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

在實(shí)驗(yàn)室中的瀝青攪拌設(shè)備中大都以立式或單臥軸攪拌機(jī)為主，而實(shí)際瀝青攪拌站大多以雙臥軸為主，則實(shí)驗(yàn)攪拌工藝與攪拌站的實(shí)際相差較大。而攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算以經(jīng)驗(yàn)或單一理論分析為主，因此本文結(jié)合EDEM軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用攪拌機(jī)。

一、攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)的外形通過相似理論以DG4000型攪拌站為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。DG4000型的外形尺寸：長(zhǎng)174cm、寬248cm、高165cm、攪拌半徑R70cm。4000型的攪拌機(jī)的有效容積為2.5m3，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的有效容積為0.02m3。則體積相似比有k=2.5/0.02=125，由于體積是m的三次方，則相似比為5，計(jì)算則實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)的長(zhǎng)0.35m、寬0.5m、半徑0.14m。

(一)攪拌葉片的計(jì)算

攪拌葉片長(zhǎng)寬計(jì)算可按下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

將半徑R代入上式中有：攪拌葉片的長(zhǎng)取0.092m，寬取0.07m。

(二)攪拌葉片的數(shù)量及排布

為使軸向與徑向的運(yùn)動(dòng)均衡通常要求攪拌軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)，物料在軸向的運(yùn)動(dòng)距離要大于攪拌筒的長(zhǎng)度，因此有3600≤n·θ≤7200[2]。θ為單根軸上相鄰的兩攪拌臂之間的相位角差，目前國(guó)內(nèi)外所采用的相位角為，450、600、900等。因此在此處相位角取900較為合理。

攪拌臂的排列有正反兩種形式，有關(guān)研究證明正排列可以加快混合料在軸向的運(yùn)動(dòng)，使軸向混合料的交換頻次加快，縮短攪拌的時(shí)間，提高攪拌效率，因此本文選用正排列，兩軸交錯(cuò)布置，其布置形式如圖1所示兩軸旋轉(zhuǎn)過程的先后順序分別為：Ⅰ1(5)—Ⅰ2(6)—Ⅰ3—Ⅰ4，Ⅱ4—Ⅱ3—Ⅱ2(6)—Ⅱ1(5)。其中，Ⅰ2—Ⅱ1、Ⅰ4—Ⅱ3、Ⅰ6—Ⅱ5、Ⅱ6—Ⅰ1之間逆流相位為1350，Ⅰ3—Ⅱ2、Ⅰ5—Ⅱ4為450。在這組中，有四組為1350，其攪拌軸之間逆流頻次高也不阻斷大循環(huán)，排列方式較理想。

圖1 攪拌臂正正交錯(cuò)布置

(三)葉片安裝角

攪拌葉片的安裝角度在00和900之間選擇。理論來說當(dāng)軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)均衡時(shí),攪拌效果最佳[3]。因此對(duì)于窄長(zhǎng)型的攪拌筒來說，葉片安轉(zhuǎn)角應(yīng)取大一些，一般取值為310～450[4]。對(duì)于寬短型攪拌機(jī)來說，葉片安裝角相應(yīng)取小一些。綜合攪拌機(jī)其他參數(shù)和結(jié)構(gòu)，對(duì)于本文的寬短型攪拌機(jī)葉片安裝角取400。

二、EDEM仿真分析

(一)仿真前處理

EDEM是離散元分析軟件，主要功能為仿真分析和觀察顆粒流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過以上計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行仿真三維建模如圖2所示。將攪拌機(jī)模型導(dǎo)入EDEM中并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其各參數(shù)值碎石密度、泊松比、剪切模量分別為：2400kg·m3、0.2、2×1010Pa；45鋼的分別為：7800kg·m3、0.3、7×1010Pa。碎石與碎石之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)分別為：0.15、0.44、0.05；碎石與45鋼的分別為0.2、0.5、0.01。

圖2 攪拌機(jī)仿真模型圖

在此次仿真的過程中中混合料的配合比根據(jù)實(shí)際修筑路面中采用AC—25型級(jí)集配瀝青混凝土的配合比。攪拌混合料的各粒徑質(zhì)量如表3所示。攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為69r/min，即攪拌葉片線速度1m/s，仿真時(shí)間20s。

表3 混合料的配合比

(二)仿真求解與后處理

1.混合料速度分析

攪拌過程中混合料的速度變化可通過混合料的顏色判斷，即不同的顏色代表不同的速度。此處取4s的混合料速度分布，如下圖3所示。

(a)t=4s 混合料的速度分布

(b)t=4s X方向混合料的速度分布

(c)t=4s Z方向混合料的速度分布

(d)t=4s Y方向混合料的速度分布

此處取在下料完成4s時(shí)的混合料速度分布，由圖3知其速度在0.14—3.1m/s之間，在葉片上的混合料其速度較大，運(yùn)動(dòng)較劇烈，其它部位混合料速度0.62m/s左右。

在X方向上，物料在攪拌筒中間位置的運(yùn)動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)混合料的軸間逆流。如下圖3在4s時(shí)混合料的速度分布圖所示，在X方向上混合料的速度在-2.7—1.4m/s之間，而速度的分布為左側(cè)部分顆粒的速度在0.61—1.4m/s之間，攪拌桶右側(cè)同樣有與左側(cè)相似的現(xiàn)象，顆粒在攪拌葉片上時(shí)，其速度最大。而在兩攪拌軸的中間部位速度大致在-0.62—0.61m/s之間分布。在Z方向上速度分布在-1.8—2.0m/s之間，同樣在葉片上的混合料的速度較大。在兩攪拌軸的中間位置顆粒的速度主要分布在-0.26—0.51m/s之間。在Y方向上，如圖3(d)中所示，速度在-1.7—1.7m/s之間運(yùn)動(dòng)，在葉片上混合料的運(yùn)動(dòng)速度較劇烈，其它位置混合料的運(yùn)動(dòng)速度較弱。

由圖3知，葉片處于不同的位置時(shí)，混合料在攪拌機(jī)里面各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)不同，運(yùn)動(dòng)最劇烈的混合料發(fā)生在與攪拌葉片接觸處，在兩攪拌軸之間，混合料在兩軸間的運(yùn)動(dòng)速度和沿軸向的運(yùn)動(dòng)速度接近。

2.混合料均勻度的分析

在仿真結(jié)果分析中，混合料的均勻度可使用離散系數(shù)來表示。將攪拌機(jī)劃分成大小相等的網(wǎng)格。按照時(shí)間間隔每2s對(duì)每個(gè)網(wǎng)格中的混合料質(zhì)量輸出計(jì)算離散系數(shù)。在本文只計(jì)算最大顆粒與最小顆粒的離散系數(shù)觀察攪拌質(zhì)量，離散系數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算10—25mm離散系數(shù)為：0.657、0.450、0.434、0.273、0.240、0.230、0.227、0.174、0.158、0.185；0—3mm混合料的離散系數(shù)：0.423、0.310、0.240、0.204、0.218、0.203、0.184、0.188、0.168、0.157。由離散數(shù)據(jù)繪制曲線圖4曲線圖。

圖4 離散系數(shù)曲線圖

從曲線圖知，在8s之后粗顆粒的均勻度明顯變好，并隨攪拌時(shí)間的增加混合料的均勻度變好，在12s之后粗細(xì)顆粒的均勻度接近。粗顆粒在20s時(shí)有所增加可能是因?yàn)榫W(wǎng)格選取的原因，以及顆粒選用圓形顆粒與實(shí)際有差距。

結(jié)語(yǔ)

本文用相似理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用瀝青攪拌機(jī)，并在設(shè)計(jì)中提出利用重疊系數(shù)與葉片安裝角的關(guān)系來確定攪拌葉片的數(shù)目。對(duì)設(shè)計(jì)的攪拌機(jī)EDEM仿真分析中知，混合料在軸向的運(yùn)動(dòng)速度與軸間的運(yùn)動(dòng)速度大小接近，符合設(shè)計(jì)要求。在均勻度分析中，8s之后粗顆粒的均勻度明顯變好，隨著攪拌時(shí)間的增加，粗細(xì)顆粒的均勻度也在變好，在攪拌20s時(shí)混合料的均勻度均在0.2以下。

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