摘要搅拌机是搅拌设备的心脏。在搅拌机设计及使用过程中，合理的选取搅拌机的结构，运动和工作参数，直接关系到混凝土等材料的搅拌质量和搅拌效率。论文对搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒长宽比、搅拌机转速和搅拌时间等主要参数的选取进行分析与试验研究。通过归纳，给出了双卧轴搅拌机的主要参数，包括搅拌臂排列、叶片安装角、拌筒长宽比、搅拌线速度等；给出了评价搅拌机参数合理与否的准则；给出了搅拌臂排列的基本原则。第 1 章 前言11 国内外研究现状及发展趋势19世纪40年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的白落式搅拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成，一直到19世纪80年代，才开始用铁或钢件代替木板，但形状仍然为多面体。1888年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专利。20世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及，其工作原理如图12所示。形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。1903年德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。1908年，在美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。从1913年，美国开始大量生产预拌混凝土，到1 950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主。自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。工作时，随着拌筒的转动，物料被搅拌筒内壁固定的叶片提升到一定高度后，依靠自重下落。由于各物料颗粒下落的高度、时问、速度、落点和滚动距离不同，从而物料各颗粒相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。自落式搅拌机结构简单，可靠性高，维护简单，功率消耗小，拌筒和叶片磨损轻，但搅拌强度不高，生产效率低，搅拌质量不易保证。此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土，广泛应用于中小型建筑工地。按拌筒形状和卸料方式的不同，有鼓筒式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥倾翻出料搅拌机和对开式搅拌机等，其中鼓简式搅拌机技术性能落后，已于1987年被我国建设部列为淘汰产品。随着多种商品混凝土的广泛使用以及建筑规模的大型化、复杂化和高层化对混凝土质量、产量不断提出的更高要求，有力地促进了混凝土搅拌设备在使用性能和技术水平方面的提高与发展。各国研究人员开始从混凝土搅拌机的结构形式、传动方式、搅拌腔衬板材料以及搅拌生产工艺等方面进行改进和探索。20世纪40年代后期，德国ELBA公司最先发明了强制式搅拌机，和自落式搅拌机的工作原理不同，强制式搅拌机利用旋转的叶片强迫物料按预定轨迹产生剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到匀质搅拌。强制式搅拌机工作原理如图13，与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机搅拌作用强烈，搅拌质量好，搅拌效率高，但拌筒和叶片磨损大，功耗增大。此种搅拌机适于拌制干硬性、轻骨料混凝土以及特种混凝土和专用混凝土，多用于施工现场的混凝土搅拌站和预拌混凝土搅拌楼。根据构造特征不同，主要有立轴涡浆式搅拌机、立轴行星式搅拌机、立轴对流式搅拌机、单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机等。图 12 自落式搅拌机工作原理示意图图 13 强制式搅拌机工作原理示意图随着技术的发展，强制式搅拌机在德国的BHS公司和ELBA公司、美国的JOHNSON公司和REX WORKS公司、意大利的SICOMA公司和SIMEN公司、日本的日工株式会社和光洋株式会社等企业发展迅速，目前已形成系列产品。比如德国的EMC系列、EMS系列搅拌站和UBM系列、EMT系列搅拌楼，意大利的MAO系列搅拌站、MSO系列大型搅拌基地等。我国混凝土搅拌设备的生产从20世纪50年代开始。1952年，天津工程机械厂和上海建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌机，进料容量为400L和1000L。20世纪70年代未至80年代初，我国为适应建筑业商品混凝土大规模发展的需要，在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了新一代Jz型双锥自落式搅拌机、D型单卧轴强制式搅拌机。其中，JS型双卧轴搅拌机在80年代初研制成功。80年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备，研制出了10多种混凝土搅拌楼(站)。经过引进吸收、自主开发等几个阶段，到本世纪初，国内混凝土搅拌机技术得到长足发展，在产品规格和生产数量上，都达到了一定规模，出现了一批具有自主知识产权的新技术，逐步形成了一个具有一定规模和竞争能力的行业。2006年，我国生产装机容量O56m3的搅拌站2100多台，已成为混凝土搅拌设备的生产大国。12 国内外搅拌机参数的研究现状对搅拌设备来说，搅拌机构是核心装置，混凝土搅拌质量的好坏，搅拌机生产率的高低以及使用维修费用的多少都与它有关，目前，双卧轴搅拌机是国内的主导机型，因此，国内外对卧轴搅拌机技术进行了比较广泛、深入的研究。国外对卧轴搅拌机技术的研究起因于对沥青混和料拌和抽样和方法准确度的分析，由于试验中采用的1t间歇式卧轴强制搅拌器，抽取的样品测试数据显示了在搅拌器的一种设计与另一种设计之间，由于桨叶的排列方式不同，有可能成为造成混合料均匀度的明显差别的主要原因。研究人员分析认为：所用的双轴桨叶式搅拌器中，材料的主要运动是一种在与轴垂直的平面内，围绕着每根轴的不规则转动。在桨叶相遇或重叠的部位，材料在一根轴之间的区域内相互交换着，材料的辅助运动是与两根轴平行的，从搅拌轴的一个旋转平面到另一旋转平面。在用来构成辅助运动方面，不同设计方案的搅拌器，变化是很广泛的。混合料在两根轴之间的区域内运动是不规则的，但是在轴的两侧，物料则围绕着搅拌器内壁在水平面内作某种循环运动，运动的程度都会受到桨叶端面与它们移动方向的夹角的影响。为了找到在搅拌器其它设计特点保持不变的情况下，由于改变桨叶端面的角度和安装方式而产生的不同方案的辅助运动，以及对被搅拌的混和料均匀度的影响程度，研究人员制造了一套带有可调桨叶的特殊桨臂。通过央紧作用，将桨叶紧固到桨臂的圆柱部分，并可按任意角度调整，而且可按根右旋或左旋螺距来安装于搅拌轴上。在一些搅拌器中，将垂直于它们移动方向的平面桨叶，向左和向右交替地转一定角度，使这些桨叶的排列方式不是按照产生一种有规则的辅助运动，所以在搅拌器内材料的输送不是始终如一地从一端到另一端。当使物料由轴的两端向中心运动时。物料向中心堆积，有一些物料则从堆积料的顶端溢出，再从两端返回，那旱物料的水平面要低得多。在另外一些搅拌器中，桨叶的排列可使物料产生有规则的辅助运动。一轴上的所有桨叶端面都使物料朝一个方向运动，而另一根轴上的所有桨叶端面部使物料朝相反的方向运动。在桨叶相对于搅拌轴不同的倾斜角度情况下，分别采用两种桨叶排列方式进行试验：将所有桨叶调至使物料向搅拌器的中心运动：将一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向右运动，而另一根轴上的所有桨叶都安装成使物料向左运动，以便能使物料在平面内围绕着搅拌器产生顺时针方向的循环或旋转运动。这两种排列方式被称为“向心”方式和“旋转”方式。试验按18批物料作为一个系列来进行，它覆盖的变化因素包括：三种桨叶角度(15、30和45)、两种桨叶排列方式和三种搅拌时间(1min、2min和4min)。获得拌和匀质性分析的样品总数为213个。分别计算出每批混和料样品中粘结料的百分比标准离差和通过给定筛子的物料百分比标准离差，将标准离差转换为离差系数，以便提供不同混和料之间合理有效的比较。第 2 章搅拌机主要参数21 双卧轴搅拌机的主要参数本文以目前广泛使用的双卧轴搅拌机为主，对搅拌装置几何和运动参数的合理取值范围进行分析和试验研究。搅拌装置参数主要有：搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒的长宽比及搅拌线速度等，其结构如图2 1(a)所示，主要参数如图2 1(b)所列：图 21(a)双卧轴搅拌机结构图 21 双卧轴搅拌机主要参数22 搅拌机参数选取的准则目前国内外广泛使用的自落式和强制式搅拌机己沿用了50余年。但在搅拌机设计和使用中，仍采用类比法这样的经验方法，缺乏合理性；由于对搅拌过程的机理研究不够，对如何选择这一参数，说法不一，缺乏科学性；在搅拌过程中，混合料的物理一化学性能都发生了变化，这一过程极其复杂而影响因素又较多，但由于对诸参数综合优化的试验研究不深入，且设计和使用者在选择转速值时缺少依据。搅拌机是混凝土制备设备的心脏，它必须满足搅拌质量与搅拌效率等性能要求。搅拌质量就是生产出符合国家标准要求的新拌混凝土；搅拌效率就是在满足搅拌质量的前提下，搅拌时间要尽量短，以提高设备的生产率和设备的利用率，降低生产成本。百年大计，质量第一。混凝土是重要的建筑材料，新拌混凝土质量是对搅拌机性能的最基本的要求，也是首要的性能要求。混凝土质量用其宏观及其微观均匀度来评价，宏观均匀性用拌和物中砂浆密度的相对误差埘O8和粗骨料质量的相对误差AG5来衡量，微观均匀性用混凝土强度的平均值豆，标准差盯和离差系数G来衡量。豆值越高、G值越小，说明混凝土质量越好；反之亦然。因此，搅拌机械应在保证新拌混凝土质量满足国家标准要求的前提下高效节能的工作，这就是确定搅拌机合理参数的准则。搅拌机在设计和使用中主要参数的选取准则也可用数学表达式来表示。对搅拌搅拌过程进行综合模拟，给出了搅拌机参数优化的目标函数：式中，搅拌的平均时间f的角标表示拌缸(或拌筒)三维坐标(x，y，z)或(z，r，由)及其顺序。该式的物理意义是：合理的搅拌机参数应保证在满足给定的均匀度指标的前提下，在拌缸内各个方向的搅拌时间相接近。这时选取的搅拌机的主要参数较合理。可利用实验来调整搅拌机的参数，使其趋于合理。在不同的搅拌时间，按三维坐标方向测搅拌的均匀度就可知道，在所有方向都达到给定的均匀度的时间。一般来兑，在三个方向同时都达到给定的均匀度指标是不可能的，总会有先有后。应根据实验结果，调整搅拌机结构及相应的参数，使得能够在搅拌室内所有方向上能接近同时达到给定的均匀度。23 试验样机与实验条件23l 试验样机试验样机主要搅拌参数见表 2 l，主体结构见图 22表 21 试验样机主要搅拌性能参数图22双卧轴搅拌机主体结构图该试验样机搅拌的基本工作原理与普通双卧轴搅拌机一样，动力从电机通过摆线针轮减速器，变速后由弹性畦轴器直接传递给一对同步齿轮，从而带动两根搅拌轴作反向同步转动。轴端密封共采用三道密封技术，印迷宫环、浮封环O型圈和骨架油封。卸料采用手动方式，通过搅拌筒底部的偏心旋转扇形闸门来控制。由于试验条件的限制也为了简化设计，该样机没有设计耐磨衬板和L料机构，试验中采用人上料，这虽然会对搅拌质爵和搅拌时捌产生一些影响，但由于是在相同条件下进行试验所以仍然能够完成试验任务。搅拌机构是本次试验研究的重点。由于试验中要分别比较拌筒不同长宽比和搅拌臂不同排列形式以及搅拌叶片不同安装角度对搅拌质量的影响，因此要求拌筒的长宽比、搅拌臂的排列和搅拌叶片的安装必须能够调节，而且要求拆装、维护方便。232 搅拌机构的设计搅拌叶片的设计搅拌叶片的形状是根据拌简直径、叶片安装角度(轴向和径向安装角度)、叶片在轴向和径向所占搅拌区域长度和叶片设定高度等参数设计的。其中，侧搅拌叶片分左旋和右旋两种。搅拌叶片的外缘利用拌简直径构成的圆柱体，通过曲线拟合得到。考虑叶片与拌筒内壁的间隙大小对叶片使用寿命和搅拌能耗的影响，设计搅拌叶片的外缘与拌筒内壁的间隙4mm，并且成变间隙的楔形，见图23。先接触物料的前端间隙小于后端，相差1-2mm，利于集料一旦被卡后的释放。对于搅拌臂和搅拌叶片的安装设计，则都采用了抱瓦结构，通过螺栓的央紧作用分别固定在相应的搅拌轴和搅拌臂上，具体结构如图24所示。试验中，根据拌筒长宽比的不同和试验研究的要求，搅拌叶片的数量可以相应的增减；通过调节搅拌轴抱瓦，可以调节单轴搅拌臂相位和双轴搅拌臂相位差；通过调节搅拌臂抱瓦，可以调节搅拌叶片的轴向安装角。拌简长宽比拌筒长宽比变化是通过在搅拌筒中横置挡板实现图24搅拌臂和搅拌