(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 陜西 西安 710064)

引言

攪拌器是穩(wěn)定土廠拌設(shè)備的核心，其性能直接影響了穩(wěn)定土基層的質(zhì)量。目前，對(duì)于雙臥軸穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌技術(shù)的研究還不成熟，本次設(shè)計(jì)主要對(duì)攪拌器的結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)寬尺寸、葉片尺寸及安裝角、攪拌臂的排列形式等進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，進(jìn)而解決傳統(tǒng)穩(wěn)定土攪拌器所產(chǎn)生的攪拌不均勻、離析等問(wèn)題，提高攪拌設(shè)備的作業(yè)質(zhì)量和效率。

一、振動(dòng)攪拌原理

振動(dòng)攪拌是強(qiáng)化穩(wěn)定土生產(chǎn)過(guò)程、提高攪拌質(zhì)量和效率方法。簡(jiǎn)單的說(shuō)，振動(dòng)攪拌就是在原來(lái)的攪拌機(jī)構(gòu)上加了振動(dòng)裝置，使得攪拌器在攪拌的同時(shí)通過(guò)附加的振動(dòng)作用來(lái)強(qiáng)化攪拌的過(guò)程。由于振動(dòng)的存在，攪拌過(guò)程中混合料處于抖動(dòng)的狀態(tài)，使得顆粒之間的有效碰撞次數(shù)增加，有效的解決了水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了混合料的強(qiáng)度。

二、總體方案設(shè)計(jì)

連續(xù)式攪拌器的主體部分主要包括機(jī)架、攪拌筒、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等。參考同類(lèi)型的水泥混凝土攪拌機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)圖如圖1所示。本方案設(shè)計(jì)對(duì)攪拌筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在攪拌筒沿長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)三個(gè)槽孔，將振動(dòng)板安裝在槽孔的位置，激振器直接附著在振動(dòng)板上，使得振動(dòng)與攪拌同時(shí)發(fā)生。

圖1 連續(xù)式穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌器示意簡(jiǎn)圖

1-電機(jī)；2-減速器；3-同步齒輪；4-攪拌缸；5-機(jī)架；6-攪拌裝置；7-激振器

三、穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(一)攪拌筒的有效容積

攪拌器的有效攪拌容積U是指攪拌葉片所能翻拌物料的體積。

圖2 攪拌器幾何示意圖

圖2中陰影部分面積為：

(1)

式中：R-攪拌缸半徑，mm；

φ-攪拌軸中心和缸體底部中線連線與水平線的夾角，°。

則有效容積為：

U=Slkψ

(2)

式中：

ψ-攪拌殼體的形狀系數(shù)，通常為0.85～1；

lk-攪拌筒長(zhǎng)度，m。

對(duì)于連續(xù)式攪拌器的設(shè)計(jì)，有效容積U還可根據(jù)公式:

(3)

式中：Q-攪拌器的理論生產(chǎn)率，600t/h；

t-有效的拌合時(shí)間，本次取t=15s；

ρ-混合料松方密度，查相關(guān)資料，本次取ρ=1.76t/m3。

(二)攪拌筒長(zhǎng)寬比ψ及攪拌缸半徑R

攪拌缸的半徑R是攪拌筒殼體的基本參數(shù)，攪拌筒的長(zhǎng)度lk、寬度bk及兩拌缸的中心距ɑ均與R有關(guān)。其中：

a=2Rcosφ

(4)

bk=a+2R=2R(1+cosφ)

(5)

lk=ψbk=2Rψ(1+cosφ)

(6)

聯(lián)立式1-6，有：

(7)

由式(7)可知，攪拌缸的半徑只與長(zhǎng)寬比及夾角φ有關(guān)。這里初選φ=45°，代入式中得，U=9.75R3ψ=1.42m3。因此根據(jù)不同的長(zhǎng)寬比，可以得到不同的拌缸旋轉(zhuǎn)半徑，如表1所示。

表1 不同長(zhǎng)寬比對(duì)應(yīng)不同的相應(yīng)尺寸

考慮到中心距a與同步齒輪的分度圓直徑d大小相等并且為整數(shù)，參考已有類(lèi)型的連續(xù)式穩(wěn)定土攪拌機(jī)尺寸，并結(jié)合同步齒輪模數(shù)的選取系列，優(yōu)化后得到一組數(shù)據(jù)為：長(zhǎng)寬比ψ=1.70，夾角φ=45.2°，攪拌缸旋轉(zhuǎn)半徑R=440mm，中心距ɑ=620mm，攪拌筒寬度bk=1500mm，長(zhǎng)度lk=2550mm。

(三)攪拌葉片設(shè)計(jì)及葉片安裝角確定

攪拌葉片示意圖如圖3所示，包括葉片的長(zhǎng)度L和葉片寬度W及葉片厚度δ。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)，計(jì)算公式如下：

L=(0.4～0.57)R

(8)

W=(0.6-0.8)L

(9)

將R=440mm代入式3.11中得L=176～250.8mm,初步取L=220mm，代入式(8)中得W=132～176mm，本次取W=150mm。此外，查相關(guān)資料，葉片厚度δ取10mm，材料選用耐磨鑄鐵。

圖3 攪拌葉片尺寸示意圖

葉片安裝角應(yīng)保證物料軸向和徑向的運(yùn)動(dòng)均衡，達(dá)到拌合均勻的目的。根據(jù)相關(guān)研究，同時(shí)結(jié)合目前市場(chǎng)同類(lèi)機(jī)型，本次取葉片安裝角α=45°。

(四)攪拌臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及攪拌臂的相位和排列形式確定

1.攪拌臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分析以往的攪拌臂設(shè)計(jì)，在實(shí)際攪拌中只存在一種攪拌臂，存在一定的攪拌低效區(qū)。本次設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)、短兩種形式攪拌臂，長(zhǎng)攪拌臂主要攪拌靠近攪拌筒層的混合料，短攪拌臂主要用于靠近攪拌軸區(qū)域的混合料。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 攪拌臂結(jié)構(gòu)

2.攪拌臂的料流排列

料流排列對(duì)混合料的均勻分布有直接的影響，根據(jù)相關(guān)研究，圍流形式下混合料在攪拌筒內(nèi)的分布比較均勻，葉片與拌筒底部磨損均勻。因此，本次采用圍流排列形式。

3.攪拌臂的相位及排列形式

單軸攪拌臂的排列是指單軸上相鄰兩拌臂的相位的布置及排列形式，據(jù)分析，正向排列布置時(shí)，混合料的循環(huán)流動(dòng)次數(shù)會(huì)明顯多于反向排列布置，攪拌的均勻性會(huì)更好，因此本次也采用正排列。為了保證混合料軸向的大循環(huán)的流動(dòng)，取相鄰拌臂之間采用45°相位布置，因此長(zhǎng)攪拌臂之間為90°相位布置，短攪拌臂之間為90°相位布置。其排列形式如圖5所示。

圖5 單軸45°相位布置正排列

雙軸攪拌臂的排列主要是指兩根軸相位布置及正、反排列形式的組合。相位布置可分為平行布置和交錯(cuò)布置，排列形式分為正反排列、正正排列和反反排列。

由于長(zhǎng)、短攪拌臂間隔布置，相對(duì)兩長(zhǎng)攪拌臂間的軸向距離會(huì)增加。因此，為了加強(qiáng)軸間的推動(dòng)作用，本次采用攪拌臂雙排對(duì)置布置的正正排列形式，其排列形式如圖6所示。

圖6 攪拌臂雙排對(duì)置布置的正正排列

(五)攪拌軸轉(zhuǎn)速的確定

葉片的線速度v通常指的是葉片頂端最大線速度。其計(jì)算公式如下：

(10)

式中：n-攪拌軸轉(zhuǎn)速，r/min；

R-攪拌葉片頂端繞攪拌軸中心的最大旋轉(zhuǎn)半徑。

圖7 物料單元自落狀態(tài)下受力圖

圖7為物料單元在自落狀態(tài)下的受力圖，圖中G、G1、G2、G3分別為重力、重力分量、重力水平分量、重力豎著分量，α為葉片安裝角，θ為下滑角。根據(jù)物料自落的條件有:

(11)

聯(lián)立上式求解得式3.23:

(12)

式中：f-物料與葉片的摩擦系數(shù)，本次取0.62；

根據(jù)相關(guān)實(shí)踐研究，θ常取42°～75°，本次取75°。將其代入式(12)得v≤1.60m/s，參考國(guó)內(nèi)外廠家，線速度一般控制在1.4～1.6之間，綜合考慮取攪拌線速度為v=1.5m/s。在此需要考慮襯板厚度10mm，襯板內(nèi)壁與葉片頂端的距離h，其值應(yīng)大于細(xì)骨料的最大粒徑同時(shí)小于粗骨料的最小粒徑，本次取h=3mm。因此攪拌葉片頂端繞攪拌軸中心的旋轉(zhuǎn)半徑為R=R0-h-10=440-3-10=427mm。根據(jù)式(10)得攪拌軸的轉(zhuǎn)速為:

通過(guò)上述計(jì)算，攪拌軸轉(zhuǎn)速最終取值為n=34r/min，滿足攪拌設(shè)計(jì)規(guī)范。

(六)激振器的選擇

根據(jù)攪拌筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，需采用附著式的振動(dòng)器，不僅要求體積小，而且能夠直接安裝于殼體底部，提供穩(wěn)定可靠的振動(dòng)源。參考市場(chǎng)上已有的激振器，選擇小型的振動(dòng)電機(jī)作為本次激振器，型號(hào)為YZD-3-4，振幅為1.5mm，振動(dòng)頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。

四、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)穩(wěn)定土攪拌器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)長(zhǎng)、短攪拌臂的布置，有效的解決了低效區(qū)的問(wèn)題。同時(shí)，采用底部添加振動(dòng)板振動(dòng)的新穎設(shè)計(jì)，達(dá)到提高攪拌的均勻性和攪拌效率的目的。

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[4]周力.2m3雙臥軸攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)及仿真分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2013.