拌機(jī)與一般城建混凝土攪拌機(jī)是有區(qū)別的，國內(nèi)攪拌機(jī)生產(chǎn)廠家很多，但都不適合生產(chǎn)大粒徑、低塌落度的水工混凝土。國外廠家SICOMA、BHS等實(shí)際上已統(tǒng)治了我國的水工混凝土攪拌機(jī)市場。因此，引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)，提高我國水電工程大型強(qiáng)制式攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平，滿足大型碾壓混凝土壩高速、連續(xù)、大強(qiáng)度施工要求，已成為我國大型混凝土攪拌樓核心技術(shù)攻關(guān)課題?；炷翑嚢铏C(jī)的電氣設(shè)計(jì)是研制的重要組成部分，直接關(guān)系到攪拌機(jī)以后的運(yùn)行維護(hù)。電氣設(shè)計(jì)主要包括攪拌機(jī)功率的確定，攪拌機(jī)啟動(dòng)方式的選擇，潤滑系統(tǒng)、安全保護(hù)、在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等部分。

2 攪拌機(jī)主參數(shù)

根據(jù)水利水電工程施工用水工碾壓混凝土：混凝土密實(shí)度高，體積質(zhì)量通常在2.5～2.7t/m3；混凝土的骨料級配的骨料粒徑大；混凝土坍落度低；碾壓砂石粉含量高（16%～20%），骨料的石英含量高（達(dá)50%～80%）等特點(diǎn)，對攪拌機(jī)構(gòu)的各主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表1：

表1：主要技術(shù)參數(shù)表

①：搗實(shí)后的水工碾壓混凝土。

3 攪拌機(jī)驅(qū)動(dòng)方式及功率計(jì)算

攪拌機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩類，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用皮帶傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，安裝緊湊，無污染；液壓驅(qū)動(dòng)采用液壓馬達(dá)，需要配置液壓站，安裝液壓管路，安裝復(fù)雜，如液壓管路泄漏，容易造成油污污染，而且對設(shè)備維護(hù)要求比較高，成本高。目前世界上主要攪拌機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，如BHS公司、SICOMA公司等，均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)性價(jià)比，維護(hù)成本等綜合考慮，MSO9000型攪拌機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)總體布置要求，選用4臺異步電機(jī)，對稱布置在兩根攪拌軸的兩端。

因?yàn)閿嚢柽^程中各種參數(shù)的變化比較大，各材料組成成份的狀態(tài)和性質(zhì)均發(fā)生變化，攪拌機(jī)功率精確的計(jì)算是比較困難的。一般來說是通過計(jì)算物料對攪拌葉片（包括攪拌臂）的阻力（阻力系數(shù)）來推算。阻力系數(shù)和混凝土的級配強(qiáng)度，骨料粒徑，坍落度和葉片的線速度有關(guān)，其中影響最大的是葉片的線速度。

根據(jù)對物料攪拌部位的不同，攪拌機(jī)內(nèi)葉片分為端刮板和刀片，所以在阻力的計(jì)算中，可以分別計(jì)算刮板阻力和刀片阻力，雖然攪拌機(jī)的刀片大小形狀可能有所不同，但在計(jì)算中可以近似的考慮為相同；由于大容量攪拌機(jī)中，攪拌臂尺寸比較大，因此在阻力計(jì)算的時(shí)候應(yīng)考慮攪拌臂的阻力，攪拌臂可按柱體考慮，查閱資料和經(jīng)驗(yàn)，攪拌機(jī)工作阻力推算公式：M=K（Z1*L*b*r1*cosα+Z2*H*B*R*cosβ+Z2*h*D*r2)；其中：K-阻力系數(shù)；Z1-同時(shí)參加攪拌的刮板總數(shù)量；L-刮板高度；b-刮板寬度；r1-刮板平均回轉(zhuǎn)半徑；α-刮板與攪拌軸軸向夾角；Z2-同時(shí)參加攪拌的葉片總數(shù)量；H-葉片高度；B-葉片寬度；R-葉片平均回轉(zhuǎn)半徑；β-葉片與攪拌軸軸向夾角；h-攪拌臂高度；D-攪拌臂阻力面寬度；r2-攪拌臂平均回轉(zhuǎn)半徑

對于K系數(shù)的選擇，主要由葉片的線速度決定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在不同葉片的線速度下（雙臥軸攪拌機(jī)葉片線速度常在v＝1.2～1.7m／s內(nèi)），K的一般推薦取值范圍為K＝7～9N／cm2。經(jīng)驗(yàn)表明，線速度大時(shí)，K取值較大，反之，取值較小。MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)的葉片線速度為1.67m／s，所以在計(jì)算的時(shí)候K＝8.5N／cm2。代入MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)的各個(gè)參數(shù)：Z1＝4，L＝65cm，b＝52.8cm，r1＝42.5cm，α＝53°，Z2＝10，H＝20cm，B＝52.8cm，R＝75cm，β＝53°，h＝65cm，D＝10cm，r2＝32.5cm。計(jì)算MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)工作阻力：

M=8831413.232N·cm=88314.13232N·m攪拌需要總功率：

n-攪拌機(jī)軸的轉(zhuǎn)速（rpm）；η-攪拌機(jī)軸的傳動(dòng)效率

單臺電機(jī)所需功率：

KA-電機(jī)的容量儲(chǔ)備系數(shù);N-電機(jī)數(shù)量MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n＝18.8rpm。

對于攪拌機(jī)軸的傳動(dòng)效率η的確定，攪拌機(jī)電機(jī)通過皮帶輪傳動(dòng)，再經(jīng)過渦輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸，傳動(dòng)效率為綜合的傳動(dòng)效率，經(jīng)過查詢相關(guān)產(chǎn)品的參數(shù)和相關(guān)規(guī)范，減速機(jī)的傳動(dòng)效率為0.81，皮帶傳動(dòng)效率為0.96，4臺電機(jī)的同步效率為0.95，綜合考慮η取0.74。對于電機(jī)的容量儲(chǔ)備系數(shù)KA的確定，由于混凝土攪拌機(jī)在攪拌開始時(shí)，受物料下料的沖擊，受力極不均勻，軸上承受的阻力比正常攪拌的時(shí)候大的多，同時(shí)在攪拌的過程中會(huì)出現(xiàn)葉片和桶體之間卡料想象，并能保證攪拌均勻后混凝土的重載啟動(dòng)，所以在電機(jī)選擇的時(shí)候要有一定的容量儲(chǔ)備系數(shù)，通常情況下取KA下＝1.1～1.25，MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)需考慮在停機(jī)5分鐘內(nèi)重載啟動(dòng)的能力，所以KA取1.25。代入MSO9000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)的其他參數(shù)，計(jì)算得到整機(jī)功率和每臺電機(jī)的功率：

根據(jù)電機(jī)功率檔次的選型規(guī)格，最終確定選用4臺75KW異步電機(jī)。

在樣機(jī)測試中生產(chǎn)4級配混凝土?xí)r實(shí)測功率為207Kw，所選擇電機(jī)滿足實(shí)際使用需要。

4 啟動(dòng)方式選擇

電機(jī)的啟動(dòng)方式，由電機(jī)容量大小、供電系統(tǒng)的相對容量和負(fù)荷特性等共同決定；大電機(jī)采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，6-7倍于額定電流的啟動(dòng)電流，將對供電系統(tǒng)造成沖擊，降低系統(tǒng)電壓，影響其它設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)大啟動(dòng)電流將對機(jī)械系統(tǒng)造成沖擊，不利于設(shè)備的運(yùn)行，要降低攪拌機(jī)的啟動(dòng)電流通常采用的方法是降壓啟動(dòng)。

降壓啟動(dòng)的常用方式有：Y-△降壓啟動(dòng)、自藕變降壓啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等。目前對于37KW以上的電機(jī)，國內(nèi)外攪拌機(jī)生產(chǎn)企業(yè)均推薦使用降壓啟動(dòng)方式，最常用的為Y-△降壓啟動(dòng)方式。Y-△降壓啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)的時(shí)候采用星形接法，電機(jī)的啟動(dòng)電壓降低了倍，電流也降低了倍，啟動(dòng)完成后轉(zhuǎn)換為三角形接法正常運(yùn)行，減少了啟動(dòng)電流對供電系統(tǒng)的沖擊，這種啟動(dòng)方式設(shè)備簡單，維護(hù)方便，但主要缺點(diǎn)是大幅降低了啟動(dòng)力矩，只相當(dāng)于全壓啟動(dòng)的1/3，所以這種啟動(dòng)方式，適用于空載或輕載啟動(dòng)，在攪拌機(jī)事故性停機(jī)后，攪拌機(jī)沒法重載啟動(dòng)。

自藕變降壓啟動(dòng)是通過自藕變壓器降低啟動(dòng)時(shí)的電流，啟動(dòng)電壓可以根據(jù)實(shí)際需要通過變壓器進(jìn)行調(diào)整，該啟動(dòng)方式由于設(shè)備笨重，缺少必要的監(jiān)控方法，在混凝土攪拌行業(yè)應(yīng)用較少。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，軟啟動(dòng)技術(shù)越來越多的在大電機(jī)中使用，本攪拌機(jī)就選用了軟啟動(dòng)方式。軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式可以滿足攪拌機(jī)、研磨機(jī)等設(shè)備重載負(fù)荷啟動(dòng)要求，具體有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）、軟啟動(dòng)可以按需求設(shè)置攪拌機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)和啟動(dòng)時(shí)間，減少對供電系統(tǒng)和設(shè)備的啟動(dòng)沖擊；參數(shù)，它表明在給定條件下測量結(jié)果可能出現(xiàn)的區(qū)間，所以不確定度報(bào)告在給出不確定度的同時(shí)要給出測量結(jié)果。

[1]GB/T 528－2009硫化橡膠或熱塑性橡膠－拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定.

[2]CNAS－GL05：2006測量不確定度要求的實(shí)施指南.

[3]JJF1059－1999測量不確定度評定與表示.