宮 琛，白傳輝，程曉東，姜 超

（中國重汽集團青島重工有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266114）

攪拌筒作為混凝土攪拌運輸車的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由筒體、螺旋葉片、封頭等部分組成。近年來隨著法規(guī)的不斷完善，其輕量化開發(fā)是未來發(fā)展的必然趨勢。攪拌筒的輕量化開發(fā)引發(fā)的失效主要以磨損失效為主，因此對于攪拌筒的磨損研究十分重要。

圖1 混凝土攪拌運輸車攪拌筒結(jié)構(gòu)Fig.1 Mixing drum structure of concrete mixer truck

學者們對工程車輛的磨損做了大量的研究工作。Forsstr?m 等［1］采用DEM-FEM 聯(lián)合仿真的方法對自卸車的各種工況進行模擬仿真，并通過引入Achard 磨損模型對自卸車的磨損狀況進行分析，通過對自卸車實際磨損量的測量，發(fā)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)具有良好的一致性。張延強等［2］應(yīng)用EDEM軟件模擬了挖掘機的工作過程，并對其磨損進行分析，通過對將分析結(jié)果與實際工況試驗數(shù)據(jù)進行對比，從而驗證了分析模型的正確性。應(yīng)武權(quán)［3］針對雙臥式攪拌機葉片易磨損的缺點，以磨損機理作為基礎(chǔ)理論，以EDEM 作為分析軟件，模擬了物料在不同的安裝角度下攪拌的混合特性，并對葉片的磨損及其壽命進行探究。未星等［4］以離散元法作為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用EDEM軟件對刮板運輸機進行磨損仿真。

探究攪拌筒的磨損規(guī)律以及磨損機理，可以用于攪拌筒磨損量的預測，以此為依據(jù)對攪拌筒進行輕量化設(shè)計，從而為攪拌筒在確保不降低使用性能和壽命的前提下，為最大程度的輕量化設(shè)計提供理論依據(jù)。本文采用離散元法，通過將Archard 磨損模型應(yīng)用到攪拌筒的磨損分析，確定最大磨損位置，并通過實驗驗證了該模型的準確性，為攪拌筒的磨損失效分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了一種新的方法。

1 計算模型

1.1 Archard磨損模型

固體顆粒磨損計算中常用的模型有Finnie［5］、Tabakoff［6］、Archard［7］等，其中EDEM 分析軟件內(nèi)置了Archard 模型，使用磨損深度h表征磨損量的大小，即

式中：H為材料的硬度；L為滑移距離；Fn為法相載荷，N；ΔW為磨損質(zhì)量，g；D為材料比重，g/cm3；P為實驗負荷，N；V為滑動線速度，m/s；t為磨損時間，s。

1.2 攪拌筒磨損模型

將混凝土顆粒簡化為球形顆粒，顆粒對于攪拌筒的沖擊速度為v，沖擊角度為α，顆粒與攪拌筒接觸后產(chǎn)生的法向沖擊力為FN，切向力為Fτ。在沖擊力FN的作用下，攪拌筒的表面會產(chǎn)生凹坑；在切向力Fτ的作用下，混凝土顆粒在攪拌筒表面上產(chǎn)生滑動，造成凹坑逐漸擴大，即

式中：E為等效彈性模量；m1為混凝土顆粒的質(zhì)量；vN為混凝土的法向速度；R為等效半徑；μ為摩擦系數(shù)。

根據(jù)Hertz 接觸理論［4］以及莫爾-庫侖屈服準則［8］，得到攪拌筒的磨損體積ΔV的計算公式為

式中：μ1、μ2分別為混凝土顆粒和攪拌筒的泊松比；E1、E2分別為混凝土和攪拌筒的彈性模量；c為攪拌筒的黏聚力；φ為攪拌筒內(nèi)摩擦角。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 顆粒模型

為簡化計算過程，本次模擬分析將混凝土簡化為砂漿、粗骨料兩種顆粒模型［9］。分析過程中，顆粒模型與實際形態(tài)相差越小，仿真結(jié)果越精確。因此，將混凝土當中形狀復雜的石子顆粒采用多球體顆粒模型，以提高仿真結(jié)果的精度。通過多次模擬塌落度實驗，最終得到混凝土顆粒的模型參數(shù)如表1所示，其仿真結(jié)果如圖2所示。

表1 材料間的接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters between materials

圖2 塌落度仿真結(jié)果Fig.2 Collapse simulation results

2.2 攪拌筒模型

攪拌筒的結(jié)構(gòu)比較復雜，本次模擬實驗對模型進行了適當?shù)暮喕?，并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為50 mm，網(wǎng)格模式選擇Hex Dominant，其中節(jié)點數(shù)量為253 676，網(wǎng)格數(shù)量為111 827，其模型如圖3所示。

圖3 攪拌筒網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of mixing drum

2.3 參數(shù)設(shè)置

由于攪拌筒的工作狀態(tài)為勻速轉(zhuǎn)動，因此將攪拌筒的加速度設(shè)置為0，轉(zhuǎn)速設(shè)置為－6 r/min，仿真的時間步長設(shè)置為2×10-5s，仿真的總時間設(shè)置為20 s，網(wǎng)格的大小設(shè)置為10Rmin。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 攪拌勻質(zhì)性分析

離散系數(shù)［10］是判斷混合物勻質(zhì)性最常用指標，混合物的攪拌勻質(zhì)性越高則離散系數(shù)越小。在計算離散系數(shù)之前，對EDEM軟件中攪拌筒的攪拌區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并對每個網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進行處理，做顆粒數(shù)量統(tǒng)計，如圖4所示。在EDEM的后處理模塊中，創(chuàng)建5×5×5的網(wǎng)格，共計125個正方體網(wǎng)格空間。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

對于一些網(wǎng)格沒有顆粒以及顆粒數(shù)太少的網(wǎng)格，勻質(zhì)性的分析并沒有意義，將其視為無效的網(wǎng)格。本文對于網(wǎng)格篩選的原則為：對于顆粒數(shù)目小于200 的網(wǎng)格不納入離散度計算范圍，將其視為無效的網(wǎng)格，可以保證網(wǎng)格數(shù)據(jù)的準確性。篩選掉無效的網(wǎng)格，最終留下37 組網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，得到離散系數(shù)，如圖5所示。

圖5 離散系數(shù)Fig.5 Dispersion coefficient

由圖5 中可知，隨攪拌時間的推移，物料的離散系數(shù)總體呈下降的趨勢，表明物料的勻質(zhì)性越來越好。因此可以判斷出，攪拌筒的攪動質(zhì)量性能比較理想，物料的勻質(zhì)性整體呈上升的趨勢，滿足工作的需求。

3.2 攪拌筒的累計接觸能量分析

攪拌筒在工作狀態(tài)下，一直處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，混凝土在其內(nèi)部不斷地攪動，因此，顆粒對攪拌筒的作用力比較復雜。從顆粒的運動狀態(tài)分析，混凝土顆粒對于攪拌筒的沖擊力主要集中在法向方向，而顆粒對于攪拌筒的磨損主要為切向方向的摩擦作用所導致，為了確定攪拌筒的磨損規(guī)律，從攪拌筒與預拌混凝土之間的接觸能量［11］入手。通過EDEM 的后處理工具可以得到攪拌筒離散元模型的法向、切向累積接觸能量云圖，如圖6和圖7所示。

圖6 攪拌筒法向、切向累計能量對比Fig.6 Comparison of normal and tangential cumulative energy of mixing drum

由圖6 各錐段的法向累積接觸能量云圖可知，前錐部分的法向累積接觸能量最大，中筒次之，后錐最小。由各錐段的切向累積接觸能量云圖總結(jié)歸納出前錐部分的切向累積接觸能量最大，中筒次之，后錐段最小。由圖7 可知，葉片的切向累積能量遠小于法向累積接觸能量。攪拌筒在攪動過程中，前錐部分的混凝土最多，受混凝土重力作用，其對前錐段產(chǎn)生的作用力最大，因此前錐是主要的磨損區(qū)域；混凝土在攪拌筒內(nèi)的流動主要靠螺旋葉片的推動作用，因此其對葉片產(chǎn)生的能量主要以法向累積能量為主。

圖7 葉片累積法向、切向積能量對比Fig.7 Comparison of cumulative normal and tangential energy product of blade

將前錐、中筒以及后錐的工作面作為研究對象，對其法向、切向累積能量進行對比。如圖8（a）所示，攪拌筒運動過程中，切向累積能量逐漸增加，且增速由快變慢，當達到10 s 以后，能量的累積速度陡然降低，這是由于前錐部位的混凝土顆粒的數(shù)量基本穩(wěn)定，對攪拌筒的切向力基本穩(wěn)定，當20 s時，累積能量已達1 400 J；相對于切向的能量累積，法向能量的累積開始時間與切向一致，均為0 s 開始，法向能量的累積速度明顯小于切向的累積速度，能量的累積速度呈下降的趨勢，漸漸趨于穩(wěn)定。這是由于攪拌筒轉(zhuǎn)動帶動混凝土顆粒沿轉(zhuǎn)動方向上升然后再跌落，下落的顆粒對筒體造成沖擊所產(chǎn)生。

圖8 攪拌筒累積能量對比Fig.8 Comparison of cumulative energy of mixing drum

3.3 磨損分析

攪拌筒各段的磨損云圖如圖9所示。圖中可見，攪拌筒的磨損規(guī)律為前錐部位的磨損最嚴重，中筒次之，后錐的磨損最輕，前錐的磨損量從小端到大端逐漸遞增，中筒的磨損量從靠前錐端至后錐端逐漸遞減；前錐位置葉片磨損最嚴重，葉片頂端的磨損量大于葉片根部的磨損量。這與實際過程中攪拌筒的磨損失效基本一致。其中后錐以及葉片靠近出口側(cè)的部分并沒有參與攪拌，該處的磨損量為0。從各錐段的磨損云圖中可以觀察到在轉(zhuǎn)速為－6 r/min、工作時間為20 s的情況下前錐、中筒磨損量最大均為1.46×10-6mm，后錐最大磨損量為7×10-7mm，葉片的最大磨損量為1.42×10-6mm。以此推算攪拌筒工作300 h 的最大磨損量為0.039 mm，螺旋葉片的最大磨損量為0.038 mm。

圖9 磨損量Fig.9 Wear amount

4 實驗結(jié)果

通過對攪拌筒的實際攪拌過程進行模擬仿真，得出了混凝土對攪拌筒的磨損特性，對攪拌筒進行試制并應(yīng)進行滿載攪拌實驗，正常情況下攪拌車的轉(zhuǎn)速一般控制在3 r/min，本次實驗為了提高效率，將攪拌筒的轉(zhuǎn)速調(diào)至為6 r/min，實驗時間共計150 h，近似模擬的實際工況可達300 h。實驗完成之后對攪拌車進行清洗，按照實驗前的板厚測量位置，對攪拌筒及葉片各個點分別測量，測量前需要將測點位置的銹跡用細砂紙打磨干凈，然后進行測量，由于攪拌筒的尺寸比較大，因此，對其選取適當?shù)狞c進行測量，如圖10 所示。圖10（a）為單葉片測量位置，螺旋葉片由多個葉片拼接組成，相同螺旋位置測量點共計38個，圖10（b）、圖10（c）為前錐測量點，罐 體包含前錐、中筒、后錐，軸向測量點共計9處。

圖10 攪拌筒測量位置Fig.10 Measuring position of mixing drum

為了保證測量數(shù)據(jù)的準確性，對每個點進行測量3 組數(shù)據(jù)取平均值，測量的葉片以及攪拌筒的磨損數(shù)據(jù)如圖11 和圖12 所示。從圖11 可知，葉片的最大磨損量位于前錐，中筒次之，后錐磨損量最低，葉片的最大磨損量為0.04 mm。對攪拌筒的磨損數(shù)據(jù)整理得出攪拌筒的磨損規(guī)律如圖12 所示。攪拌筒的磨損規(guī)律與螺旋葉片的磨損規(guī)律基本一致，前錐段的磨損最高，中筒次之，后錐段的磨損最低，最大磨損量為0.04 mm。

圖11 螺旋葉片的磨損數(shù)據(jù)表Fig.11 Wear data sheet of spiral blade

圖12 攪拌筒的磨損數(shù)據(jù)表Fig.12 Wear data sheet of mixing drum

5 結(jié)論

本文開展了對攪拌車攪拌筒的磨損仿真模擬及實驗研究。通過此次分析可以得出以下結(jié)論：①通過模擬塌落度實驗確定混凝土顆粒參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，采用離散元法對攪拌筒工作狀態(tài)進行了模擬分析，通過對不同時間階段多網(wǎng)格內(nèi)顆粒的數(shù)量統(tǒng)計，進而分析攪拌筒的混合勻質(zhì)性，模擬結(jié)果表明，攪拌筒的攪拌質(zhì)量性能良好；通過對攪拌筒的累積接觸能量及磨損量的分析，確定了攪拌筒的最大磨損位置位于前錐大端。②對攪拌筒的實際磨損量進行了測量，攪拌筒工作300 h 的最大磨損量為0.04 mm，最大磨損量與模擬分析誤差為2.5%，驗證了模擬分析的準確性，因此，在進行攪拌筒結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當保證前錐段的耐磨性。