鄒 祥

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

混凝土攪拌機(jī)是一種通過電機(jī)驅(qū)動，在圓筒或者槽中旋轉(zhuǎn)用以把水泥、砂石骨料以及水合并拌制成混凝土混合料的機(jī)械，主要由拌筒、加料和卸料機(jī)構(gòu)、供水系統(tǒng)、原動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架以及支撐裝置等組成，是混凝土攪拌站的核心部件。由于任何建筑型工程，包括大型的公路、住宅、鐵路、港口等大型工程都必須使用混凝土，因此混凝土攪拌站得到了快速發(fā)展，攪拌機(jī)也由以前的自落式攪拌機(jī)、盤式攪拌機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在主流的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。相比于傳統(tǒng)的盤式攪拌機(jī)，雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)具有效率高、攪拌質(zhì)量好和性價比高等優(yōu)勢。雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)采用雙電機(jī)驅(qū)動，通過V帶及行星減速機(jī)帶動2根攪拌主軸轉(zhuǎn)動，主軸上的轉(zhuǎn)動葉片推動攪拌筒內(nèi)物料并且形成交叉料流，以達(dá)到快速生產(chǎn)勻質(zhì)混凝土的目的。BHS、利勃海爾、三一重工、SICOMA、中聯(lián)和南方路機(jī)等主要攪拌站生產(chǎn)廠家已經(jīng)大面積采用雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，全面替代傳統(tǒng)的盤式機(jī)。

目前，對于雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌功率的計算，國內(nèi)公認(rèn)的方法一般從單位面積上拌合物對攪拌葉片上的阻力來進(jìn)行推算。本文參照這種方法對JS3000型雙臥軸混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行了計算及驗證。

1 雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)工作轉(zhuǎn)速的計算

攪拌機(jī)的攪拌速度對混凝土質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著關(guān)鍵影響。如果轉(zhuǎn)速偏低，使攪拌時間增加，從而降低生產(chǎn)率；轉(zhuǎn)速偏高，會形成較大的離心力，混凝土容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，使混凝土勻質(zhì)性受到破壞。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速越多，其勻質(zhì)性受破壞的程度就越嚴(yán)重。同時，轉(zhuǎn)速增加必然造成攪拌功率提高。因此，確定合理的轉(zhuǎn)速對于充分發(fā)揮攪拌機(jī)的作用具有很大的實際意義。

根據(jù)轉(zhuǎn)動達(dá)到臨界速度時，重力等于離心力

可以得到臨界速度的計算公式

式中 R——攪拌筒半徑；

v1——葉片臨界線速度；

g——重力加速度。

若取攪拌筒半徑R=0.64m，因此得到臨界線速度

根據(jù)目前國內(nèi)外攪拌機(jī)產(chǎn)品參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速下限為1.2m/s。工作線轉(zhuǎn)速為臨界線速度的2/3

3 攪拌機(jī)功率計算（以3m3機(jī)為例）

式中 v——工作線速度。

根據(jù)線速度與轉(zhuǎn)速的計算公式

式中 n——轉(zhuǎn)速。

可以計算出攪拌轉(zhuǎn)速

2 容積利用系數(shù)的設(shè)計

按照GB9142標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)料容積為出料容積的1.6倍，同時攪拌機(jī)設(shè)計應(yīng)具有10%的超載能力，即

式中 V0——攪拌機(jī)出料容積；

V1——攪拌機(jī)進(jìn)料容積。

容積利用系數(shù)j的計算公式

將公式（6）帶入公式（7）

取值 j=0.5

現(xiàn)階段國內(nèi)外攪拌站（樓）主要配置雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，容積利用率的取值上各國也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。德國攪拌機(jī)容積利用率為0.52～0.534，意大利攪拌機(jī)容積利用率為0.45～0.52，日本日工攪拌機(jī)的容積利用率為0.35～0.38。目前國內(nèi)推出的攪拌機(jī)容積利用率大多在0.5～0.52之間，能夠較好的保證功率的利用。

3.3 攪拌機(jī)功率計算

3.1 混凝土比阻力的計算

混凝土比阻力的大小與混凝土對葉片的作用力大小有關(guān)。具體影響比阻力大小的因素有：混凝土的物料狀況，包括配合比、骨料粒徑以及坍落度；葉片的運動速度；邊界條件；物料堆積狀況。

由于攪拌葉片上各個點線速度相差不大，因此比阻力k可以近似視為一常數(shù)。假定攪拌機(jī)處于標(biāo)準(zhǔn)工況，即物料狀況和邊界條件不變的情況下，坍落度為0～3cm，骨料最大粒徑為60mm，C30混凝土，葉片與筒壁間隙為3～5mm，可近似認(rèn)為混凝土比阻力k與運動速度、物料深度和攪拌筒半徑有關(guān)。由于容積利用系數(shù)取決于物料深度和攪拌筒半徑的比值關(guān)系，因此混凝土比阻力k僅為運動速度v和容積利用系數(shù)j的函數(shù)，即

式中 k——混凝土比阻力。

根據(jù)公式（8）得出

3.2 攪拌葉片上阻力矩的計算

計算攪拌機(jī)的功率關(guān)鍵是計算攪拌葉片上產(chǎn)生的阻力矩。葉片螺旋依次錯開角度沿著軸向排列，在分析時可對一個葉片采用積分法，計算出其單個葉片的阻力矩，再乘以葉片數(shù)就可以得出攪拌機(jī)的總阻力矩，其公式如下

式中 Mδ——攪拌機(jī)總阻力矩；

n——攪拌機(jī)葉片總數(shù)；

M——單個葉片阻力矩。

如圖1所示，設(shè)主軸被耽擱葉片環(huán)繞的軸向長度為L，葉片最寬斷面（垂直于主軸的截面）寬度為H，離主軸軸線的距離為R，葉片螺旋角為a。

在葉片上取一微單元體，它沿主軸軸向的長度為db，沿徑向的寬度為dr。物料作用在微單元體面積上的力情況比較復(fù)雜，但主要有沿螺旋面法向的工作壓力。參照其他類型攪拌機(jī)受力分析的一般經(jīng)驗，將其它的力忽略不計，只考慮法向力。設(shè)微單元體上的該法向力為dp，如圖2所示，則微單元體上的阻力大小為

圖1 攪拌葉片阻力矩計算示意圖

圖2 葉片微單元體示意圖

微單元體所受的的力矩

式中 r——微單元體回轉(zhuǎn)半徑。

dp沿主軸徑向的分力為dp×sinα，將其與公式（10）帶入公式（11）

對公式（12）進(jìn)行雙重積分，得到單個葉片收到的阻力矩

根據(jù)公式（9），將攪拌機(jī)葉片總數(shù)n=18帶入

攪拌機(jī)的動力由電機(jī)輸出，通過V型帶傳遞給減速機(jī)，減速機(jī)通過聯(lián)軸器最終傳遞到攪拌機(jī)的攪拌軸。V帶傳動的機(jī)械效率為0.85，減速機(jī)機(jī)械效率為0.95，因此攪拌機(jī)功率為

式中 N——攪拌機(jī)功率；

η1——帶傳動機(jī)械效率；

η1——減速機(jī)機(jī)械效率。

因為攪拌機(jī)采用雙電機(jī)驅(qū)動，所以選取2臺55kW電機(jī)。

4 實測能耗及功率數(shù)據(jù)

本文設(shè)計的攪拌站采用JS3000型雙臥軸混凝土攪拌機(jī)，攪拌筒長2.06m，攪拌筒半徑R為0.64m，攪拌葉片尺寸為L=0.29m、H=0.2m。2018年8月，對采用的JS3000型混凝土攪拌機(jī)的180攪拌站進(jìn)行測試，采用C30和C40兩種標(biāo)號的混凝土作為測試物料，分別測量攪拌機(jī)實際功率和實際能耗。具體測試結(jié)果和能耗數(shù)據(jù)如圖3—圖5所示。

采用C30混凝土作為測試物料進(jìn)行試驗，測得3m3機(jī)滿載攪拌時，單個電機(jī)最大功率為48.5kW；采用C40混凝土作為測試物料時，單個電機(jī)最大功率為50.5kW。可見計算值與實測值非常接近，誤差為6%左右。由此可見，3m3攪拌機(jī)采用2臺55kW電機(jī)符合要求，電機(jī)功率余量合理，攪拌機(jī)工作能耗為0.22～0.25kW/h，空載時能耗小于額定功率的10%。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計計算和實驗對比可以得出，本文中關(guān)于混凝土攪拌機(jī)的計算與實測結(jié)果非常吻合，該 設(shè)計及計算方法完全滿足實際的需要。

圖3 JS3000型攪拌機(jī)功率和能耗（C30）

圖4 JS3000型攪拌機(jī)功率和單位能耗（滿載C40）

圖5 JS3000型攪拌機(jī)空載總能耗圖