王振鵬，李 耀，謝 東，趙 悟

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

0 引言

混凝土攪拌機(jī)是將水泥、水、細(xì)集料和粗集料按合理的配合比混合并拌制出工作性、強(qiáng)度和耐久性合適的混凝土的機(jī)械。目前在國內(nèi)外，立軸混凝土攪拌機(jī)的形式主要有立軸行星式攪拌機(jī)和立式渦槳攪拌機(jī)兩種，有關(guān)立式混凝土攪拌機(jī)其他形式攪拌裝置的研究較少。而攪拌機(jī)最主要的機(jī)構(gòu)就是攪拌裝置，攪拌裝置的形式對混合料的攪拌時(shí)間和攪拌均勻性有很重要的作用［1］。為了探究混合型攪拌裝置在強(qiáng)制式立軸混凝土攪拌主機(jī)上的應(yīng)用，筆者通過將六鏟式攪拌裝置、六螺帶式攪拌裝置以及混合型攪拌裝置三種不同形式的攪拌裝置的物料流動(dòng)進(jìn)行對比分析，即利用EDEM離散元軟件對兩攪拌機(jī)進(jìn)行物料流動(dòng)仿真對比分析，來驗(yàn)證混合型攪拌裝置在強(qiáng)制式立軸混凝土攪拌主機(jī)應(yīng)用的合理性。

1 三種立式攪拌裝置的攪拌機(jī)理

混凝土攪拌機(jī)將混凝土中的各成分?jǐn)嚢杌旌铣梢环N各物料顆粒相互分散、均勻分布的混凝土混合物，并且可以通過在拌好混凝土中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的樣本進(jìn)行分析來評價(jià)混凝土質(zhì)地均勻的優(yōu)劣，假如混凝土中各組成成分在混凝土中所占比例大致一樣，就證明該混凝土質(zhì)地均勻性較好。想要使混凝土中的各組分混合均勻，必須在攪拌過程中使每一組分的顆粒能分散到其他各種組分中去，因此，必須設(shè)法使各組分都產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并使他們的運(yùn)動(dòng)軌跡相交，相交次數(shù)越多，混凝土越易混合均勻［2－3］。

鏟子型混凝土強(qiáng)制攪拌機(jī)通過攪拌裝置旋轉(zhuǎn)，迫使混凝土物料顆粒在攪拌筒體內(nèi)隨著攪拌葉片在水平方向按圍流循環(huán)流動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的三維立體攪拌空間。攪拌裝置的鏟子葉片既有向上的安裝傾角又有內(nèi)外傾斜的傾角，當(dāng)攪拌裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對物料產(chǎn)生向上的翻動(dòng)以及內(nèi)外相互交匯的流動(dòng)趨勢，外加最外側(cè)刮板的作用，使物料的運(yùn)動(dòng)軌跡更為復(fù)雜，攪拌作用更加激烈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各物料均勻混合。

螺帶式混凝土強(qiáng)制攪拌機(jī)利用運(yùn)動(dòng)著的螺帶強(qiáng)迫物料顆粒分別從各個(gè)方向(環(huán)向、徑向和軸向)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，尤其是豎向的物料提升效果明顯，使各物料顆粒運(yùn)動(dòng)的方向、速度不同，相互之間產(chǎn)生剪切滑移以致相互穿插、擴(kuò)散，從而使各物料均勻混合。

混合型混凝土強(qiáng)制攪拌機(jī)綜合了鏟子型攪拌裝置和螺帶式攪拌裝置的優(yōu)點(diǎn)，既結(jié)合了螺帶葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)上下翻騰物料強(qiáng)烈的效果，又綜合了鏟子葉片內(nèi)外交匯強(qiáng)烈的效果，從而更加利于各物料的混合均勻。

2 三種立式攪拌裝置模型的建立

筆者所建立的模型是基于單立軸螺帶式攪拌主機(jī)、單立軸葉片式攪拌主機(jī)及其單立軸混合型攪拌主機(jī)。根據(jù)攪拌主機(jī)對攪拌混凝土的時(shí)間以及均勻性要求，三種攪拌裝置均采用六攪拌臂結(jié)構(gòu)，并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況，建立如圖1所示的三種立式攪拌裝置的三維立體模型。

圖1 三種立式攪拌裝置的三維模型

3 EDEM仿真分析

3.1 物料顆粒簡化模型以及接觸模型的選擇

攪拌過程中，從混合物的狀態(tài)變化來看，總是伴隨著攪拌均勻與物料離析兩種現(xiàn)象的矛盾運(yùn)動(dòng)，故在簡化模擬攪拌機(jī)的攪拌過程時(shí)，選擇合理模型的簡化對模擬效果有很大的影響。

對攪拌過程進(jìn)行模擬時(shí)，混凝土顆粒有軟球模型以及硬球模型兩類顆粒簡化模型。其中軟球模型把物料顆粒之間的法向力簡化為彈簧和阻尼器，切向力簡化為彈簧、阻尼器和滑動(dòng)器，從而在采用軟球簡化模型進(jìn)行攪拌過程模擬仿真時(shí)會(huì)引入彈性系數(shù)以及阻尼系數(shù)等參量，通過這些參量的設(shè)置，可以最大程度的還原攪拌過程中物料顆粒之間的接觸情況。而硬球簡化模型則完全忽略物料顆粒接觸力大小和物料顆粒表面變化細(xì)節(jié)，即將物料接觸過程簡化成瞬間完成的碰撞過程，故主要適用于快速運(yùn)動(dòng)、低濃度顆粒體系的數(shù)值模擬。

在實(shí)際攪拌機(jī)的物料攪拌過程中，物料顆粒之間有碰撞也有摩擦，由于水分的添加在顆粒之間也存在著一定的黏結(jié)力。水泥混凝土的攪拌過程中物料顆粒之間有一定的黏結(jié)力，可以阻止物料顆粒的切向與法向的相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外作用力達(dá)到甚至超過物料顆粒之間的最大法向與切向力時(shí)這種黏結(jié)就會(huì)被破壞掉。結(jié)合以上兩種顆粒簡化模型的敘述，選擇軟球簡化模型比較合理，且Hertz－Mindlin黏結(jié)接觸模型的特點(diǎn)恰好符合混凝土顆粒之間接觸的特點(diǎn)［4－5］。

3.2 EDEM軟件對模型進(jìn)行分析

3.2.1 EDEM 仿真參數(shù)的確定

離散元EDEM軟件對物料攪拌仿真能夠反映混凝土中每個(gè)顆粒在攪拌筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，選擇合適的顆粒簡化模型以及接觸模型可以較好的模擬物料顆粒與顆粒之間和顆粒與周圍環(huán)境之間的碰撞。結(jié)合三維建模軟件PROE，建立模擬仿真中所需要的三維模型，如圖1。

實(shí)際系統(tǒng)的仿真的過程，合理的材料的力學(xué)性質(zhì)能保證仿真結(jié)果，三種立式攪拌裝置在模擬仿真中所涉及的各部分結(jié)構(gòu)的材料材質(zhì)都應(yīng)該一致，并且投放的混凝土顆粒數(shù)目也一致。根據(jù)實(shí)際攪拌裝置的線速度要求，設(shè)定三種立式攪拌裝置的轉(zhuǎn)速均為20 r/min［5］，在材料性質(zhì)、顆粒數(shù)目以及布置方式等條件一致時(shí)，研究物料顆粒在攪拌筒內(nèi)不同時(shí)間的分布情況。模型投入的顆粒數(shù)是按1 m3的機(jī)型計(jì)算得出的，并根據(jù)物料顆粒的直徑進(jìn)行涂色，其中較小的顆粒(～10 mm直徑)投放20000顆;中顆粒(～15 mm直徑)投放10 000顆;大顆粒(～20 mm直徑)投放5 000顆。

3.2.2 三種立式攪拌裝置的物料流動(dòng)比較

選取一組的時(shí)間截取如圖2所示以展示三者之間物料流動(dòng)的不同之處。由三組截圖可知:在同等條件下，立式混合型攪拌裝置結(jié)合了其他兩種攪拌裝置的各自優(yōu)點(diǎn)，在豎向、徑向以及交匯區(qū)的物料攪拌均有較好的攪拌流動(dòng)趨勢。

圖2 三種立式攪拌裝置的物料軸向流動(dòng)視圖

通過截取三種立式攪拌裝置攪拌物料24 s后卸料視圖如圖3所示，進(jìn)行對比可知:立式六鏟子型攪拌裝置的卸料效果最佳。但卸后的物料進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行各物料顆粒的均勻度標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，可得到以下關(guān)系如表2所列，可以得知三種不同形式的攪拌裝置在進(jìn)行完24 s攪拌并卸料后，立式混合型攪拌裝置的攪拌效果最佳。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對純螺帶式攪拌裝置以及純鏟子式攪拌裝置所進(jìn)行的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)兩者各有優(yōu)點(diǎn):前者對物料的提升效果以及兩攪拌腔之間的交匯效果強(qiáng)烈如圖4所示，后者對物料在徑向方向的交互效果以及卸料效果明顯如圖5所示，立式混合型攪拌裝置 結(jié)合了以上兩種攪拌裝置的優(yōu)點(diǎn)。

表2 三種立式攪拌裝置卸料后的各顆粒的均勻度標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖3 三種立式攪拌裝置攪拌24s后物料均勻比較

圖4 立式螺帶攪拌裝置的攪拌物料流動(dòng)圖

圖5 立式鏟子型攪拌裝置攪拌物料流動(dòng)圖

3.2.3 立式攪拌裝置混合均勻度隨時(shí)間變化的分析

根據(jù)EDEM軟件模擬的結(jié)果，分別得出10 mm、15 mm以及20 mm三種粒徑的顆粒在三種立式攪拌裝置的攪拌過程中，混凝土物料攪拌混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間變化的趨勢，如圖6所示。根據(jù)以上分析，可以得知:在相同試驗(yàn)條件下，立式混合型攪拌裝置對三種粒徑顆粒的攪拌均勻性效果最佳。

圖6 三種立式攪拌裝置的物料混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間變化的趨勢如圖

3.2.4 立式攪拌裝置在攪拌過程中的攪拌阻力模擬

通過EDEM軟件對三種立式攪拌裝置進(jìn)行物料流動(dòng)模擬仿真，可測得攪拌裝置隨時(shí)間的攪拌阻力變化趨勢，并依據(jù)仿真得出的攪拌阻力趨勢可得立式六鏟子攪拌裝置的攪拌阻力波動(dòng)比較大，立式六螺帶攪拌裝置以及立式混合型攪拌裝置的攪拌阻力較為平穩(wěn)，攪拌阻力平穩(wěn)更利于混凝土的攪拌。

4 結(jié)論

(1)立式混合型攪拌裝置的物料流動(dòng)綜合了立式六鏟子型攪拌裝置和立式六螺帶攪拌裝置的優(yōu)點(diǎn)，在豎向、徑向以及交匯區(qū)均有較好的流動(dòng)效果，在同等條件下立式混合型攪拌裝置的攪拌效果最佳，尤其是對大骨料顆粒的攪拌效果更為明顯。

(2)對于立式混合型攪拌裝置的攪拌阻力在攪拌過程中最為平穩(wěn)，對攪拌過程中的攪拌裝置受力情況有利。

故具有合理機(jī)構(gòu)的立式混合型攪拌裝置是一種理想的適用于強(qiáng)制式立式混凝土攪拌主機(jī)中的攪拌裝置形式。

［1］ 馮忠緒.混凝土攪拌理論與設(shè)備［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ 中國建筑科學(xué)研究院.GB/T9142－2000混凝土攪拌機(jī)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［3］ 趙 健，李 剛.雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)物料流動(dòng)的分析模擬［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(1):66－67.

［4］ 胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2010.

［5］ 楊亞敏，趙 方，段德榮，等.基于EDEM的立軸破碎機(jī)轉(zhuǎn)子對物料粒徑加速效果的研究［J］.裝備制造技術(shù)，2012(7):31－33.

［6］ 馮忠緒，王衛(wèi)中，姚運(yùn)仕.攪拌機(jī)合理轉(zhuǎn)速研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2006，19(2):97－100.