不同攪拌葉片對(duì)攪拌阻力影響的試驗(yàn)研究

趙 順，吳學(xué)前，陳旭鋒，張夫剛，薛 錦，姚澤琛

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，陜西 西安710064）

0　前言

雙臥軸混凝土攪拌機(jī)因其攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用于各種攪拌場合。攪拌裝置為該機(jī)型的核心部分，直接影響整機(jī)混凝土的攪拌質(zhì)量、生產(chǎn)率；同時(shí)影響攪拌機(jī)的負(fù)荷和耗電量。目前對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)大都以攪拌臂和攪拌葉片在攪拌軸上的排布及徑向安裝角度為研究對(duì)象，鮮有以通過工業(yè)機(jī)試驗(yàn)來研究攪拌葉片的大小和形狀對(duì)攪拌機(jī)的影響。

本文以設(shè)計(jì)的DT1500ZBW攪拌機(jī)為載體，通過實(shí)驗(yàn)來探究不同形狀的葉片設(shè)計(jì)方案在加載過程中攪拌阻力變化情況及其超載能力，為樣機(jī)攪拌葉片大小設(shè)計(jì)合理與否提供有利的試驗(yàn)依據(jù)。

此次試驗(yàn)只改變了DT1500ZBW攪拌機(jī)中的攪拌葉片。試驗(yàn)過程中采用了兩種攪拌葉片，一種葉片形狀是近似對(duì)稱的，另一種則是梯形的形狀。在攪拌過程中，不同的攪拌葉片受到不同大小的阻力，通過檢測驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流的情況來模擬阻力的變化。

1　理論分析

攪拌機(jī)攪拌裝置的有效面積為其運(yùn)動(dòng)一側(cè)與混凝土接觸的面積，而攪拌葉片的工作面積為有效面積乘以cosα（α為攪拌葉片的安裝角）[1]。葉片安裝角是指攪拌葉片斜面與攪拌軸線間的夾角，見圖1中的α銳角。

圖1　物料單元受力圖

通常情況下，在攪拌機(jī)攪拌使用過程中，攪拌機(jī)葉片的安裝角被設(shè)里為45°夾角進(jìn)行安裝使用[2]。在這樣的攪拌機(jī)葉片安裝角值下，進(jìn)行攪拌運(yùn)行使用，不僅能夠滿足攪拌機(jī)葉片對(duì)于混合物料的縱向以及橫向推動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并且混合物料的攪拌品質(zhì)與攪拌效率都相對(duì)較高。而此工業(yè)機(jī)采用了46°的軸向安裝角。

1.1　兩種攪拌葉片的形狀分析

本文將分析兩種攪拌葉片的形狀，一種是近似對(duì)稱的對(duì)中型結(jié)構(gòu)，另一種是梯形結(jié)構(gòu)，其形狀如圖2所示。其中兩種中攪拌葉片安裝在中攪拌臂上的位置及角度一致，在拌缸的排布相同。圖2a中所顯示的梯形攪拌葉片的兩側(cè)折彎部分在一條直線上，減少了葉片與料的接觸，b中對(duì)中型攪拌葉片的凸臺(tái)部分則增加了料與葉片的摩擦即增加了驅(qū)動(dòng)攪拌裝置的驅(qū)動(dòng)力。

圖2　攪拌葉片

1.2　兩種攪拌葉片的面積分析

攪拌葉片的面積對(duì)物料的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和物料之間的相互作用有著重要的影響。葉片面積過小，減弱了物料的循環(huán)作用和兩軸之間的對(duì)流作用，使物料達(dá)到宏觀均勻攪拌時(shí)間增長；若葉片面積過大，不但增大了攪拌功率，還需要減小葉片個(gè)數(shù)，否則，葉片在攪拌筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)相互干涉。因此，這兩種葉片都采用合理的葉片面積。

通過用三維軟件Croe建模可測得對(duì)中型攪拌葉片的有效面積S1為71 956.1 mm2，對(duì)應(yīng)的攪拌臂的軸向安裝角為46°，即工作面積：

同理可得，梯形攪拌葉的有效面積S2為67 418 mm2，不改變中攪拌臂的軸向安裝角，即工作面積為48 496.5 mm2.通過計(jì)算，可知梯形攪拌葉相對(duì)于對(duì)中型攪拌葉片的有效面積相對(duì)少6.31%，工作面積相對(duì)減少2.98%.

1.3　對(duì)兩種攪拌葉片受到的阻力分析

阻力的改變就是驅(qū)動(dòng)力的改變，而驅(qū)動(dòng)力直接影響著所測數(shù)據(jù)—電機(jī)電流的大小，因此需要對(duì)葉片的阻力進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出攪拌裝置工作阻力如下式所示（K為工作阻力系數(shù)）[3]，攪拌裝置中攪拌臂是不變的，只需求攪拌葉片的工作面積。攪拌葉片所承受的工作阻力：

其中K=5～9 N/cm2，因攪拌機(jī)工作時(shí)攪拌葉片和攪拌臂所受阻力是不斷變化的，因此阻力系數(shù)也是不斷變化的，它與轉(zhuǎn)速、物料的屬性和狀態(tài)有關(guān)。為便于對(duì)迎面阻力進(jìn)行比較，試驗(yàn)時(shí)攪拌材料是相同的，迎面阻力系數(shù)均為7 N/cm2.

對(duì)中型攪拌葉片受到的阻力：

梯形攪拌葉片受到的阻力：

通過計(jì)算可知，梯形葉片比對(duì)中型葉片受到的阻力減少了2.98%，但單軸上的中葉片有4個(gè)，此次所試驗(yàn)的雙臥軸攪拌機(jī)上共有8個(gè)中葉片，因此對(duì)所測電機(jī)電流影響還是很明顯的。兩種攪拌葉片的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　兩種攪拌葉片的相關(guān)參數(shù)

2　試驗(yàn)測試

2.1　試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

本次試驗(yàn)主要目的是確定不同攪拌葉片加載條件下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶載情況，電機(jī)選擇是否合理。

為了使試驗(yàn)順利有序的進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)確保做好以下工作：將DT1500ZBW攪拌機(jī)放置到試驗(yàn)場所，檢查主機(jī)機(jī)架上及缸體內(nèi)部是否有雜物，并及時(shí)清理干凈；檢查主機(jī)卸料機(jī)構(gòu)開啟、關(guān)閉狀況，確保卸料機(jī)構(gòu)加載前工作正常；將主機(jī)固定放置于試驗(yàn)臺(tái)架上，空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查主機(jī)放置是否平穩(wěn)可靠，若支撐臺(tái)架出現(xiàn)較大擺動(dòng)，則應(yīng)對(duì)支撐臺(tái)架進(jìn)行加固，確保試驗(yàn)的安全性；預(yù)先確定電控箱內(nèi)待測電機(jī)的對(duì)應(yīng)接線，以便實(shí)驗(yàn)過程中直接用電流鉗測量；測試工具如圖3所示。

準(zhǔn)備好試驗(yàn)用的各種工具：上料斗、吊稱、鐵鍬、裝載車、水管、水桶、臺(tái)秤、電流鉗、記錄表、中性筆、溫度計(jì)、扶梯等。并準(zhǔn)備好所需砂2 220 kg、骨料4 440 kg，砂子重量占砂石總重量為34%[4]。

圖3　測試工具及過程圖

2.2　試驗(yàn)過程

（1）試驗(yàn)機(jī)空載運(yùn)行20 min確保試驗(yàn)機(jī)能正常運(yùn)行，檢測數(shù)據(jù)并記錄；

（2）在攪拌設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中多次加料，直至滿載為3 360 L，每隔3 min測量一次數(shù)據(jù)并記錄；

（3）滿載運(yùn)行一定時(shí)間后，繼續(xù)加料直至超載為3 744 L，進(jìn)行超載試驗(yàn)，檢測數(shù)據(jù)并記錄。

2.3　兩種攪拌葉片測試結(jié)果

中型攪拌葉片和梯形攪拌葉片下驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、2的電流測試結(jié)果（如表2所示），及電流變化情況（如圖4、圖5所示）。由于數(shù)據(jù)較多，因此只取了每次時(shí)間段的均值。

表2　兩種葉片的電流測試結(jié)果

圖4　電流1的曲線圖

圖5　電流2的曲線圖

2.4　兩次試驗(yàn)測試的對(duì)比分析

從表2、圖4、圖5可以看出兩種葉片的驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的電流。過載為3 744 L時(shí)對(duì)兩種葉片測得電流差值達(dá)到最驅(qū)動(dòng)電大。梯形攪拌葉片相對(duì)于對(duì)中型攪拌葉片的電流值下降最大約17%.兩種葉片的機(jī)2的電流，過載為3 744 L時(shí)梯形攪拌葉片相對(duì)于對(duì)中型攪拌葉片的電流值下降最大約17%.當(dāng)電機(jī)額定電壓不變時(shí)，攪拌機(jī)工作所需電機(jī)功率隨之減小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減荷目的。

攪拌裝置的生產(chǎn)功率按下式[5]：

式中：P、P1為攪拌裝置負(fù)載功率之和及電機(jī)輸出功率（W）；Fi為各攪拌裝置的工作阻力（N）；Vi為葉片中徑線速度（m/s）；U 為電機(jī)額定電壓（V）；I為電機(jī)工作電流（A）；η1、η2為電機(jī)傳動(dòng)和攪拌裝置傳動(dòng)效率；cosθ為電機(jī)功率因數(shù)。

混凝土攪拌機(jī)的傳動(dòng)裝置及電機(jī)型號(hào)均不變，只有攪拌裝置中的中葉片形狀和大小發(fā)生了變化。從而攪拌裝置的工作阻力發(fā)生變化，即攪拌裝置的生產(chǎn)功率變化。攪拌機(jī)的負(fù)載功率P決定這電機(jī)的輸出功率P1，攪拌裝置中葉片的改變直接影響著電機(jī)的輸出功率。

3　結(jié)論

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可得出，梯形攪拌葉片產(chǎn)生的攪拌阻力更小，耗電量低，同時(shí)加工制造也更加容易，梯形攪拌葉片更適用于DT1500ZBW的實(shí)際工程應(yīng)用。因此，優(yōu)化攪拌裝置上的攪拌葉片，不僅節(jié)約材料，而且明顯較低電機(jī)電流，對(duì)電機(jī)起到保護(hù)的作用。電機(jī)峰值電流減小，攪拌裝置所需功率減小，也達(dá)到了減載節(jié)能的目的。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。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮忠緒，李 彰，王衛(wèi)中，等.攪拌臂數(shù)目與攪拌葉片面積[J].工程機(jī)械，2008，39（2）：61-65.

[2]馮忠緒，趙利軍，姚運(yùn)仕，等.攪拌葉片安裝角的確定方法[J].工程機(jī)械，2005（06）：71-74.

[3]王子馨，劉云飛，趙利軍.一種混凝土攪拌機(jī)彎臂攪拌裝置[J].建筑機(jī)械，2016（10）：77-83.

[4]李立權(quán).混凝土配合比手冊[M].3版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

[5]馮忠緒，江建衛(wèi)，姚錄延.攪拌功率的計(jì)算[J].工程機(jī)械，2005（7）：74-76.