鄒德芳，聞詩洋，于文達，張世英,2

(1.沈陽建筑大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

我國在“十三五”時期大力發(fā)展裝配式建筑，混凝土預(yù)制構(gòu)件工廠化生產(chǎn)顯得尤為重要。多螺桿混凝土布料機是生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件的核心設(shè)備之一，是對傳統(tǒng)的混凝土布料機的改進和創(chuàng)新[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者致力于螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對布料機工作性能影響的研究：周龍海[3]應(yīng)用離散元法，研究不同轉(zhuǎn)速與填充率下顆粒運動情況以及改變兩種參數(shù)對螺旋輸送機輸送性能的影響；向冬枝[4]對影響螺旋輸送機輸送性能的主要參數(shù)進行了分析，得出螺旋輸送機各設(shè)計參數(shù)的選擇和確定原則及方法。國內(nèi)外學(xué)者對單螺桿螺旋輸送機問題開展了大量研究工作，而針對多螺桿形式下混凝土布料機工作性能方面的研究成果相對較少[5-7]。

基于此，筆者以多螺桿混凝土布料機為研究對象，圍繞螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對多螺桿混凝土布料機工作性能的影響問題開展研究，探究不同螺距、葉片直徑和葉片厚度對布料機工作性能的影響規(guī)律，為多螺桿混凝土布料機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 多螺桿混凝土布料機機理

混凝土布料機輸送裝置的送性能直接影響預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的工藝水平和生產(chǎn)效率[7]。螺桿是輸送裝置的關(guān)鍵零件，多螺桿混凝土布料機布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 多螺桿布料機布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of multi-screw distributor

筆者以4根螺桿的混凝土布料機為對象開展研究，其結(jié)構(gòu)見圖2。每根螺桿對應(yīng)一個布料閘門，每個布料閘門的開合都有單獨的氣缸控制。當(dāng)布料機行走到構(gòu)件門窗孔洞位置時，對應(yīng)位置的螺桿停止轉(zhuǎn)動，布料閘門關(guān)閉，通過控制程序?qū)﹂l門、螺桿動作進行控制，達到精細化、穩(wěn)定布料的目的。

圖2 螺旋輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of screw conveyor

2 螺桿表面力學(xué)仿真模型的建立

2.1 螺桿表面力學(xué)分析

螺桿表面受力是由物料顆粒與螺桿表面相互作用造成的，需建立接觸模型，分析碰撞過程中的力學(xué)特性[8-9]。將混凝土顆粒簡化為質(zhì)點，且混凝土顆粒間不產(chǎn)生相對滑移，混凝土在輸送過程中受到的力由葉片剪切面上的力和螺旋軸剪切面上的力組成，下面對其進行分析。

2.1.1葉片剪切面上的力

將螺桿表面分為葉片和螺旋軸兩部分，當(dāng)布料開始時，螺桿開始帶動混凝土一起運動，混凝土顆粒與葉片表面相互摩擦產(chǎn)生的剪切應(yīng)力如圖3所示。

圖3 螺旋葉片剪切面上的力Fig.3 Force on the shear plane of the spiral blade

虛線箭頭表示混凝土顆粒的運動方向，F(xiàn)u為混凝土顆粒運動方向的抵抗力，μc為混凝土與葉片表面摩擦系數(shù)，σo為葉片表面所受應(yīng)力，Ro為力的外部半徑，P為節(jié)距，φf為摩擦角，αo為外徑螺旋角，F(xiàn)ua為作用在葉片剪切面上的軸向力。

(1)

積分后代入一個非維度參數(shù)ku，表示螺距與螺桿直徑之比。

Fua=kuσoD2.

(2)

(3)

2.1.2 螺旋軸剪切面上的力

當(dāng)布料開始時，混凝土顆粒與螺旋軸表面接觸相互摩擦產(chǎn)生的剪切應(yīng)力如圖4所示。

積分后代入一個非維度參數(shù)kc，F(xiàn)ca表示混凝土顆粒運動方向的抵抗力；ct為螺桿內(nèi)徑與外徑的比率，cd為螺旋軸直徑與螺桿外徑之比，αc為螺旋軸的直角螺旋角，μw為混凝土顆粒與螺旋軸剪切面間的摩擦系數(shù)，λs為物料在螺旋軸表面摩擦的應(yīng)力比。

Fca=kcσoD2.

(4)

(5)

假設(shè)混凝土在輸送過程中產(chǎn)生的力均勻地施加在螺旋軸的表面上，則螺旋軸表面受到的作用力為

Fda=Fua+Fca.

(6)

(7)

則螺桿表面受到的軸向應(yīng)力為

(8)

螺旋軸表面受到的扭矩為

(9)

將tanαc=Pi/2πr，tanφf=μw代入，對r從R0到Ri積分，因此螺桿扭矩為

(10)

由式(10)可知,螺桿轉(zhuǎn)矩與螺距、葉片直徑有關(guān)，可將它們作為影響螺桿轉(zhuǎn)矩的主要研究對象。

2.2 數(shù)值模型建立

2.2.1 幾何體參數(shù)設(shè)置

料斗尺寸不變的情況下，建立不同螺距S(35 mm,48 mm,60 mm)、不同葉片直徑D(45 mm,50 mm,55 mm,60 mm)及不同葉片厚度δ(1.5 mm,2.5 mm,3.5 mm)的螺桿模型。

2.2.2 物料顆粒參數(shù)設(shè)置

混凝土由不同級配的顆粒組成，在模擬中將幾種顆?？醋鲆粋€整體，采用較大顆粒進行描述，其結(jié)果與實際無顯著差異。在對顆粒進行離散元建模時，將顆粒放大處理[10-11]。通過混凝土的泊松比、半徑、剪切模量和密度，經(jīng)系統(tǒng)自動計算，得出大顆粒的質(zhì)量為4.594 g，設(shè)置顆粒半徑和接觸半徑均為7.5 mm；小顆粒的質(zhì)量為0.563 g，設(shè)置顆粒半徑和接觸半徑均為4 mm。

螺桿和殼體采用Q235A，其接觸屬性見表1。將幾何體導(dǎo)入離散元中，對物料顆粒進行設(shè)置，其模擬過程如圖5所示。粗骨料與壁面之間的摩擦系數(shù)可由摩擦角試驗測得，接觸模型參數(shù)如表1所示。

表1 離散元接觸模型參數(shù)Table 1 The contact model parameters of discrete element

圖5 混凝土布料機簡化三維模型仿真圖Fig.5 The simplified three-dimensional model simulation of concrete distributor

3 試驗過程

3.1 試驗裝置設(shè)計與搭建

混凝土布料機體積龐大，不方便更換螺桿，而試驗裝置體積小、拆裝方便，可以真實反映布料機的工作過程[12]。根據(jù)布料機工作原理，筆者設(shè)計了一臺多螺桿混凝土布料機試驗裝置，主要結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)見表2。

表2 試驗裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)Table 2 The structural and working parameters of experimental equipment

試驗裝置中螺桿為2根左旋、2根右旋，旋向相對排列。共設(shè)置三組不同參數(shù)的螺桿，試驗裝置及螺桿旋向圖見圖6所示。

圖6 試驗裝置及螺桿旋向圖Fig.6 The schematic diagram of the experimental device and screw rotation

3.2 試驗方案設(shè)計

筆者根據(jù)C30混凝土的配比設(shè)計混凝土模型，以不同顆粒模擬粗骨料與砂漿。利用虛擬標(biāo)定法對混凝土各組分參數(shù)進行標(biāo)定，得出一種最接近實際混凝土接觸模型屬性的有效參數(shù)，如圖7所示[13-14]。

圖7 新拌混凝土示意圖Fig.7 The schematic diagram of fresh concrete

試驗前將混凝土倒入料斗，開啟打散棒，轉(zhuǎn)速為30 r/min，開啟出料閘門和輸送裝置，將螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整到30 r/min。此時物料從閘門排出，待出料穩(wěn)定后，利用物料導(dǎo)向通道引導(dǎo)物料流動方向，使出料口物料得到相對準(zhǔn)確的稱量。輸送量按照殼體內(nèi)裝載體積V分為1/4V、1/2V、3/4V、V記錄，平均每5 s記錄一次，得到出料口的平均質(zhì)量流率。

4 模型仿真結(jié)果分析

4.1 螺距對布料機工作性能的影響

4.1.1 螺距對顆粒運動情況的影響

將高速運動顆粒設(shè)置為紅色，低速運動顆粒為藍色。圖8表示螺距為60 mm和35 mm的螺桿，螺距為60 mm的螺桿周圍紅色顆粒比螺距35 mm的螺桿多。因此隨著螺距增加，螺桿周圍顆粒運動速度增大，物料顆粒施加給螺桿表面的力隨之增大，導(dǎo)致電機功耗增大，葉片磨損加劇，最終導(dǎo)致布料均勻性變差。

圖8 顆粒運動情況隨螺距的變化Fig.8 The particle movement with different pitches

4.1.2 螺距對布料機轉(zhuǎn)矩的影響

采用單因素仿真與試驗?；炷敛剂蠙C平均轉(zhuǎn)矩隨螺距的變化如圖9所示。由圖9可知，平均轉(zhuǎn)矩與螺距呈正比關(guān)系。這是由于螺桿轉(zhuǎn)動帶動混凝土物料顆粒動，為顆粒運動提供動力的來源主要有螺桿表面軸向力和徑向力、螺桿的摩擦力以及布料通道側(cè)壁的摩擦力。當(dāng)螺桿高速運轉(zhuǎn)時，螺距越大，其對物料顆粒的作用力越大，因此會有更多顆粒處于瀑拋或離心運動狀態(tài)，布料機轉(zhuǎn)矩增大。

圖9 平均轉(zhuǎn)矩隨螺距的變化Fig.9 Variation of average torque with different pitches

4.1.3 螺距對電機功率的影響

電機功率隨時間變化規(guī)律的仿真和試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 平均功率隨螺距的變化Fig.10 Variation of average power with different pitches

隨著螺距增大，電機功率隨之增大，這是因為螺距越大其對物料顆粒的推動作用越強，越多的物料在進行瀑拋或離心運動，此時螺桿表面會受到更多來自物料顆粒的撞擊，從而導(dǎo)致電機功率的增大。

4.1.4 螺距對質(zhì)量流率的影響

在離散元軟件中在出料口設(shè)置質(zhì)量流率傳感器，可檢測布料過程中輸送量以及每個出料口輸送量，不同螺距質(zhì)量流率變化如圖11所示。

圖11 不同螺距質(zhì)量流率變化Fig.11 Simulation of mass flow rate with different pitches

由圖11可知，隨著工作時間的增加，顆粒的質(zhì)量流率隨螺距增大而變大，且在螺距為48 mm左右時，質(zhì)量流率變化幅度最平穩(wěn)。在物料下落后，物料質(zhì)量增加逐漸均勻。在輸送過程中，單位時間內(nèi)螺距越大，單位螺距內(nèi)輸送的顆粒越多，故而單位時間內(nèi)輸送的質(zhì)量也就越大，即質(zhì)量流率增大。

4.2 葉片直徑對布料機工作性能的影響

4.2.1 葉片直徑對布料機轉(zhuǎn)矩的影響

布料機平均轉(zhuǎn)矩隨葉片直徑變化如圖12所示。當(dāng)螺桿為30 r/min時，機轉(zhuǎn)矩隨葉片直徑的增大而變大，當(dāng)葉片直徑繼續(xù)增大到60 mm時，轉(zhuǎn)矩的變化趨勢增幅明顯，此時葉片與物料顆粒的作用最強烈，轉(zhuǎn)矩也隨之增大。這是因為布料機在葉片直徑越大，其與物料的接觸面積就越大，對物料顆粒的作用力就越大，物料顆粒運動速度也越大，因此轉(zhuǎn)矩也隨之增大。

圖12 平均轉(zhuǎn)矩隨葉片直徑變化Fig.12 Variation of average torque with different blade diameters

4.2.2 葉片直徑對電機功率的影響

圖13為不同葉片直徑下電機功率隨時間變化。布料機轉(zhuǎn)速及其他螺桿參數(shù)不變的情況下，電機功率隨葉片直徑的增加而增大。

圖13 平均功率隨葉片直徑變化Fig.13 Variation of average power with different blade diameters

以上結(jié)果考慮到螺桿轉(zhuǎn)動，帶動物料顆粒運動，由研究結(jié)果可以得知，葉片直徑不宜過大才能達到減少能耗、提高工作性能的效果。

4.2.3 葉片直徑對質(zhì)量流率的影響

圖14為不同葉片直徑下質(zhì)量流率隨時間變化的趨勢圖。由圖14可知，在其他條件一定時，隨著葉片直徑的增大，物料的質(zhì)量流率增幅不大，而直徑在50 mm時趨勢最平穩(wěn)。綜上，若使質(zhì)量流率更平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩更小，本試驗的葉片直徑選取50 mm比較合理。

圖14 不同葉片直徑下質(zhì)量流率變化Fig.14 Mass flow rate with different spiral blade diameters

4.3 葉片厚度對質(zhì)量流率的影響

通過改變?nèi)~片厚度來觀察質(zhì)量流率變化，研究其對布料機布料均勻性的影響，仿真結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知，在相同的轉(zhuǎn)速下，物料平均質(zhì)量流率隨葉片厚度的增大逐漸增大。且螺旋葉片厚度為3.5 mm時質(zhì)量流率最平穩(wěn)，說明此時布料均勻性更好。

圖15 不同葉片厚度下質(zhì)量流率變化Fig.15 Mass flow rate with different spiral blade thicknesses

5 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

5.1 正交試驗設(shè)計

采用正交試驗設(shè)計直觀分析法，通過對螺距、螺桿直徑、葉片厚度的平均極差分析對工作性能影響因素的先后次序，為布料機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

選擇螺距(A)、螺桿直徑(B)、螺旋葉片厚度(C)三個因素，每個因素取三個水平，根據(jù)前述趨勢圖確定其考查范圍，以螺桿電機功率P、轉(zhuǎn)矩T及出料口質(zhì)量流率Qm為考查目標(biāo)進行L9(33)正交試驗，因素水平見表3。

表3 正交試驗L9(33)因素和水平Table 3 The factor-level of L9(33)orthogonal design

5.2 極差分析

螺桿電機功率、轉(zhuǎn)矩及出料口的質(zhì)量流率正交試驗結(jié)果分別見表4～表7。

表4 以T,P,Qm為考查指標(biāo)的正交試驗Table 4 The orthogonal experiment with T,P,Qmas the index

表5 以T為考查指標(biāo)試驗結(jié)果極差分析Table 5 The range analysis of experimental results with T as the test index

表6 以P為考查指標(biāo)試驗結(jié)果極差分析Table 6 The range analysis of experimental results with P as the test index

表7 以Qm為考查指標(biāo)試驗結(jié)果極差分析Table 7 The range analysis of experimental results with Qm as the test index

分析表4～表7可知，各因素對T、P和Qm的影響程度從大到小依次為葉片直徑、螺距、葉片厚度。因此設(shè)計優(yōu)化螺桿時，可優(yōu)先考慮葉片直徑的影響。

6 結(jié) 論

(1)通過對多螺桿混凝土布料機輸送裝置的分析和研究，得出各工作性能指標(biāo)隨螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律：增大螺距和葉片直徑，布料口質(zhì)量流率逐漸增大，電機功耗也隨之增加；隨著葉片厚度的增加，出料口質(zhì)量流率增大且變化平穩(wěn)。

(2)根據(jù)單因素試驗確定試驗裝置最佳參數(shù)組合：螺距為40 mm、葉片直徑為50 mm、葉片厚度為3.5 mm；采用正交試驗法得出三種結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作性能的影響靈敏度由大到小依次為葉片直徑,螺距,葉片厚度，此結(jié)論可為多螺桿混凝土布料機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。