路面缺陷及病害養(yǎng)護(hù)車旋轉(zhuǎn)葉片力學(xué)及流場(chǎng)仿真*

鄧紅偉，單益斌

(甘肅(武威)國(guó)際陸港管委會(huì)，甘肅 武威 733000)

0 引 言

隨著“十二五”、“十三五”期間我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，各級(jí)公路建設(shè)步入高速發(fā)展時(shí)期，高等級(jí)、高質(zhì)量公路的不斷投資建設(shè)運(yùn)行，對(duì)公路路面的養(yǎng)護(hù)隨之劇增，各種養(yǎng)護(hù)機(jī)械的需求也越來(lái)越大[1]。能夠能實(shí)現(xiàn)“到位-修補(bǔ)-攤鋪-壓實(shí)-轉(zhuǎn)移-就地再生”的多功能養(yǎng)護(hù)要求的路面缺陷及病害養(yǎng)護(hù)機(jī)械和設(shè)備得到市場(chǎng)廣泛應(yīng)用，這也標(biāo)志著我國(guó)道路維護(hù)和保養(yǎng)逐步邁入養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)代化。綜合國(guó)內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)械廠家，結(jié)合綠色環(huán)保、減小污染、節(jié)約能源回收利用的環(huán)境理念，高效快速、安全智能的發(fā)展方向。

筆者所研究的養(yǎng)護(hù)車在保證對(duì)路面缺陷及病害快速修復(fù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)養(yǎng)護(hù)車的關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)式料倉(cāng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)移修復(fù)、就地回收廢舊瀝青混合料、就地?zé)岣哔|(zhì)量再生的要求，這對(duì)于與滾筒式料倉(cāng)的開(kāi)發(fā)具有重要的工程參考及應(yīng)用價(jià)值，對(duì)改進(jìn)我國(guó)多數(shù)公路養(yǎng)護(hù)任務(wù)繁重、交通量巨大、養(yǎng)護(hù)機(jī)制不成熟的狀況十分有意義。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)總體的設(shè)計(jì)方案

轉(zhuǎn)動(dòng)式料倉(cāng)：對(duì)新舊料進(jìn)行運(yùn)輸、保溫、均勻攪拌，順利實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出料[2]。論文根據(jù)常見(jiàn)養(yǎng)護(hù)車如香港英達(dá)科技公司的PM500-48-TRK熱再生綜合養(yǎng)護(hù)車、鞍山森遠(yuǎn)路橋股份有限公司的AD5150TLX瀝青混合料再生修補(bǔ)車、辛美來(lái)亞科技實(shí)業(yè)有限公司的CLYB-2000Ⅳ瀝青路面熱補(bǔ)車的設(shè)計(jì)，先行選定參數(shù)如下，料倉(cāng)總體方案如圖1所示。

圖1 料倉(cāng)總體方案圖

料倉(cāng)倉(cāng)體結(jié)構(gòu)：相對(duì)于傳統(tǒng)的固定式料倉(cāng)，旋轉(zhuǎn)式料倉(cāng)不僅具有加熱保溫功能，而且可以將回收的舊瀝青混合料經(jīng)添加料后在倉(cāng)體內(nèi)攪拌，因此本論文的料倉(cāng)結(jié)構(gòu)選擇旋轉(zhuǎn)式(滾筒式)。通過(guò)比較幾種常見(jiàn)養(yǎng)護(hù)車料倉(cāng)的容積，先行確定轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)式料倉(cāng)，正轉(zhuǎn)進(jìn)料，反轉(zhuǎn)出料，料倉(cāng)容積為1.3 m3。

料倉(cāng)加熱板：均勻地對(duì)冷料、舊料、再回收料等加熱攪拌，加熱溫度易于控制調(diào)節(jié)。加熱板采用熱輻射弧形加熱板，布置在汽車底盤(pán)上，通過(guò)改變加熱板加熱面積或者調(diào)節(jié)弧形加熱板和轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)間的距離、改變倉(cāng)體的受熱面積及強(qiáng)度，完成對(duì)料的加熱調(diào)節(jié)。

料倉(cāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：該車選用“液壓+機(jī)械”方式驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是利用液壓傳動(dòng)易于控制，通過(guò)液壓傳動(dòng)部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速和控制。

料倉(cāng)支撐架：轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)是以前端支撐架的軸為回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

2.1 料倉(cāng)的設(shè)計(jì)

料倉(cāng)采用旋轉(zhuǎn)式，倉(cāng)體形狀采用常用的滾筒式，料倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 倉(cāng)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在養(yǎng)護(hù)車對(duì)路面的整個(gè)修補(bǔ)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)對(duì)運(yùn)輸?shù)幕旌狭霞盎厥盏呐f混合料起到存儲(chǔ)運(yùn)輸、加熱保溫、均勻攪拌、進(jìn)出料順滑的作用，還可實(shí)現(xiàn)將回收的舊料在倉(cāng)體內(nèi)和新料混合的攪拌。料倉(cāng)正轉(zhuǎn)(攪拌進(jìn)料)：2 r/min；料倉(cāng)反轉(zhuǎn)(出料)：5 r/min，料倉(cāng)模型如3圖所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)模型圖

料倉(cāng)在底盤(pán)上的傾斜角度影響攪拌效率、出料性能、有效裝載量、載荷均勻性。螺旋葉片螺旋升角影響攪拌效率、出料性能。螺距影響螺旋葉片傾斜角度、底盤(pán)、長(zhǎng)度、有效裝載容量。料倉(cāng)出口直徑：影響出料速度、有效裝載容量。在此確定料倉(cāng)在底盤(pán)傾斜角度為0°，葉片的螺旋(旋轉(zhuǎn))升角先行選為25°[3]，倉(cāng)體螺距的大小為2.438 m，旋轉(zhuǎn)料倉(cāng)內(nèi)壁直徑為1.454 m，出口處直徑為0.77 m。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)容積的計(jì)算

轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算包括轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)容積幾何尺寸的計(jì)算等。

從轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)可以看出，最大容積由圖4中圓柱體容積V1和圓錐體容積V2兩部分構(gòu)成[4]，圖5為圓柱段的截面圖。

圖4 料倉(cāng)容積計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 料倉(cāng)圓柱段截面

攪拌瀝青混合料時(shí)主要集中在圓柱體部分，圓錐體部分主要是為了順利完成攪拌進(jìn)料和出料，轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的實(shí)際最大容積為：V=V1+V2，由旋轉(zhuǎn)滾筒料倉(cāng)結(jié)構(gòu)可得到料倉(cāng)容積的理論公式：V1=0.3πr22h2/4。圓錐體部分:

式中：h1為料倉(cāng)圓柱段軸線方向長(zhǎng)度，取2.55 m；h2為圓錐段軸向方向長(zhǎng)度，取0.3 m；r1為料倉(cāng)內(nèi)殼內(nèi)徑，取0.727 m；r2為出料口處料倉(cāng)的外徑，取0.385 m；θ為扇形圓心角用弧度表示，計(jì)算得2.02；LBC為扇形段弦長(zhǎng)，取1.233 m。將數(shù)值代入，得出V≈1.3 m3。在此取瀝青混合料的參數(shù)為：ρ=2 400 kg/m3，c=1 685 J(kg·℃)，得出倉(cāng)內(nèi)的瀝青混合料最大裝載質(zhì)量為3 120 kg。

3 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)葉片設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析

3.1 葉片的設(shè)計(jì)

葉片是轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)關(guān)鍵的部件，使用要求有：①滿足在熱瀝青混合料100～180 ℃的環(huán)境下耐磨；②彎曲截面葉片磨損小攪拌好但難于加工，平直截面葉片出料性能好；③葉片多段連接時(shí)平滑過(guò)渡，焊縫處理平整無(wú)死角，使得葉片攪拌性能好，避免料離析[5]。

圖6 葉片形狀

通過(guò)分析葉片的使用及設(shè)計(jì)要求，葉片采用平直截面、三個(gè)旋向相同互相交錯(cuò)、互錯(cuò)120°布置、25°的螺旋升角、葉片高度為0.2 m的設(shè)計(jì)方案[4]。

3.2 瀝青混合料模型假設(shè)

混合料在倉(cāng)體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，可簡(jiǎn)化成料垂直于料倉(cāng)軸線的平面運(yùn)動(dòng)、以料倉(cāng)中心軸的周向運(yùn)動(dòng)以及沿料倉(cāng)軸向的直線運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。分析時(shí)主要作如下假設(shè)：①混合料是密度均勻、運(yùn)動(dòng)連續(xù)且穩(wěn)定的質(zhì)點(diǎn)系；②在軸線、周向、法向三個(gè)方向，運(yùn)動(dòng)是連續(xù)、穩(wěn)定的；③混合料在料倉(cāng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿螺旋葉片的螺旋方向(料倉(cāng)的軸線方向)，混合料和葉片之間的受力是連續(xù)的。

3.3 瀝青混合料的運(yùn)動(dòng)及葉片受力分析[3,4,9]

式中:n為料倉(cāng)轉(zhuǎn)速，r/min；r為螺旋葉片在r處線速度，m/s；ω為料倉(cāng)的角速度，rad/s。在n與r已知的情況下，可求出V1的大小，可以算出Vrx與Vry的關(guān)系，數(shù)值大小在受力分析中確定，如圖7所示。

圖7 葉片半徑r處速度分析圖 圖8 螺旋葉片某一點(diǎn)受力圖

依據(jù)混合料的模型假設(shè)，料的運(yùn)動(dòng)分為周向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)[4,6]：

周向：此方向上的動(dòng)力為倉(cāng)體受驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的周向推力，葉片接觸面和混合料產(chǎn)生的摩擦力，兩者等效為葉片的周向推力。動(dòng)阻力主要包含混合料的自重力形成的周向流動(dòng)阻力和倉(cāng)體上流層的周向剪切力。如圖8所示[7]，對(duì)半徑r處微元流層dr進(jìn)行力學(xué)分析。

軸向：此方向上的動(dòng)力為倉(cāng)體受驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的軸向推力。動(dòng)阻力主要包含倉(cāng)體的反推力、倉(cāng)體內(nèi)壁和葉片對(duì)混合料的軸向摩擦力以及倉(cāng)體上流層的軸向剪切力。

dF為螺旋葉片受到的推力[3]，從兩個(gè)方向分解為周向推力dF2和軸向推力dF1；dF1為葉片對(duì)料的軸向推力；dF2為葉片對(duì)料的周向推力；dP1為葉片受到的軸向流動(dòng)阻力；dP2為葉片受到的周向流動(dòng)阻力。軸向流動(dòng)阻力dP1：經(jīng)時(shí)間t后，微元流層dQ1流過(guò)的混合料質(zhì)量m1：m1=ρ·dQ1·t，ρ為混合料密度；dQ1為微元流層dr處的軸向微流量，表達(dá)式：dQ1=vrx·dA1=(α2-α1)·r·vrx·dr。

根據(jù)動(dòng)量定律：Ft=m·Δv，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，軸向流動(dòng)阻力dP1可表達(dá)為：dP1=ρ·dQ1·Δv，若假定從零時(shí)刻開(kāi)始，Δv的大小即為Vrx的大小。帶入可得：dP1=ρ·(α2-α1)·r·vrx2dr。周向流動(dòng)阻力dP2：周向流動(dòng)阻力指周向微元流層在料倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于自重力而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。微元流層在微元dα處重力產(chǎn)生的周向流動(dòng)阻力：

葉片與混合料的接觸點(diǎn)dr處在周向動(dòng)量方程：

dF2-dP2=ρ·dQ2·vry

在軸向動(dòng)量定理方程：

dF1-dP1=ρ·dQ1·vrx

3.4 螺旋葉片的力學(xué)分析模型

依照葉片參數(shù)，建立分析模型，將其導(dǎo)入ANSYSWorkbench軟件中[9]。

(1)定義材料：葉片的材料選常用的Q235鋼，抗拉強(qiáng)度為375 MPa。

(2)劃分網(wǎng)格：劃分尺寸中選“fine”，劃分方式定為“Mechanical”，子選項(xiàng)選為“Standard Mechanical”，其他選項(xiàng)不變，后選擇自由網(wǎng)格劃分模式，劃分網(wǎng)格后如圖9所示，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格元素?cái)?shù)21 935個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)48 175個(gè)。

圖9 螺旋葉片模型劃分網(wǎng)格圖

(3)施加約束和載荷：由前節(jié)對(duì)葉片的受力分析，可計(jì)算得出其承受最大載荷時(shí)的工況和受力情況。在前面的第3節(jié)中，轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的最大的轉(zhuǎn)速為5 r/min=0.083 r/s=0.52 rad/s，轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的最大載質(zhì)量為3 120 kg，計(jì)算出葉片的軸向受力F1max≈3.53×105N，周向方向的受力F2max≈2.03×105N。計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的載荷大小，并加載約束條件，如圖10所示。

圖10 對(duì)葉片約束和加載條件

時(shí)間設(shè)定為4 s，循環(huán)10次，得出安全系數(shù)云圖11，最不安全處最大分布在轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的圓柱段葉片和圓錐段葉片連接處。從總體變形圖12及定向變形圖13可看出，葉片最大變形量很小。

圖11 安全系數(shù)云圖(safety factor)

圖12 總變形圖

圖13 定向變形圖

4 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析

4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)理論分析假設(shè)

混合料在攪拌時(shí)的模型極為復(fù)雜，在流場(chǎng)仿真時(shí)，先做如下的假設(shè)簡(jiǎn)化：①料是不可壓縮流體且在受力后極易變形，運(yùn)輸、加熱、攪拌時(shí)的密度、粘度等物理性質(zhì)恒定；②倉(cāng)體內(nèi)部為溫度、流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特性都穩(wěn)定的流場(chǎng)；③料攪拌時(shí)多相流模型，假設(shè)只有瀝青混合料和空氣充滿轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)。

4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)瀝青混合料速度的計(jì)算

通過(guò)對(duì)葉片軸向受力和周向受力的分析，料的速度與轉(zhuǎn)倉(cāng)軸線方向的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)壁的半徑、混合料的密度、螺旋升角等因素有關(guān)。由于螺旋升角影響因子較大，在此假設(shè)其他參數(shù)一定螺旋升角不同的情況進(jìn)行分析，在此選螺旋升角為α=25°、α=28°、α=30°進(jìn)行分析。

4.3 建立轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)幾何流道模型及其分析

在前面將瀝青混合料假設(shè)為不可壓縮的牛頓流體，所以用分離式求解器求解。轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)的計(jì)算流道非常復(fù)雜，因此在對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)流道進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，選用的模型必須保證計(jì)算精度高、穩(wěn)定性好、收斂速度快速，在反映轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)情況時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型完全能滿足要求的精確度。定義材料的密度為ρ=2 400 kg/m3，粘度為103 Pa·s。料倉(cāng)的轉(zhuǎn)速5 r/min，轉(zhuǎn)速方向與進(jìn)料(正轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)速方向一致。

4.4 瀝青混合料在分界面及軸向平均速度分析

利用流體分析軟件ANSYSWorkBench對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。主要分析了料倉(cāng)內(nèi)部瀝青混合料在分界面及軸向方向的速度矢量場(chǎng)、流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡。

圖13即為瀝青混合料進(jìn)入料倉(cāng)后的流體速度軌跡分布圖，料倉(cāng)靠近內(nèi)卡處的線速度最大，料倉(cāng)軸線處流道上的速度依次減小[10]。

圖14 線速度軌跡線分布

從表1中得出，隨著螺旋升角θ的增大，倉(cāng)體分界面和軸向平均速度都隨之增大，料倉(cāng)圓錐段低速分布區(qū)域面積逐漸增大，攪拌效率越好。出料時(shí)，隨著螺旋升角θ的增大，分界面和軸向平均速度都隨之減小，由此可知料倉(cāng)的出料能力依次減弱[8]。論文分析了θ分別為25°、28°、30°的情況，經(jīng)綜合比較分析，根據(jù)設(shè)計(jì)要求同時(shí)兼顧攪拌性能與出料效率，從三個(gè)角度中取優(yōu)化值為28°。

表1 瀝青混合料進(jìn)入料倉(cāng)后的流體線速度分布

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立路面缺陷及病害養(yǎng)護(hù)車旋轉(zhuǎn)料倉(cāng)和其他部件的模型，先行確定其他部件參數(shù)，對(duì)養(yǎng)護(hù)車的關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)式料倉(cāng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片的受力分析，建立葉片的施加載荷和受力的模型，利用ANSYSWorkbench軟件，形成最大變形云圖及安全系數(shù)圖。分別分析影響轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)攪拌進(jìn)料和出料的主要因素，選用平直葉片截面形狀的螺旋葉片，螺旋升角為25°，料倉(cāng)在底盤(pán)水平放置，無(wú)斜置角度。在分析瀝青混合料在轉(zhuǎn)動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/e、SolidWorks、ANSYSWorkbench等軟件對(duì)混合料進(jìn)行流場(chǎng)仿真。當(dāng)螺旋升角α=25°、α=28°、α=30°時(shí)，隨著螺旋升角的增大，螺旋葉片的攪拌效率提高，出料效率降低。兼顧攪拌性能與出料性能，得出葉片螺旋升角的優(yōu)化值，即螺旋升角取為α=28°，研究成果對(duì)路面缺陷及病害養(yǎng)護(hù)車技術(shù)的進(jìn)步與滾筒式料倉(cāng)的開(kāi)發(fā)具有重要的工程參考及應(yīng)用價(jià)值。