連續(xù)式復(fù)拌器結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

李忠玉，李志勇，，仙 凱，左獻(xiàn)寶，張 慶，劉廷國(guó)

（1.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司研究中心，河南新鄉(xiāng) 453003；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064）

《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》實(shí)施，標(biāo)志著公路養(yǎng)護(hù)高質(zhì)量發(fā)展成為大勢(shì)所趨。當(dāng)許多國(guó)家的公路建設(shè)發(fā)展到一定階段后，不可避免地對(duì)廢舊瀝青混合料回收利用提出要求。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代后，廢舊瀝青混合料的回收利用已經(jīng)成為美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的燃眉之急。連續(xù)式攪拌工藝以及連續(xù)式攪拌設(shè)備在國(guó)外經(jīng)歷了多年的發(fā)展及改進(jìn)升級(jí)，其已經(jīng)成為一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。以美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，20世紀(jì)90 年代初連續(xù)式滾筒攪拌設(shè)備的年銷售量已占其國(guó)內(nèi)總銷售量的95%以上［1］。目前，攪拌技術(shù)研究主要集中在間歇式以及連續(xù)式滾筒攪拌［2］。就地復(fù)拌機(jī)作為實(shí)現(xiàn)瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)的一部分，在高速公路的修建和保養(yǎng)過(guò)程中起到攪拌物料的作用，為后續(xù)路面攤鋪提供保障。攪拌系統(tǒng)是就地復(fù)拌機(jī)的重要組成部分，其主體為連續(xù)式復(fù)拌器，起著對(duì)物料攪拌和輸送作用。因連續(xù)式設(shè)備具有連續(xù)出料、節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)［1-2］，同時(shí)連續(xù)式復(fù)拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響物料混合效果，進(jìn)而影響施工質(zhì)量。因此需要設(shè)計(jì)合理的連續(xù)式復(fù)拌器參數(shù)，保證攤鋪混合料時(shí)滿足施工要求。對(duì)于目前攪拌器參數(shù)研究成果較多［3-9］，并且種類多樣，比如MOH（multiplex organic hydraulicity）材料攪拌器、水泥混凝土攪拌器、連續(xù)式穩(wěn)定土攪拌器等，MOH 材料攪拌器與穩(wěn)定土攪拌器是連續(xù)式設(shè)備，但MOH 材料、穩(wěn)定土與瀝青料材料特性不同，且使用工況大為不同，而水泥混凝土攪拌器多為間歇式，作業(yè)工況不符合就地復(fù)拌機(jī)的作業(yè)需求。上述幾種攪拌器的參數(shù)設(shè)計(jì)和研究成果均不能完全照搬使用，因此需要設(shè)計(jì)適合就地復(fù)拌機(jī)作業(yè)工況的攪拌設(shè)備，為就地復(fù)拌機(jī)復(fù)拌器產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 不同因素對(duì)連續(xù)式復(fù)拌器攪拌過(guò)程影響的分析

1.1 葉片安裝角對(duì)攪拌過(guò)程影響的分析

攪拌葉片的有效攪拌面積是影響攪拌效果的重要因素，攪拌葉片有效攪拌面積對(duì)促進(jìn)物料在連續(xù)式復(fù)拌器中運(yùn)動(dòng)有著非常重要的影響，葉片面積過(guò)小，會(huì)削弱混合料間的相互作用，使混合料達(dá)均勻的時(shí)間增長(zhǎng)［10］；如果攪拌葉片面積過(guò)大，不但會(huì)增加功耗，而且會(huì)減小連續(xù)式復(fù)拌器的有效攪拌空間，進(jìn)而影響攪拌性能。攪拌葉片安裝角是指葉片有效作用面在空間相對(duì)于攪拌軸和攪拌臂的設(shè)計(jì)角度，當(dāng)安裝角過(guò)小時(shí)，葉片主要帶動(dòng)瀝青混合料繞攪拌軸周向運(yùn)動(dòng)，缺乏軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)攪拌軸取值為0°時(shí)（見(jiàn)圖1（a）），攪拌葉片成為與攪拌軸平行的平板，此時(shí)攪拌葉片只推動(dòng)瀝青混合料沿固定的弧線繞攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌質(zhì)量不會(huì)隨攪拌時(shí)間有太大變化［11］。軸向安裝角過(guò)大時(shí)，葉片就會(huì)像螺旋式一樣推動(dòng)混合料沿周向做大幅度運(yùn)動(dòng)，軸向運(yùn)動(dòng)則會(huì)偏小，混合料仍不能進(jìn)行大幅度軸向運(yùn)動(dòng)，極限位置葉片安裝角為90°時(shí)（見(jiàn)圖1（b）），葉片和攪拌軸間相互垂直，攪拌葉片對(duì)混合料只會(huì)起到切割作用，攪拌效果不會(huì)改善［12］。經(jīng)上述分析，葉片與攪拌軸中心形成一定角度值是很必要的。而不合理的安裝角，對(duì)提高混合料均勻性沒(méi)有作用，安裝角的選擇需要保證周向和軸向方向混合料都可以有充足的運(yùn)動(dòng)［13］。

圖1 葉片安裝角Fig.1 Diagram of installation angle of flights

1.2 攪拌葉片線速度對(duì)攪拌過(guò)程影響的分析

連續(xù)式復(fù)拌器在正常施工時(shí)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片對(duì)物料起到攪拌作用。葉片最大線速度來(lái)自攪拌葉片的端部［14］，如圖2所示的葉片線速度梯度分布。在沿著半徑方向移動(dòng)時(shí)，線速度呈w倍速增加，即葉片線速度存在著速度梯度。

圖2 攪拌葉片的線速度梯度分布Fig.2 Linear velocity gradient distribution of mixing blade

攪拌葉片線速度大小將直接影響物料的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)攪拌葉片的線速度設(shè)置較小時(shí)，瀝青混合料的軸向和周向運(yùn)動(dòng)將減弱，物料攪拌不激烈，降低了攪拌效率［15］，適當(dāng)提高攪拌葉片線速度不僅可以促進(jìn)瀝青混合料的對(duì)流運(yùn)動(dòng)以及剪切運(yùn)動(dòng)，而且還可以提高生產(chǎn)效率。但當(dāng)攪拌葉片線速度過(guò)大時(shí)，瀝青混合料的離心力就會(huì)很大。物料受到的離心力大于它所受到的摩擦力，骨料之間由于粒徑的不同會(huì)導(dǎo)致不同的慣性力和速度，嚴(yán)重的情況下甩出骨料造成分離狀況。攪拌軸的線速度和物料攪拌質(zhì)量具有密不可分的聯(lián)系，合理的線速度對(duì)于充分發(fā)揮連續(xù)式復(fù)拌器的工作性能以及提高工作效率具有重要價(jià)值。

2 連續(xù)式復(fù)拌器參數(shù)設(shè)計(jì)

連續(xù)式復(fù)拌器是就地復(fù)拌機(jī)上的重要裝置，其攪拌效果直接決定復(fù)拌機(jī)的工作性能。而合適的參數(shù)不但能滿足穩(wěn)定的出料量要求，而且能提高物料均勻性。

2.1 葉片安裝角

分析某時(shí)刻單個(gè)混合料在攪拌葉片上的受力情況，如圖3 所示?；旌狭纤艿牧ΠㄝS向力以及切向力，軸向力是使混合料沿著攪拌軸軸向方向運(yùn)動(dòng)的力，而切向力是使混合料沿周向運(yùn)動(dòng)的力。為使物料能夠軸向運(yùn)動(dòng)，混合料所受的軸向力要比摩擦力大，即

圖3 混合料單體受力Fig.3 Body diagram of mixture

式中：α為葉片安裝角；F為垂直于葉片表面的力；μ為摩擦系數(shù)，值取0.57。

將上述值代入式（1），可得α≥29.7°。

攪拌葉片安裝角在0～90°，理論上當(dāng)物料軸向運(yùn)動(dòng)和周向運(yùn)動(dòng)都達(dá)到最大值時(shí)，攪拌效果最好，通常選45°為分界點(diǎn)，攪拌葉片安裝角度為29.7°～45°。

2.2 攪拌線速度

為使葉片端部的圓周速度利于“沸騰層”的形成，同時(shí)，保證物料在縱向及橫向方向上能夠獲得最佳的循環(huán)攪拌。當(dāng)呈現(xiàn)“沸騰”層時(shí)，攪拌葉片線速度的最大值要保證攪拌過(guò)程中物料不會(huì)出現(xiàn)打頂現(xiàn)象，因此，線速度的最大值應(yīng)根據(jù)攪拌軸軸線與頂端加熱墻間的距離h決定［16］。通常h設(shè)置成1.1R～1.2R，由于在缸體上有加熱裝置，為保證加熱裝置安全，設(shè)置h為1.4R～1.6R，本次取1.5R。假設(shè)自由運(yùn)動(dòng)的瀝青混合料只受重力影響，則v1為

據(jù)先前研究R為0.303 m，代入式（2）中可得v1=3.0 m/s。

另一種計(jì)算方法就是當(dāng)混合料從被壓到松開(kāi)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿足

式中：f為摩擦系數(shù)；θ為混合料下滑角；g為重力加速度；R為攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)半徑。

瀝青混合料與缸體的摩擦系數(shù)f取值為0.58，重力加速度g取值為9.81 m/s2，葉片軸向角此時(shí)取α為35°，通?；旌狭匣铅葹?2°～75°之間，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)取值為75°，經(jīng)計(jì)算得v1≥1.8 m/s。

參考不同攪拌器攪拌葉片的線速度（見(jiàn)表1），取線速度范圍為1.8～3.0 m/s，相對(duì)應(yīng)的攪拌軸轉(zhuǎn)速為56～95 r/min。

表1 不同攪拌器線速度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of linear velocity of different mixers

2.3 雙軸攪拌葉片相位角及排列方式

連續(xù)式復(fù)拌器采用的是雙臥軸攪拌方案，單純的考慮一根軸上攪拌葉片及排列方式，顯然是非常的不全面，同時(shí)不同的布置方式會(huì)對(duì)物料的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的影響［17］。雙臥軸上攪拌臂多采用正正排列形式，有利于軸向大循環(huán)的工作效率［18］。復(fù)拌器是對(duì)稱雙臥軸結(jié)構(gòu)，按照正正排列90°相位角的交錯(cuò)布置方式，如圖4 所示。攪拌葉片每旋轉(zhuǎn)360°即旋轉(zhuǎn)一周。混合料從左至右移動(dòng)時(shí)，對(duì)于螺旋線1 布置的1-1-1攪拌葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到180°時(shí)，正好進(jìn)入主攪拌區(qū)，2-1-1攪拌葉片則需要轉(zhuǎn)動(dòng)270°即1-1-1與2-1-1 攪拌葉片之間相差90°。同理1-1-2 與2-1-2、1-1-3與2-1-3、1-1-4與2-1-4等攪拌葉片之間的相位角同時(shí)也相差90°。螺旋線2布置形式來(lái)看，攪拌葉片1-2-1在轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°時(shí)，便進(jìn)入了主攪拌區(qū)域，同時(shí)，攪拌葉片2-2-1則需要轉(zhuǎn)動(dòng)90°才能進(jìn)入主攪拌區(qū)即1-2-1與2-2-1攪拌葉片之間相位角相差90°，同理1-2-2 與2-2-2、1-2-3 與2-2-3、1-2-4 與2-2-4 等攪拌葉片之間的相位角同時(shí)也相差90°。

圖4 90°相位角排列結(jié)構(gòu)Fig.4 Arrangement of phase angle 90°

3 EDEM仿真模型建立

3.1 全局參數(shù)設(shè)置

EDEM 全局參數(shù)主要包括：本征參數(shù)和接觸參數(shù)。本征參數(shù)包括泊松比、剪切模量和密度，接觸參數(shù)包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。仿真中的具體參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 材料屬性Tab.2 Intrinsic properties of materials

表3 材料接觸屬性Tab.3 Contact properties of materials

3.2 顆粒工廠及運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

顆粒工廠的功能是產(chǎn)生顆粒，其主要設(shè)置顆粒生產(chǎn)速率和生產(chǎn)總量。顆粒工廠位置的設(shè)置如圖5所示，本文采用的是平面顆粒工廠，為了能夠快速生成所需要的物料，分為4 種不同位置，每一種位置代表著一類顆粒的生成，40 mm 和30 mm 的粒徑是被應(yīng)用。

圖5 顆粒工廠排布Fig.5 Layout of particle factory

連續(xù)式復(fù)拌器三維模型導(dǎo)入EDEM軟件后，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件添加運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速大小，攪拌軸間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 攪拌軸間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系Fig.6 Motion relationship between mixing shafts

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 不同攪拌軸轉(zhuǎn)速下攪拌效果分析

葉片軸向安裝角為35°時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)物料軸向速度的影響顯示見(jiàn)表4。攪拌軸轉(zhuǎn)速為95 r/min 時(shí)，軸向速度為0.234 m/s；而當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速為65 r/min時(shí)，軸向速度達(dá)到了0.146 m/s，可見(jiàn)顆粒的軸向速度受攪拌軸轉(zhuǎn)速影響大。

表4 攪拌時(shí)間數(shù)據(jù)表Tab.4 Data sheet of mixing time

4.2 不同葉片安裝角攪拌效果分析

攪拌軸轉(zhuǎn)速為85 r/min 時(shí)，不同葉片安裝角對(duì)物料軸向速度的影響顯示，見(jiàn)表5。當(dāng)攪拌葉片安裝角逐漸增大時(shí)，攪拌時(shí)間隨之減小；當(dāng)在葉片安裝角從40°增加至45°時(shí)，攪拌時(shí)間變長(zhǎng)，攪拌軸向速度減小。但整體軸向差異不大，可見(jiàn)葉片安裝角對(duì)物料軸向速度的影響較小。

表5 攪拌時(shí)間數(shù)據(jù)Tab.5 Mixing time data

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)測(cè)定連續(xù)式復(fù)拌器裝置的攪拌時(shí)間，判斷連續(xù)式復(fù)拌器參數(shù)的理論研究與建模仿真的正確性。連續(xù)式復(fù)拌器裝置，如圖7 所示，采用定量泵雙定量馬達(dá)的開(kāi)式系統(tǒng)，液壓馬達(dá)通過(guò)與減速器、同步齒輪以及攪拌軸連接。連續(xù)式復(fù)拌器裝置的主要參數(shù)見(jiàn)表6。

圖7 連續(xù)式復(fù)拌器試驗(yàn)裝置Fig.7 Continuous mixer test device

表6 試驗(yàn)裝置主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of test device

由于試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)安裝的因素以及液壓系統(tǒng)采用定量泵、定量馬達(dá)系統(tǒng)，速度不可大幅度調(diào)節(jié)，因此試驗(yàn)僅在恒定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中攪拌軸的轉(zhuǎn)速如圖8 所示。由圖可知：未進(jìn)料時(shí)轉(zhuǎn)速為87 r/min，當(dāng)物料逐漸進(jìn)入連續(xù)式復(fù)拌器內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了波動(dòng)，波動(dòng)幅度為±0.1 r/min，可見(jiàn)當(dāng)增加物料時(shí)，攪拌軸轉(zhuǎn)速會(huì)隨之下降，但下降幅度不大。

圖8 實(shí)測(cè)攪拌軸轉(zhuǎn)速Fig.8 Measured mixing shaft speed

通過(guò)觀察進(jìn)出料口的料流，用秒表測(cè)定攪拌時(shí)間。為減小試驗(yàn)誤差，取3 次試驗(yàn)結(jié)果的均值，見(jiàn)表7，攪拌時(shí)間測(cè)定值為7.32 s，離散元仿真時(shí)間為6.88 s?？梢钥闯觯瑢?shí)際攪拌時(shí)間與仿真攪拌時(shí)間之間的誤差為6.01%，攪拌時(shí)間誤差小。證明了理論研究與建模仿真的正確性。

表7 攪拌時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.7 Comparison of mixing time

6 結(jié)論

為了提高就地復(fù)拌機(jī)施工過(guò)程中的工作效率以及改善攪拌質(zhì)量，對(duì)連續(xù)式復(fù)拌器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用離散元仿真軟件對(duì)連續(xù)式復(fù)拌器的施工過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到的結(jié)論有：①通過(guò)理論分析得到了連續(xù)式復(fù)拌器的參數(shù)范圍，即攪拌葉片安裝角度為29.7～45°，攪拌軸轉(zhuǎn)速為56～95 r/min。②攪拌軸轉(zhuǎn)速對(duì)物料軸向速度的影響較大，而葉片安裝角對(duì)軸向速度的影響不如轉(zhuǎn)速。③對(duì)連續(xù)式復(fù)拌器試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行攪拌時(shí)間測(cè)定，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為87 r/min，測(cè)得攪拌時(shí)間為7.32 s，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差為6.01%，仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間比較接近，證明了理論研究與建模仿真的正確性。