張 軍

(山西省高速公路開發(fā)有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

混凝土攪拌機(jī)作為建筑、道路工程的重要施工設(shè)備，其性能的好壞對工程質(zhì)量有著直接的影響。雙臥軸攪拌機(jī)作為目前國內(nèi)混凝土攪拌設(shè)備的主導(dǎo)機(jī)型，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用；但由于其本身存在攪拌低效區(qū)的固有缺陷，造成攪拌質(zhì)量不高、工作效率較低的問題[1-3]。以長安大學(xué)馮忠緒教授為代表的科研團(tuán)隊對攪拌機(jī)做了大量的研究，針對攪拌低效區(qū)的問題提出了振動攪拌技術(shù)，通過大量振動攪拌試驗(yàn)，得出振動攪拌是強(qiáng)化混凝土生產(chǎn)過程、改善攪拌低效區(qū)、提高攪拌質(zhì)量和效率最經(jīng)濟(jì)的方法[4-6]。但是，目前對雙臥軸攪拌機(jī)攪拌過程中物料運(yùn)動變化的研究并不多，本文借助仿真軟件EDEM對雙臥軸攪拌機(jī)的攪拌過程進(jìn)行分析，有效展示雙臥軸攪拌機(jī)攪拌過程中的物料流動以及低效區(qū)狀況，為相關(guān)的研究工作提供參考。

1 攪拌低效區(qū)理論

如今，市場上常見的攪拌機(jī)大致分為臥軸式和立軸式2種，其攪拌原理基本相同。如圖1所示，在攪拌區(qū)域內(nèi)，同一個攪拌裝置上攪拌線速度沿徑向方向呈遞增趨勢[7-8]。這就說明：越靠近攪拌中心區(qū)，攪拌線速度越低，從而導(dǎo)致靠近中心區(qū)域的混合料受到的攪拌作用相對較弱，剪切和推動作用小，使得混合料流動緩慢，產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象；同時，攪拌均勻性差，給成品混凝土造成了很大的質(zhì)量隱患，這就是攪拌低效區(qū)現(xiàn)象[9-11]。大量試驗(yàn)表明，攪拌機(jī)的最佳攪拌線速度在1.4～1.7 m·s-1浮動，不能簡單依靠提高攪拌轉(zhuǎn)速來改善低效區(qū)現(xiàn)象，因?yàn)閿嚢杷俣冗^高同樣會導(dǎo)致拌合料發(fā)生離析，即攪拌過程中存在著拌合與離析的矛盾運(yùn)動。

2 雙臥軸攪拌機(jī)合理料流分析

圖2 攪拌機(jī)示意

圖3 攪拌分區(qū)示意

雙臥軸攪拌機(jī)主要由攪拌裝置、拌缸、驅(qū)動系統(tǒng)、卸料裝置、軸端密封裝置、機(jī)架等部分組成，其中攪拌裝置由2根臥軸、攪拌臂、攪拌葉片等部件組成[12]。由于雙臥軸攪拌機(jī)具有攪拌性能好、攪拌均勻、拌制混凝土振搗性好、容易澆注等優(yōu)點(diǎn)，已基本占據(jù)混凝土攪拌行業(yè)。本文以某企業(yè)某雙臥軸攪拌機(jī)為例進(jìn)行分析，其大體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，該攪拌機(jī)的攪拌裝置有2套，將攪拌區(qū)分為左右2個部分。每套攪拌裝置均由1根攪拌軸、7個攪拌臂和7個攪拌葉片組成，其中包括5個推料葉片和2個返回葉片。攪拌過程中，物料受到攪拌葉片沿軸向和徑向的推力，使得混合料沿著徑向和軸向發(fā)生流動。此外，左右2個攪拌裝置成反向布置，實(shí)現(xiàn)整個攪拌區(qū)的物料大循環(huán)；而且2套攪拌裝置存在一定的重疊區(qū)域(圖3)，很大程度上實(shí)現(xiàn)了左右攪拌區(qū)內(nèi)的物料交換，產(chǎn)生了對流的效果，使得攪拌混合更加充分。

圖4為整個攪拌過程中物料的流動情況。在兩軸的末端，混合料在返回葉片的作用下脫離拌筒端面，從一根軸處轉(zhuǎn)送到另一根軸處，這是1個大的循環(huán)圈運(yùn)動。在兩軸之間的區(qū)域，左邊軸上的葉片將混合料推向右邊，右邊軸上的葉片將混合料推向左邊，這是1個小的循環(huán)圈運(yùn)動?？梢?，圍流和對流是攪拌過程中混合料的主要運(yùn)動形式，使得物料在攪拌機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)，最終達(dá)到攪拌均勻。

圖4 攪拌區(qū)理論物料流動示意

3 EDEM仿真分析

3.1 仿真模型的建立

利用三維建模軟件Pro/E創(chuàng)建攪拌機(jī)的簡化模型，為了便于仿真計算，減小計算量，去除了對仿真結(jié)果影響不大的部分結(jié)構(gòu)，如傳動裝置、卸料裝置等，只留下了拌缸和攪拌裝置。將建好的模型(圖5)導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行模擬仿真分析。

圖5 攪拌機(jī)簡化模型

3.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

針對實(shí)際攪拌過程中物料之間存在的相互作用力，如黏結(jié)力、碰撞力等，決定選用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型；為了充分模擬拌合料，此次仿真選用了4種球形顆粒，粒徑分別為5、8、10、12 mm；顆粒數(shù)目分別為3 000、3 000、8 000、8 000。為了使效果突出、便于觀察，仿真過程中顆粒粒徑并非真實(shí)值，而是人為設(shè)定的。此外，還需要設(shè)置材料屬性和相互之間的接觸參數(shù)，如表1、2所示。整個模擬過程中，設(shè)定攪拌裝置的轉(zhuǎn)速為47 r·min-1，投料時間為3 s，攪拌時間為15 s。依次按骨料、水泥、沙子的順序邊攪拌邊投料，投料量約占拌缸容積的一半以上。圖6為初始投料結(jié)束物料的狀態(tài)。

表1 材料屬性與接觸參數(shù)設(shè)置

表2 接觸參數(shù)設(shè)置

圖6 投料結(jié)束時刻物料狀態(tài)

4 仿真結(jié)果處理

4.1 整體料流展示

隨機(jī)選取2個時刻點(diǎn)，本文選取7、14 s時刻來觀察攪拌過程中物料流動狀態(tài)，如圖7～10所示。

圖7 7 s時刻物料狀態(tài)的向量展示

圖8 7 s時刻物料狀態(tài)的流線展示

圖9 14 s時刻物料狀態(tài)的向量展示

分析圖7～10可知，在攪拌葉片的作用下，物料隨攪拌裝置做圓周運(yùn)動的同時，在徑向和軸向方向的流動也很明顯，在左右攪拌區(qū)域內(nèi)分別產(chǎn)生了循環(huán)流動，同時在交匯區(qū)產(chǎn)生了明顯的對流運(yùn)動。從整個攪拌區(qū)來看，物料實(shí)現(xiàn)了大循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了左右攪拌區(qū)物料的交匯，攪拌相對充分[13-14]。

4.2 單個顆粒運(yùn)動展示

為了更加明顯地展示拌合料在拌缸內(nèi)的運(yùn)動情況，隨機(jī)抽取一個顆粒，代號為3735，跟蹤其從開始投料到攪拌結(jié)束，這個過程中所處的位置變化，即顆粒在整個過程中的運(yùn)動軌跡，如圖11所示。

圖11 顆粒3735的運(yùn)動軌跡

圖12 攪拌過程中的低效區(qū)

觀察圖11可知，整個攪拌過程中3735在徑向和軸向都發(fā)生了位置變化，說明其在攪拌作用的影響下產(chǎn)生了圓周運(yùn)動、徑向運(yùn)動、軸向運(yùn)動，與整個料流的運(yùn)動情況符合。

4.3 攪拌低效區(qū)展示

攪拌過程中低效區(qū)的存在，如圖12所示，圖中顆粒顏色越深，表示顆粒速度越大。

觀察圖12可知，左右攪拌區(qū)均分為3個區(qū)域，存在明顯的速度梯度，從攪拌軸中心向外一直到拌缸內(nèi)壁，顆粒速度逐漸遞增。這是因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速一定時，旋轉(zhuǎn)半徑越大，線速度就越大，與理論結(jié)果相符。同時，在左右攪拌區(qū)交匯處速度大小處于中等水平，因?yàn)槲锪显诖藚^(qū)域發(fā)生相互碰撞交匯，導(dǎo)致顆粒速度有所減小，這也說明了雙軸攪拌存在明顯的交匯作用，能使拌合料混合更加均勻。

5 結(jié) 語

本文分析了雙臥軸攪拌過程中物料的流動情況，然后借助離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行仿真模擬，形象地展示了整個攪拌過程中物料在不同時刻的料流情況、單個顆粒的運(yùn)動軌跡以及攪拌低效區(qū)等。通過對比發(fā)現(xiàn)，理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。此外，經(jīng)過整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雖然雙臥軸攪拌機(jī)攪拌過程中物料運(yùn)動復(fù)雜、攪拌充分，但也難以避免產(chǎn)生攪拌低效區(qū)，這就導(dǎo)致攪拌后成品料混合不均勻、質(zhì)量不高。許多學(xué)者在低效區(qū)方面提出了很多解決辦法，其中以振動攪拌方式效果最好，但有關(guān)振動攪拌對低效區(qū)的影響的研究還不夠深入；因此，還需要投入更多的人力、物力對低效區(qū)展開更深入的探討。