王玄豐，趙 悟，湯 釗，王 敬

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，陜西 西安 710064)

0 引 言

水泥混凝土是根據(jù)工程要求、結(jié)構(gòu)形式以及施工條件等將水泥、砂、石、水以及各種外加劑按一定級(jí)配比例和順序投入攪拌設(shè)備中經(jīng)過(guò)一定時(shí)間攪拌形成的均勻膠凝性混合物。水泥混凝土被廣泛應(yīng)用于各種土建工程中，是目前運(yùn)用最為廣泛的建筑材料之一[1]。如何做到既經(jīng)濟(jì)環(huán)保、又能確保和提高其使用性能一直是業(yè)界專家討論研究的重要課題[2]。實(shí)驗(yàn)研究表明：在混凝土生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備的工作性能直接影響混凝土的攪拌質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

目前市面上生產(chǎn)混凝土的攪拌設(shè)備主要分為自落式與強(qiáng)制式，在強(qiáng)制式攪拌設(shè)備中又可分為臥軸式攪拌機(jī)和立軸式攪拌機(jī)[3]。現(xiàn)市面上普遍的立軸式攪拌機(jī)以單立軸式攪拌機(jī)與立軸行星式攪拌機(jī)為主。單立軸式攪拌機(jī)被普遍應(yīng)用于細(xì)骨料、輕骨料、干硬性混凝土及水泥砂漿的拌和[4]；立軸行星式攪拌機(jī)被廣泛應(yīng)用于對(duì)流動(dòng)度要求較大的混凝土攪拌領(lǐng)域[5-6]。而鑒由愛(ài)立許公司推出的攪拌設(shè)備，在拌缸傾角方面的獨(dú)特設(shè)計(jì)，如圖1，引發(fā)筆者對(duì)立軸攪拌機(jī)拌缸傾角的思考。

圖1 愛(ài)立許攪拌機(jī)樣機(jī)

筆者所在課題組在單立軸攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上提出并設(shè)計(jì)了雙立軸攪拌機(jī)，以該試驗(yàn)樣機(jī)為模型研究分析雙立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)在不同拌缸傾角狀態(tài)下對(duì)攪拌混合物料均勻性的影響，通過(guò)PROE三維建模軟件建立試驗(yàn)樣機(jī)三維模型，并利用EDEM離散元仿真軟件對(duì)物料在不同拌缸傾角狀態(tài)下的物料攪拌進(jìn)行模擬仿真，對(duì)比分析混合物料顆粒的均勻性，從而得到不同拌缸傾角對(duì)雙立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌物料均勻性的影響情況，進(jìn)而取得較佳的拌缸傾角，為雙立軸強(qiáng)制攪拌機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 雙立軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)概況

混凝土生產(chǎn)制備的過(guò)程中攪拌的作用就是將各種集料拌合均勻，各種物料顆粒相互分散，均勻分布，符合相關(guān)的力學(xué)性能要求和結(jié)施工要求的混合物[7]。立軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)是一種適用于攪拌干硬性、高強(qiáng)和輕質(zhì)混凝土的攪拌機(jī)[8-9]。雙立軸攪拌機(jī)在傳統(tǒng)立軸攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上增加了攪拌軸，強(qiáng)化了混和物料在拌缸內(nèi)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。如圖2、3所示的雙立軸攪拌機(jī)的兩根攪拌軸上分別裝有一對(duì)側(cè)、中、內(nèi)攪拌臂，并且在側(cè)、中、內(nèi)拌臂上分別裝有側(cè)攪拌葉片、中攪拌葉片、內(nèi)攪拌葉片。

雙立軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)對(duì)混合物料的攪拌過(guò)程中，由于對(duì)混泥土拌合料的剪切和對(duì)流作用，拌缸內(nèi)存在多樣的料流循環(huán)，即能在較短的時(shí)間里使得混凝土的各種顆粒達(dá)到均勻分布的狀態(tài)。

圖2 攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙立軸攪拌桶攪拌裝置布置示意圖

當(dāng)改變攪拌機(jī)拌缸的放置傾角后，拌缸內(nèi)的攪拌裝置也隨之傾斜，為充分利用拌缸，拌缸放置的傾斜角度不能無(wú)限增大，為考慮拌缸利用率，拌缸傾斜角度最大為45°。隨著傾角的不斷增大，此時(shí)攪拌機(jī)內(nèi)的混合物料在攪拌裝置的攪拌作用下不僅具有雙立軸攪拌機(jī)的交匯作用，同時(shí)，由于拌缸傾斜，攪拌裝置上的葉片還會(huì)對(duì)混合物料進(jìn)行拋灑作用，增加拌缸內(nèi)的物料運(yùn)動(dòng)，從而使混合物料能在較短的時(shí)間內(nèi)攪拌均勻。

2 PROE三維模型建立與EDEM離散元建模模擬仿真

2.1 EDEM軟件簡(jiǎn)介

EDEM是全球首款多用途離散元素法建模軟件，可用于工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)處理及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程的仿真和分析。EDEM基于離散元分析原理，用來(lái)模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作，用戶可以利用EDEM輕松快速地創(chuàng)建顆粒實(shí)體的參數(shù)化模型。利用EDEM可以解決諸如物料均勻性、能量損耗等諸多問(wèn)題。

利用EDEM后處理中分析顆?；旌暇鶆蚨鹊墓δ?，進(jìn)而來(lái)判斷比較拌缸傾角對(duì)水泥混凝土攪拌均勻性的影響。

2.2 100 L雙立軸攪拌機(jī)模型建立

利用PROE三維建模軟件建立仿真用的虛擬樣機(jī)，建立的虛擬樣機(jī)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)加工的100 L雙立軸間歇強(qiáng)制攪拌機(jī)，其基本參數(shù)為：出料容積100 L，入料容積150 L，拌缸內(nèi)徑690 mm，兩軸間距為520 mm，整臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中有兩套攪拌裝置，每套攪拌裝置中有6個(gè)攪拌臂，每個(gè)攪拌臂對(duì)應(yīng)一個(gè)攪拌葉片，其中有兩個(gè)內(nèi)攪拌葉片，兩塊中攪拌葉片，兩塊側(cè)攪拌臂，兩個(gè)攪拌葉片，葉片形狀如圖4、5所示。

圖4 攪拌葉片樣式

圖5 PROE三維模型攪拌缸

兩個(gè)攪拌裝置由1臺(tái)功率為11 kW的Y160M-4的異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步鏈傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)攪拌裝置反向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 440 r/min。由于攪拌混凝土?xí)r，攪拌裝置的最大線速度應(yīng)在1.4～1.7 m/s之間[10]，設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為55 r/min。

2.3 EDEM仿真參數(shù)設(shè)置

為了得到能夠真實(shí)反映混凝土攪拌的真實(shí)過(guò)程，選用了軟球模型和具有黏結(jié)力碰撞的Hertz-Mindlin With JKR接觸模型。根據(jù)實(shí)際中常用的骨料顆粒直徑選取了3種不同直徑的小球顆粒來(lái)模擬連續(xù)級(jí)配的混合料，其中直徑為6 mm的5 000顆，直徑為18 mm的4 000顆，以及直徑25 mm的3 000顆。除了不同直徑的小球顆粒設(shè)為石料(stone)外，攪拌裝置和攪拌筒等材料均為鋼材(steel)，顆粒與攪拌裝置參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

整個(gè)模擬仿真的時(shí)間設(shè)置為30 s，為了保證模擬仿真的結(jié)構(gòu)具有可對(duì)比性，三次仿真除攪拌桶的傾斜角度設(shè)置不同外，其余參數(shù)設(shè)置和仿真條件均一致。

表1 模擬仿真材料屬性設(shè)置表

表2 模擬仿真接觸模擬設(shè)置表

3 仿真結(jié)果處理與分析

3.1 均勻性指標(biāo)

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9142-2000《混凝土機(jī)械》中規(guī)定，均質(zhì)混凝土中砂漿密度的相對(duì)誤差不大于0.8%、

單位體積混凝土中骨料質(zhì)量的相對(duì)誤差不大于5%[11]。因此混合均勻就成為衡量混凝土攪拌設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)。離散系數(shù)反映了某種粒徑顆粒在攪拌中的混合均勻程度，離散系數(shù)越小表示混合物均勻度越好。

模擬仿真完成后，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行大小相同的方體網(wǎng)格劃分，如圖6所示。在攪拌過(guò)程中取3 s、6 s、9 s、12 s、15 s、18 s、21 s、24 s、27 s、30 s 10個(gè)不同時(shí)刻點(diǎn)的各個(gè)網(wǎng)格中的顆?？倲?shù)及各種顆粒在每個(gè)網(wǎng)格所占的個(gè)數(shù)，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行篩分，為了保證網(wǎng)格的有效性，去掉顆粒數(shù)少于25的網(wǎng)格[12]。

圖6 模擬仿真網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

6 mm、18 mm、25 mm三種不同粒徑顆粒仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，圖7～9為仿真結(jié)果圖。

表3 仿真數(shù)據(jù)整理

圖7 25 mm顆粒的離散系數(shù)

圖9 6 mm顆粒的離散系數(shù)

觀察上面仿真的結(jié)果圖7～9，就整個(gè)攪拌過(guò)程而言，在達(dá)到同一均勻度的前提下，隨著拌缸傾角的不斷變化，所需要的攪拌時(shí)間也不同。其中在拌缸傾角為45°時(shí)所需的攪拌時(shí)間最短。從最終完成的三種不同顆粒離散系數(shù)來(lái)看，45°傾角時(shí)的離散系數(shù)分別為0.331、0.244、0.088；30°傾角時(shí)的離散系數(shù)0.425、0.285、0.092；0°傾角時(shí)的離散系數(shù)0.429、0.301、0.126。前面已經(jīng)討論過(guò)，用顆粒的離散系數(shù)來(lái)衡量攪拌的均勻性。上面的仿真結(jié)果表明，拌缸傾角為45°時(shí)攪拌出的顆粒離散系數(shù)總體較小，也就是說(shuō)在這種狀態(tài)下攪拌混合物料能更快的達(dá)到均勻狀態(tài)且比0°傾角和30°傾角所達(dá)到的均勻性更好。

4 結(jié) 論

通過(guò)EDEM模擬仿真軟件對(duì)不同拌缸傾角狀態(tài)的攪拌過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明：與30°、0°拌缸傾角相比，45°拌缸傾角的物料顆粒在拌缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更復(fù)雜，既有類似臥軸攪拌機(jī)的拋灑作用，又有雙立軸攪拌機(jī)的劇烈交匯作用，對(duì)物料顆粒有較好的拌和作用。因此拌缸內(nèi)的物料顆粒能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求的均勻度。

進(jìn)而，對(duì)雙立軸攪拌機(jī)，采用不同的拌缸傾角對(duì)混凝土均勻性有著重要影響，不僅影響物料攪拌的均勻程度，而且影響物料攪拌均勻所需的時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。為往后雙立軸攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)就拌缸傾角方面提供一定的參考價(jià)值。