圍流與對流相結合的攪拌機的設計及試驗研究

董 武，馮忠緒，王振鵬，趙 悟，姚運仕

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室 陜西 西安 710064)

雙臥軸攪拌機是當前混凝土攪拌機的主導機型，其主要的原理是雙軸沿攪拌鍋反向轉動，帶動安裝在攪拌軸上的攪拌葉片推攪混合料形成較強烈的料流運動使物料各組分快速混合以達到攪拌均勻的目的.料流運動形式決定著混合料在攪拌過程中強制作用的效果，當前國內主流的攪拌機普遍采用圍流運動為主的攪拌形式[1-2].這種攪拌機只在攪拌軸端安裝一個返回葉片，其余攪拌葉片呈螺旋狀連續(xù)分布在兩根攪拌軸上，在攪拌時料流沿兩攪拌軸軸向做圍流循環(huán)運動.有研究者通過優(yōu)化攪拌機的葉片形狀、數(shù)量、安裝角度、排列形式以及線速度等參數(shù)，使料流更順暢的進行圍流循環(huán)，以達到提高混凝土攪拌質量和效率的目的[3-7].隨著水泥混凝土工業(yè)的發(fā)展，高性能混凝土的應用越來越普遍，混凝土的制備難度越來越高，單靠圍流運動為主的攪拌機難以快速的均勻攪拌高性能混凝土.

近年來國內外相繼出現(xiàn)了多返回葉片攪拌機，在攪拌時多返回葉片使物料在攪拌室的中央區(qū)域形成迎面碰撞的以對流運動為主的漩渦流，加大了物料的混合強度.但這種攪拌機的攪拌室中央區(qū)域物料堆積而兩端物料較少，使中間攪拌葉片所受載荷比兩邊的葉片大，容易致使中間攪拌臂和葉片過載而損壞；另外中間的漩渦區(qū)域容易阻礙料流在整個攪拌室的大循環(huán)運動，如果設計不合理反而會嚴重影響攪拌效率[8-10].針對這個問題本文結合圍流運動料流平穩(wěn)流暢的特點和對流運動攪拌過程劇烈、物料混合強度大的特點設計圍流與對流相結合的攪拌機并對這種攪拌機的各項參數(shù)結合料流運動形式進行理論分析和確定，并在100 L的試驗樣機上進行試驗研究，結果證明設計結果是可行的.

1 圍流與對流相結合攪拌機的長寬比

雙臥軸攪拌機拌缸長寬比的確定取決于攪拌機構在攪拌過程中形成料流的狀態(tài)，特定的料流狀態(tài)匹配合理的拌缸長寬比能使物料在拌缸各個坐標方向上同時達到較好的均勻性，有利于攪拌效率的提高.目前，雙臥軸攪拌機拌缸的長寬比一般在0.7～1.3之間[11]，長寬比大于1的攪拌缸叫“窄長型”攪拌缸，長寬比小于1的叫“寬短型”攪拌缸.在實際使用過程中同容量的“窄長型”攪拌缸相比于“寬短型”攪拌缸布置的攪拌葉片數(shù)量較多，攪拌機構相對復雜，不但增加了制造難度，而且在工作過程中物料在軸向循環(huán)的次數(shù)就會減少不利于攪拌效率的提高，因此，目前國內主流的攪拌機都采用“寬短型”攪拌缸.圍流與對流相結合的攪拌機要盡量減少物料對流對整體圍流運動的影響，因此也選用有利于增加軸向循環(huán)運動次數(shù)的“寬短型”攪拌缸.

2 圍流與對流相結合和攪拌機的葉片排列

“寬短型”攪拌缸使用的攪拌葉片數(shù)較少結構相對簡單，但為了攪拌物料連續(xù)均勻、攪拌過程中兩軸受載荷均勻、確保攪拌葉片有合理的有效攪拌面積，攪拌葉片也不能太少，一般主流“寬短型”攪拌機要使物料充分攪拌雙軸采用7對攪拌葉片.物料的運動形式取決于葉片的排列，決定葉片排列前考慮圍流與對流的相對位置，目前，對流為主的攪拌機物料對流區(qū)多集中在拌缸中央區(qū)域，缺點是對流區(qū)漩渦流阻礙了物料沿軸向的大圍流循環(huán)，影響了攪拌效率.因此，考慮新設計的攪拌機對流區(qū)設置在攪拌缸兩端如圖1所示，在I軸和II軸的攪拌葉片推移物料方向的軸端設置反推葉片使物料反推形成兩個對流區(qū)，混合料不僅在做軸向大循環(huán)的圍流運動，而且在圍流運動中形成兩個對流漩渦區(qū)，形成了圍流與對流相結合的料流運動形式.攪拌機單軸上7個葉片，5個正推葉片、2個返回葉片，為對葉片排列進行分析，設Ⅰ與Ⅱ為兩根攪拌軸的序號，n為攪拌葉片的序號，則Ⅰn-Ⅱn+1以及Ⅱn-Ⅰn-1為兩軸間橫向的交叉流動.

2.1 單軸攪拌臂安裝相位及排列

單根軸上相鄰兩個攪拌臂的安裝相位角布置有45°、60°和90°[12]，相鄰攪拌臂相位布置越小在攪拌臂角速度一定的情況下物料獲得越多的流動次數(shù)，但過小的相位布置會增加葉片的安裝數(shù)量減小攪拌缸內有效攪拌空間，所以不宜采用45°相位角，為了使物料在軸向有更多的推攪頻次，提高圍流與對流的頻次，選擇單軸攪拌臂安裝相位角為60°.

圖1 圍流與對流結合的料流運動形式Fig.1 Mixture movement pattern by the wai flow and convective mixing flow

從單根攪拌軸上攪拌臂的相位方向與攪拌軸轉動方向的關系來看，在單根攪拌軸上同一相位角的攪拌臂排列可以有正排列或反排列兩種形式[13].其中正排列的規(guī)定是：當逆著混凝土的流動方向觀察時，攪拌裝置上攪拌臂安裝的相位方向與攪拌軸的轉向相同；若順著混凝土的流動方向看，兩者方向則相反；反之則稱為反排列.混凝土物料是以連續(xù)遞推的形式向前流動的，正排列時當?shù)谝粋€推進攪拌葉片將物料向前推動后，需要轉過一個攪拌臂安裝角后到達下一個推進葉片，同一根攪拌軸上其他的4個正推攪拌葉片需要轉過60°、180°、240°、300°才能到達返回攪拌葉片區(qū)域，完成混凝土物料的一次循環(huán).反排列時第一個推進攪拌葉片將物料向前推動后，需要轉過一個360°減去攪拌臂安裝角的角度后到達下一個推進葉片，同一根攪拌軸上其他的4個正推攪拌葉片需要轉過300°、600°、900°、1 200°才能到達返回攪拌葉片區(qū)域，完成物料的一次循環(huán).因此，當攪拌葉片數(shù)目、單軸上攪拌臂安裝相位角以及攪拌時間一定時，攪拌臂的正排列要比反排列推料快，在軸向混凝土獲得的流動次數(shù)更多.通過上述分析確定單個攪拌軸上采用60°攪拌臂正排列安裝，有利于混凝土物料獲得較多的軸向流動次數(shù).

2.2 雙軸攪拌臂的安裝相位與排列方式

雙軸攪拌臂的安裝相位是指兩個攪拌裝置在同一橫截面上攪拌臂的相位關系，可分為兩種情況：平行布置和交錯布置.設計單軸上的攪拌臂安裝相位角為60°在這個相對較小的安裝相位角，如果雙軸攪拌臂排列方式采用交錯布置時，兩個攪拌軸相鄰的攪拌葉片到達橫向交匯區(qū)的相位差最小值為30°，即兩攪拌葉片到達攪拌區(qū)的時間很接近，由于混凝土在兩根攪拌軸的橫向是逆向運動的，這樣就在攪拌交匯區(qū)域形成“堵塞”現(xiàn)象，破壞了整個攪拌筒內物料的流暢運動不利于混凝土物料的大循環(huán)流動.因此，雙軸攪拌臂排列方式采用的是兩軸正排列安裝、兩軸間平行布置的正正平行排列.

在2.1節(jié)分析中確定了單軸60°攪拌臂正排列安裝的方案，但要達到在軸端形成兩個對流區(qū)域的目的就必須考慮返回葉片與正推葉片間需要預留一定的交匯空間使得在攪拌時對流漩渦區(qū)能有空間和時間有效形成，所以只有7對攪拌葉片的情況下對攪拌葉片進行非連續(xù)排列以實現(xiàn)上訴功能，

根據(jù)前面的分析對于單軸上的7個葉片，從功能上分為5個正推葉片和2個反推葉片，兩個反推葉片需與5個正對葉片進行不連續(xù)布置，5個正推葉片中靠近軸端的2個正推葉片對應另一個攪拌軸上的是2個反推葉片，這兩個正推葉片的功能就是把另一個軸上正反推葉片形成對流漩渦區(qū)的物料重新帶入到沿軸向的圍流大循環(huán)中，因此，這2個正推葉片也需要預留對流空間與其他3個葉片進行不連續(xù)排列，軸中間3個正推葉片主要形成軸向大循環(huán)圍流；這樣7個葉片根據(jù)不同的功能分為2-3-2三組，三組間的相鄰葉片需要不連續(xù)正排列，組中的葉片連續(xù)正排列.根據(jù)上述分析確定雙軸攪拌臂的排列位置關系如圖2所示.

圖2 兩攪拌裝置的排列位置關系Fig.2 Arrangement position between the twin mixing device

依據(jù)圖2兩攪拌裝置的安裝關系，得出表1所示的兩軸各攪拌臂到達中央攪拌區(qū)域的相位角.

據(jù)表1中Ⅰ軸與Ⅱ軸上攪拌臂到達中央攪拌區(qū)域的相位關系，可以得出表2的攪拌裝置Ⅰn-Ⅱn+1的對流相位差關系.

Ⅰn-Ⅱn+1以及Ⅱn-Ⅰn-1之間的對流相位差值的關系為(Ⅰn-Ⅱn+1)+(Ⅱn-Ⅰn-1)=360°.根據(jù)表2得出表3的攪拌裝置Ⅱn-Ⅰn-1的對流相位差關系.

表1 兩攪拌軸的各攪拌臂到達中央攪拌區(qū)域的相位角/(°)

表2 Ⅰn -Ⅱn+1的對流相位差關系/(°)

表3 Ⅱn-Ⅰn-1的對流相位差關系/(°)

最終圍流與對流相結合的攪拌機的雙軸攪拌臂排列方案屬于正正平行非連續(xù)排列方案，既避免了增加返回葉片數(shù)量后在兩軸間橫向交叉區(qū)出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象，又保證攪拌裝置實現(xiàn)大循環(huán)的前提下，調整單根攪拌軸上返回攪拌臂的安裝相位角，給對流漩渦區(qū)預留了充分的交匯碰撞空間且無180°的大對流相位差，能夠實現(xiàn)雙臥軸攪拌機的高效攪拌.

2.3 攪拌葉片的安裝角度

雙臥軸攪拌機的攪拌葉片安裝角指的是攪拌軸中心線與攪拌葉片的迎料面之間所形成的銳夾角.雙臥軸強制式攪拌機在工作時，具有合理安裝角的攪拌葉片應能很好地推動混凝土物料沿攪拌筒體的軸向與橫向兩個方向上形成強烈有效的循環(huán)流動，安裝角的取值范圍一般在45～55°[14]，當葉片安裝角為45°時攪拌葉片推動物料在軸向和橫向兩個方向上的物料速度相等且均衡，因此，國內外大多數(shù)攪拌設備的攪拌葉片的安裝角常用值為45°.圍流與對流相結合的攪拌機選擇攪拌葉片的安裝角度為55°.選擇較大的攪拌葉片安裝角度，在攪拌葉片徑向速度滿足混凝土攪拌要求的前提下，攪拌葉片軸向的分速度較大，能增加混凝土在攪拌筒體內沿軸向的大循環(huán)運動頻次，這對加強對流運動的效果是有益的.

3 100 L樣機的試驗驗證

為了驗證圍流與對流相結合的攪拌機攪拌裝置布置方案的可行性，在試驗室對現(xiàn)有的100 L寬短型攪拌機把攪拌裝置改造成為圍流與對流相結合的攪拌機，并對其攪拌性能和改造之前以圍流為主的攪拌裝置的攪拌性能進行對比試驗來驗證新的設計思路的可行性和優(yōu)越性.改造前與改造后的攪拌機主要參數(shù)見表4.

表4 攪拌機的主要參數(shù)

3.1 試驗方案

為了驗證攪拌機的攪拌性能，設定在相同的材料和攪拌工藝下，測定不同的攪拌機新拌的混凝土的均勻性指標.試驗材料根據(jù)《混凝土攪拌機》GB/T9142-2000(以下簡稱國標)的規(guī)定，選取混凝土強度等級為C20，塌落度5～35 mm，水泥用32.5R普通硅酸鹽水泥，粗骨料5～25 mm碎石，中砂為細骨料，配比為：粗骨料、細骨料、水泥和水占百分比分別是53.1%、27.3%、12.8%和6.9%.試驗時先投粗骨料、細骨料和水泥，在開始攪拌后加入稱好的水，按設定的時間連續(xù)攪拌后將料卸出.為了驗證攪拌機的攪拌能力除了設定“國標”規(guī)定的35 s攪拌時間外，還進行了30 s和25 s兩個更短的攪拌時間攪拌試驗.

3.2 試驗結果分析

通過100 L樣機的攪拌試驗，在對流與圍流相結合的攪拌機進行攪拌試驗時對拌缸中物料攪拌過程進行觀察如圖3所示，由圖3可知攪拌時圍流與對流相結合的攪拌裝置把物料帶入到一種新的混凝土物料攪拌狀態(tài)，混凝土物料在兩攪拌裝置之間形成物料聚集區(qū)，并且聚集區(qū)的混凝土物料處于懸浮混合狀態(tài)；在攪拌軸軸向存在著強烈的對流流動，且在兩攪拌裝置之間存在著強烈的物料交叉運動，使混凝土在攪拌筒體內既有大圍流循環(huán)流動，又同時存在兩個對流漩渦區(qū)域，實現(xiàn)了混凝土的圍流運動形式與對流運動形式的結合有效增加了攪拌強度.

表5給出了兩種形式的攪拌機在不同攪拌時間攪拌出的新拌混凝土均勻性的試驗結果.

圖3 圍流與對流結合的混凝土流動Fig.3 The flow of concrete by the wai flow and convective mixing flow

攪拌機形式攪拌時間/s砂漿密度單位體積粗骨料質量相對誤差ΔM/%平均值MM/kg·L-1標準差σM/kg·L-1變異系數(shù)CM相對誤差ΔM/%平均值MM/kg·L-1標準差σM/kg·L-1變異系數(shù)CM圍流與對流相結合的攪拌機350.322.2710.0321.411.261.2970.0443.39300.462.2560.0421.861.481.2830.0634.91250.592.3160.0863.712.531.2840.0503.89圍流為主的攪拌機350.342.3650.0281.181.221.2780.0473.68300.632.2730.0652.864.241.3100.0644.89251.042.2430.1064.735.731.2890.0947.29

由表5可知兩種形式的攪拌機在“國標”要求的35 s攪拌時間里都能把混合料攪拌均勻，隨著攪拌時間的減少兩種攪拌機攪拌物料的砂漿密度變異系數(shù)和單位體積粗骨料質量變異系數(shù)都有不同程度的增大，表明隨著攪拌時間的減少兩種攪拌機的攪拌能力都有不同程度的下降，但以圍流為主的攪拌機砂漿密度變異系數(shù)和單位體積粗骨料質量變異系數(shù)增大幅度較快，表明以圍流為主的攪拌機縮短攪拌時間后攪拌能力在快速下降，當攪拌時間減少到25 s時以圍流為主的攪拌機砂漿密度相對誤差ΔM和單位體積粗骨料質量相對誤差ΔG都超出了“國標”的要求，混合料均勻性不合格，而圍流與對流相結合的攪拌機25 s攪拌出的混合料仍然是合格的混合料.從試驗結果可以看出圍流與對流相結合的攪拌機有更高的攪拌效率，相比普通的以圍流為主的攪拌機攪拌時間減少大約20%.

4 結論

(1)分析了形成圍流與對流結合的攪拌機料流運動的特點，確定了在攪拌葉片推移物料運動方向的軸端設置反推葉片反推物料形成兩個對流區(qū)，結合混合料在軸向大循環(huán)圍流運動基礎上形成圍流與對流相結合的料流運動形式.

(2)根據(jù)理論分析確定攪拌機拌缸為寬短型，雙攪拌軸安裝相位為平行安裝，單軸攪拌臂安裝相位角取為60°正排列非連續(xù)安裝，攪拌葉片安裝角度為55°.這種形式能使物料在軸向有更多的推攪頻次，提高圍流與對流發(fā)生的頻次，加強對流運動的劇烈程度.

(3)在100 L的攪拌機上進行驗證試驗表明采用圍流與對流結合的混凝土攪拌機，既有頻次較高的圍流循環(huán)流動，又有兩個強烈混合的對流漩渦區(qū)，有效增加了攪拌強度，實現(xiàn)了設計的初衷，攪拌時間比同類型的普通雙臥軸攪拌機減少約20%、提升了攪拌效率.

(4)如何將圍流與對流結合的攪拌機設計成果應用在大型攪拌機上需進一步研究.

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