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      一種新型混凝土攪拌主機(jī)的技術(shù)分析

      2018-06-22 06:17:50李科鋒
      建筑機(jī)械 2018年6期
      關(guān)鍵詞:攪拌機(jī)剪切螺旋

      李科鋒

      (北京建筑機(jī)械化研究院有限公司,北京 100007)

      目前市場(chǎng)上流行的強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)都不同程度存在攪拌低效區(qū)問題和水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,從而降低了混凝土的攪拌效率和攪拌質(zhì)量,造成混凝土不同程度的浪費(fèi)。這些問題的產(chǎn)生除了與攪拌工藝有關(guān)外,更與攪拌機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。為了徹底解決這些問題,通過理論分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn),最終確定了攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)原則,在此基礎(chǔ)上提出了雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)(見圖1)。通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)顯示,雙螺帶攪拌主機(jī)有著比傳統(tǒng)攪拌主機(jī)更好的攪拌性能,是適應(yīng)新時(shí)期混凝土生產(chǎn)所需的比較理想的新型攪拌主機(jī),有著廣范的市場(chǎng)前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,是混凝土攪拌站(樓)的核心技術(shù)單元。

      圖1 雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)示意圖

      1 研究背景

      隨著國(guó)家“一帶一路”、城鎮(zhèn)化推進(jìn),高速公路、高速鐵路等工程相繼開工建設(shè),給各類不同強(qiáng)度的混凝土生產(chǎn)提出了更高要求,也帶來(lái)了更加繁榮的市場(chǎng)和設(shè)備需求。特別是作為中國(guó)名片的高鐵建設(shè)更是具有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、規(guī)模大、工程艱巨、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大的特點(diǎn),需要在短期內(nèi)提供大量高性能混凝土。高鐵用混凝土多采用分次投料,要求每次投料快速達(dá)到拌合要求。傳統(tǒng)的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)一般需要150~180s才能完成1個(gè)生產(chǎn)周期,降低了正常設(shè)備的生產(chǎn)效率。因此,高鐵專用攪拌站呼喚一種新型的高性能混凝土攪拌主機(jī),雙螺帶混凝土攪拌主機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

      2 原理與結(jié)構(gòu)

      2.1 原理

      混凝土攪拌機(jī)是在傳統(tǒng)雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上,結(jié)合螺旋帶和強(qiáng)制式攪拌機(jī)的工作原理,對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)的攪拌裝置進(jìn)行了比較大的適應(yīng)性設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的一種全新的高性能混凝土攪拌機(jī)。就攪拌主機(jī)而言,主要由動(dòng)力及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、攪拌裝置(見圖2)和輔助機(jī)構(gòu)等組成。攪拌裝置作為攪拌主機(jī)的核心,其工作原理直接影響著生產(chǎn)混凝土的質(zhì)量和效率。

      圖2 攪拌裝置圖

      雙螺帶攪拌機(jī)工作原理其實(shí)就是攪拌裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理,各種組分的物料按配方比例經(jīng)過計(jì)算后進(jìn)入混凝土攪拌機(jī),物料在帶狀螺旋葉片的推動(dòng)下進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。外螺帶將物料從一端向另一段推動(dòng),內(nèi)螺帶則使物料向相反的方向運(yùn)動(dòng),里層物料被推到一側(cè)后由里向外翻滾,外層物料被推到另一側(cè)后由外向里翻滾。物料在對(duì)流過程中2股物料流相互滲透、攪拌、混合,在兩側(cè)翻滾過程中再進(jìn)行混合,這樣反復(fù)進(jìn)行多次,最后通過出料控制機(jī)構(gòu)將混合均勻后的物料從卸料門卸出。

      雙螺帶攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了被混合物料在拌筒內(nèi)的小阻力運(yùn)動(dòng)。大小旋轉(zhuǎn)螺條安裝于同一水平軸上,形成一個(gè)低動(dòng)力高效的混合環(huán)境。螺帶狀葉片一般做成雙層或3層,外層螺旋將物料從兩側(cè)向中央?yún)R集,內(nèi)層螺旋將物料從中央向兩側(cè)輸送,可使物料在流動(dòng)中形成更多的渦流,加快了混合速度,提高了混合均勻度。

      2.2 結(jié)構(gòu)

      (1)螺旋帶結(jié)構(gòu)與布置方式。

      螺旋連續(xù)式葉片結(jié)構(gòu)使物料完全運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌,使卸料速度加快,物料卸料殘留率更小。長(zhǎng)正短反結(jié)構(gòu)有效的保證了混凝土在拌筒內(nèi)的循環(huán)攪拌。大小葉片雙層攪拌使拌筒內(nèi)所有物料受到完全攪拌。葉片結(jié)構(gòu):葉片在整體上形成螺旋線,兩端刀柄結(jié)構(gòu)有效的清理拌筒邊側(cè)物料。螺旋帶葉片的布置一般為大小螺帶正反結(jié)合,由在適當(dāng)位置和兩端加裝適量數(shù)量的清理葉片組成(見圖3)。

      圖3 螺旋帶葉片的布置方式

      (2)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

      雙螺帶混凝土攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是攪拌裝置的幾何參數(shù),主要包括螺旋曲線形式、螺旋升角、攪拌臂排列形式、大小螺帶關(guān)系及拌筒長(zhǎng)寬比。結(jié)構(gòu)參數(shù)是攪拌機(jī)的重要參數(shù),決定了攪拌過程中物料的運(yùn)動(dòng)形式,對(duì)于攪拌質(zhì)量和攪拌效率有很大的影響。有關(guān)這部分的資料和內(nèi)容國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已有系統(tǒng)的闡述,本文不再累敘。

      3 同類產(chǎn)品比較與特性分析

      3.1 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較

      目前國(guó)外產(chǎn)品主要有日本石川島IHI、意大利SIMEM等少數(shù)混凝土機(jī)械企業(yè)生產(chǎn)該種系列混凝土攪拌機(jī),而德國(guó)ELBA也在其傳統(tǒng)的單臥軸軸螺帶攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上,升級(jí)生產(chǎn)雙螺帶混凝土攪拌機(jī),在結(jié)構(gòu)形式和原理上更多沿用了自己固有的核心技術(shù)。

      文中圖1即為日本石川島IHI雙臥軸單螺帶攪拌形式,即主機(jī)攪拌軸每支攪拌臂座上面只有1只長(zhǎng)攪拌臂。這樣攪拌軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,僅對(duì)混凝土進(jìn)行1次攪拌。石川島IHI的動(dòng)力和傳動(dòng)有2種形式:一是采用電機(jī)減速機(jī)和鏈條齒輪的機(jī)械傳動(dòng);二是采用電機(jī)液壓馬達(dá)形式的液壓傳動(dòng)。

      SIMEM攪拌主機(jī)是一家意大利公司,也是歐洲混凝土攪拌機(jī)械行業(yè)知名企業(yè),該公司的攪拌主機(jī)攪拌軸每支攪拌臂座上面只有2只攪拌臂,一長(zhǎng)一短,呈180°為雙臥軸雙螺帶攪拌形式。動(dòng)力和傳動(dòng)形式采用電機(jī)和專用直角減速機(jī)傳動(dòng)。

      二者的特點(diǎn)是對(duì)于骨料粒徑超過40mm時(shí),攪拌效能石川島IHI主機(jī)優(yōu)于SIMEM攪拌主機(jī),但是骨料粒徑低于40mm時(shí),SIMEM攪拌主機(jī)優(yōu)于石川島IHI主機(jī)。

      目前成套的混凝土機(jī)械憑借性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)和服務(wù)優(yōu)勢(shì),產(chǎn)品大量出口,但是在核心攪拌主機(jī)方面研究還不足,國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾家能夠生產(chǎn)大型的攪拌主機(jī),多數(shù)已購(gòu)買為主。外購(gòu)1500L以上主機(jī)配套制造的混凝土攪拌站長(zhǎng)期占據(jù)行業(yè)市場(chǎng)70%以上份額。攪拌結(jié)構(gòu)的研究諸如攪拌形式、攪拌臂、攪拌葉片的布置形式、結(jié)構(gòu)、曲面、角度等多數(shù)停留在理論方面的探討,實(shí)際應(yīng)用很少。

      本文研究的雙螺帶攪拌機(jī)由于在攪拌形式、攪拌臂、攪拌葉片的布置形式、結(jié)構(gòu)、曲面、升角等參數(shù),參照了相關(guān)的研究數(shù)據(jù),經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)修正,已經(jīng)成功完成了工業(yè)性生產(chǎn),目前已規(guī)模應(yīng)用于有關(guān)企業(yè)的國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)和銷售,產(chǎn)生了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

      3.2 特性分析

      物料的混合主要存在物理混合和化學(xué)反應(yīng),混凝土的攪拌機(jī)理就是在宏觀上完成物理混合,將不同顆粒的骨料、膠粘劑均勻分布,以便在微觀上使水泥等充分水化反應(yīng),將不同粒徑的骨料粘接在一起。

      混凝土拌和的研究,由于物料之間混合關(guān)系復(fù)雜,屬于非牛頓流體范圍,目前國(guó)內(nèi)或國(guó)際上還沒有成熟的理論指導(dǎo)。研究也先從流體物料的攪拌開始,即微觀盡可能的使物體薄層發(fā)生剪切和疊加(見圖4)。

      圖4 物料攪拌微觀圖

      剪應(yīng)力τ與速度梯度γ(du/dy)成比例,即

      其中比例常數(shù)μ為粘度。

      服從上式的為牛頓流體,不服從上式的均為非牛頓流體。濕態(tài)混凝土塌落度范圍寬,一般從塌落度值0到20以上,將其歸于賓漢姆流體進(jìn)行分析。

      賓漢姆流體屬于非牛頓流體的一種,特性通常的解釋是:在靜止?fàn)顟B(tài)下,這種流體具有一種三維結(jié)構(gòu),其堅(jiān)固程度足以經(jīng)受某一數(shù)值的剪應(yīng)力,剪應(yīng)力超過這一數(shù)值于是顯示出與牛頓流體相同的特性。該描述只能接近于攪拌結(jié)果,不能表達(dá)復(fù)雜的過程描述,但是基于該理論的實(shí)驗(yàn)卻獲得結(jié)果。

      3.3 結(jié)構(gòu)分析

      混凝土攪拌目的是使被攪拌物料達(dá)到均質(zhì)狀態(tài)。其采用的方法有3種:第一增大分散相的有效接觸面積;第二降低分散相周圍液膜的阻力;第三增大分散相的分散速度。

      以上3點(diǎn)就是對(duì)攪拌裝置的要求,其根本目的就是使被攪拌的混凝土混合料流動(dòng)起來(lái),產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)。下面分析2種混凝土攪拌裝置(見圖5)的特點(diǎn)。

      (1)增大攪拌葉片接觸概率。體現(xiàn)在攪拌臂和葉片的布置形式上,上面的一種物料在斷續(xù)葉片的作用下,接觸葉片的范圍內(nèi)剪切效果好,沒有接觸部分靠葉片給予的力推動(dòng)物料之間進(jìn)行滑移產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。由于物料屬于賓漢姆流體,其特性是經(jīng)受某一數(shù)值的剪應(yīng)力才發(fā)生流動(dòng)現(xiàn)象。相比較下面的連續(xù)螺帶式攪拌同樣效果,接觸葉片的范圍內(nèi)剪切效果好,沒有接觸部分靠葉片給予的力推動(dòng)物料之間進(jìn)行滑移產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。但連續(xù)葉片施加給物料的接觸范圍要遠(yuǎn)較斷續(xù)葉片大,從而增加里物料與攪拌葉片直接接觸并發(fā)生強(qiáng)制作用的機(jī)會(huì),提高攪拌質(zhì)量和效果。因此在這方面連續(xù)式的作用優(yōu)于斷續(xù)式葉片的布置形式。

      (2)增加物料流動(dòng)能力。對(duì)于1500L以上的攪拌主機(jī),由于攪拌桶容積較大,而物料的投料是局部大量,不是灑布的形式,如想提高攪拌效果,必須要求物料快速在攪拌桶內(nèi)流動(dòng)起來(lái),才有機(jī)會(huì)產(chǎn)生更好的擴(kuò)散作用。連續(xù)葉片,內(nèi)外強(qiáng)制進(jìn)給螺旋比斷續(xù)單臂布置具有更強(qiáng)力的推動(dòng)作用,物料流動(dòng)能力更強(qiáng),提高物料動(dòng)態(tài)混合能力,更適應(yīng)大容量主機(jī)。

      (3)物料流之間的剪切加大。由于有連續(xù)葉片兩軸的正反螺旋布置,使得在兩螺旋之間的物料流產(chǎn)生更劇烈的剪切效果。斷續(xù)葉片主要實(shí)現(xiàn)垂直于攪拌軸方向的剪切效果,連續(xù)螺旋葉片完成兩軸之間的物料剪切,由螺旋斷接處產(chǎn)生逆流差,實(shí)現(xiàn)垂直于攪拌軸方向的剪切效果。這是斷續(xù)葉片不能夠?qū)崿F(xiàn)的,是二者之間的最大差別。

      經(jīng)過以上分析和實(shí)踐檢驗(yàn)以2000L容量的攪拌機(jī)為例,同種高性能混凝土其攪拌時(shí)間較普通攪拌主機(jī)縮短20%~25%,攪拌功耗降低10%~15%。

      (4)葉片抗磨損能力更強(qiáng)。連續(xù)葉片在攪拌時(shí)物料從葉片表面和葉片內(nèi)弧部分流過,使葉片表面和內(nèi)弧產(chǎn)生磨損。斷續(xù)葉片在攪拌時(shí)物料也從葉片表面流過,并且物料從葉片的兩側(cè)和內(nèi)弧流過,對(duì)葉片四邊產(chǎn)生磨損。二者磨損最劇烈處均在葉片與攪拌桶襯板結(jié)合部,所以控制好葉片與襯板的間隙是二者共同的部分。由于斷續(xù)葉片還要磨損兩側(cè),這樣必然加劇攪拌葉片外弧線與兩側(cè)角部的磨損,致使葉片角部外弧與攪拌桶襯板間隙加大,加劇葉片磨損,使葉片壽命降低。而連續(xù)葉片不存在這樣的問題,只要調(diào)整好外弧與攪拌桶襯板之間的間隙就可以了。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,上述結(jié)論是正確的。

      雙螺旋強(qiáng)制式攪拌葉片攪拌8萬(wàn)m3C30和C35混凝土比普通強(qiáng)制式攪拌葉片攪拌4萬(wàn)m3C30和C35混凝土后攪拌葉片磨損程度明顯要輕,前者在外弧線處有耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐磨層。

      (5)螺帶式葉片的抗沖擊能力比斷續(xù)葉片低。由于結(jié)構(gòu)的原因,連續(xù)葉片的表面積比斷續(xù)葉片大,對(duì)于大粒徑骨料的抗沖擊和抗破碎能力低。

      可通過以下方法處理:結(jié)構(gòu)方面,加大在攪拌臂與連續(xù)葉片的接觸面積;制訂葉片回火韌性較斷續(xù)葉片略高的熱處理工藝。正反雙螺帶之間間距原因,對(duì)于攪拌60mm以上粒徑骨料會(huì)使電機(jī)負(fù)荷較大。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      通過對(duì)于2種不同形式混凝土攪拌機(jī)攪拌裝置的原理、結(jié)構(gòu)、使用情況的比較、分析、研究和總結(jié),可以得出雙螺帶混凝土攪拌機(jī)與傳統(tǒng)混凝土攪拌機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

      (1)雙螺帶混凝土攪拌機(jī)強(qiáng)化了混凝土組分物料的軸向和徑向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和對(duì)流運(yùn)動(dòng),有效消除了攪拌低效區(qū)的影響,明顯提高了混凝土攪拌質(zhì)量和效率,提高了設(shè)備的使用壽命。

      (2)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)也反映出雙螺帶葉片攪拌的物料不僅宏觀均質(zhì)性好,而且微觀均質(zhì)性也得到了很大改善。

      但同時(shí)在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)雙螺帶攪拌機(jī)也存在需要進(jìn)一步改進(jìn)、提高的方面:(1)由于軸向力加大,致使攪拌機(jī)軸端軸承承受攪拌的軸向力,縮短了其使用壽命。(2)對(duì)于攪拌裝置間的物料合理返流需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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