趙 順，吳學(xué)前，陳旭鋒，張夫剛，薛 錦，姚澤琛

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗，陜西 西安710064）

0　前言

雙臥軸混凝土攪拌機因其攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用于各種攪拌場合。攪拌裝置為該機型的核心部分，直接影響整機混凝土的攪拌質(zhì)量、生產(chǎn)率；同時影響攪拌機的負荷和耗電量。目前對該裝置的設(shè)計大都以攪拌臂和攪拌葉片在攪拌軸上的排布及徑向安裝角度為研究對象，鮮有以通過工業(yè)機試驗來研究攪拌葉片的大小和形狀對攪拌機的影響。

本文以設(shè)計的DT1500ZBW攪拌機為載體，通過實驗來探究不同形狀的葉片設(shè)計方案在加載過程中攪拌阻力變化情況及其超載能力，為樣機攪拌葉片大小設(shè)計合理與否提供有利的試驗依據(jù)。

此次試驗只改變了DT1500ZBW攪拌機中的攪拌葉片。試驗過程中采用了兩種攪拌葉片，一種葉片形狀是近似對稱的，另一種則是梯形的形狀。在攪拌過程中，不同的攪拌葉片受到不同大小的阻力，通過檢測驅(qū)動電機電流的情況來模擬阻力的變化。

1　理論分析

攪拌機攪拌裝置的有效面積為其運動一側(cè)與混凝土接觸的面積，而攪拌葉片的工作面積為有效面積乘以cosα（α為攪拌葉片的安裝角）[1]。葉片安裝角是指攪拌葉片斜面與攪拌軸線間的夾角，見圖1中的α銳角。

圖1　物料單元受力圖

通常情況下，在攪拌機攪拌使用過程中，攪拌機葉片的安裝角被設(shè)里為45°夾角進行安裝使用[2]。在這樣的攪拌機葉片安裝角值下，進行攪拌運行使用，不僅能夠滿足攪拌機葉片對于混合物料的縱向以及橫向推動循環(huán)運動實現(xiàn)，并且混合物料的攪拌品質(zhì)與攪拌效率都相對較高。而此工業(yè)機采用了46°的軸向安裝角。

1.1　兩種攪拌葉片的形狀分析

本文將分析兩種攪拌葉片的形狀，一種是近似對稱的對中型結(jié)構(gòu)，另一種是梯形結(jié)構(gòu)，其形狀如圖2所示。其中兩種中攪拌葉片安裝在中攪拌臂上的位置及角度一致，在拌缸的排布相同。圖2a中所顯示的梯形攪拌葉片的兩側(cè)折彎部分在一條直線上，減少了葉片與料的接觸，b中對中型攪拌葉片的凸臺部分則增加了料與葉片的摩擦即增加了驅(qū)動攪拌裝置的驅(qū)動力。

圖2　攪拌葉片

1.2　兩種攪拌葉片的面積分析

攪拌葉片的面積對物料的循環(huán)運動和物料之間的相互作用有著重要的影響。葉片面積過小，減弱了物料的循環(huán)作用和兩軸之間的對流作用，使物料達到宏觀均勻攪拌時間增長；若葉片面積過大，不但增大了攪拌功率，還需要減小葉片個數(shù)，否則，葉片在攪拌筒內(nèi)運動時會相互干涉。因此，這兩種葉片都采用合理的葉片面積。

通過用三維軟件Croe建?？蓽y得對中型攪拌葉片的有效面積S1為71 956.1 mm2，對應(yīng)的攪拌臂的軸向安裝角為46°，即工作面積：

同理可得，梯形攪拌葉的有效面積S2為67 418 mm2，不改變中攪拌臂的軸向安裝角，即工作面積為48 496.5 mm2.通過計算，可知梯形攪拌葉相對于對中型攪拌葉片的有效面積相對少6.31%，工作面積相對減少2.98%.

1.3　對兩種攪拌葉片受到的阻力分析

阻力的改變就是驅(qū)動力的改變，而驅(qū)動力直接影響著所測數(shù)據(jù)—電機電流的大小，因此需要對葉片的阻力進行分析計算。根據(jù)經(jīng)驗公式得出攪拌裝置工作阻力如下式所示（K為工作阻力系數(shù)）[3]，攪拌裝置中攪拌臂是不變的，只需求攪拌葉片的工作面積。攪拌葉片所承受的工作阻力：

其中K=5～9 N/cm2，因攪拌機工作時攪拌葉片和攪拌臂所受阻力是不斷變化的，因此阻力系數(shù)也是不斷變化的，它與轉(zhuǎn)速、物料的屬性和狀態(tài)有關(guān)。為便于對迎面阻力進行比較，試驗時攪拌材料是相同的，迎面阻力系數(shù)均為7 N/cm2.

對中型攪拌葉片受到的阻力：

梯形攪拌葉片受到的阻力：

通過計算可知，梯形葉片比對中型葉片受到的阻力減少了2.98%，但單軸上的中葉片有4個，此次所試驗的雙臥軸攪拌機上共有8個中葉片，因此對所測電機電流影響還是很明顯的。兩種攪拌葉片的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　兩種攪拌葉片的相關(guān)參數(shù)

2　試驗測試

2.1　試驗準備階段

本次試驗主要目的是確定不同攪拌葉片加載條件下驅(qū)動電機的帶載情況，電機選擇是否合理。

為了使試驗順利有序的進行，實驗前應(yīng)確保做好以下工作：將DT1500ZBW攪拌機放置到試驗場所，檢查主機機架上及缸體內(nèi)部是否有雜物，并及時清理干凈；檢查主機卸料機構(gòu)開啟、關(guān)閉狀況，確保卸料機構(gòu)加載前工作正常；將主機固定放置于試驗臺架上，空載試運轉(zhuǎn)，檢查主機放置是否平穩(wěn)可靠，若支撐臺架出現(xiàn)較大擺動，則應(yīng)對支撐臺架進行加固，確保試驗的安全性；預(yù)先確定電控箱內(nèi)待測電機的對應(yīng)接線，以便實驗過程中直接用電流鉗測量；測試工具如圖3所示。

準備好試驗用的各種工具：上料斗、吊稱、鐵鍬、裝載車、水管、水桶、臺秤、電流鉗、記錄表、中性筆、溫度計、扶梯等。并準備好所需砂2 220 kg、骨料4 440 kg，砂子重量占砂石總重量為34%[4]。

圖3　測試工具及過程圖

2.2　試驗過程

（1）試驗機空載運行20 min確保試驗機能正常運行，檢測數(shù)據(jù)并記錄；

（2）在攪拌設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中多次加料，直至滿載為3 360 L，每隔3 min測量一次數(shù)據(jù)并記錄；

（3）滿載運行一定時間后，繼續(xù)加料直至超載為3 744 L，進行超載試驗，檢測數(shù)據(jù)并記錄。

2.3　兩種攪拌葉片測試結(jié)果

中型攪拌葉片和梯形攪拌葉片下驅(qū)動電機1、2的電流測試結(jié)果（如表2所示），及電流變化情況（如圖4、圖5所示）。由于數(shù)據(jù)較多，因此只取了每次時間段的均值。

表2　兩種葉片的電流測試結(jié)果

圖4　電流1的曲線圖

圖5　電流2的曲線圖

2.4　兩次試驗測試的對比分析

從表2、圖4、圖5可以看出兩種葉片的驅(qū)動電機1的電流。過載為3 744 L時對兩種葉片測得電流差值達到最驅(qū)動電大。梯形攪拌葉片相對于對中型攪拌葉片的電流值下降最大約17%.兩種葉片的機2的電流，過載為3 744 L時梯形攪拌葉片相對于對中型攪拌葉片的電流值下降最大約17%.當電機額定電壓不變時，攪拌機工作所需電機功率隨之減小，實現(xiàn)節(jié)能減荷目的。

攪拌裝置的生產(chǎn)功率按下式[5]：

式中：P、P1為攪拌裝置負載功率之和及電機輸出功率（W）；Fi為各攪拌裝置的工作阻力（N）；Vi為葉片中徑線速度（m/s）；U 為電機額定電壓（V）；I為電機工作電流（A）；η1、η2為電機傳動和攪拌裝置傳動效率；cosθ為電機功率因數(shù)。

混凝土攪拌機的傳動裝置及電機型號均不變，只有攪拌裝置中的中葉片形狀和大小發(fā)生了變化。從而攪拌裝置的工作阻力發(fā)生變化，即攪拌裝置的生產(chǎn)功率變化。攪拌機的負載功率P決定這電機的輸出功率P1，攪拌裝置中葉片的改變直接影響著電機的輸出功率。

3　結(jié)論

通過對試驗結(jié)果分析可得出，梯形攪拌葉片產(chǎn)生的攪拌阻力更小，耗電量低，同時加工制造也更加容易，梯形攪拌葉片更適用于DT1500ZBW的實際工程應(yīng)用。因此，優(yōu)化攪拌裝置上的攪拌葉片，不僅節(jié)約材料，而且明顯較低電機電流，對電機起到保護的作用。電機峰值電流減小，攪拌裝置所需功率減小，也達到了減載節(jié)能的目的。改進攪拌葉片的結(jié)構(gòu)和曲面形狀，對提高混凝土攪拌機的攪拌質(zhì)量、減小攪拌阻力和降低功率消耗具有重要的意義。

參考文獻：

[1]馮忠緒，李 彰，王衛(wèi)中，等.攪拌臂數(shù)目與攪拌葉片面積[J].工程機械，2008，39（2）：61-65.

[2]馮忠緒，趙利軍，姚運仕，等.攪拌葉片安裝角的確定方法[J].工程機械，2005（06）：71-74.

[3]王子馨，劉云飛，趙利軍.一種混凝土攪拌機彎臂攪拌裝置[J].建筑機械，2016（10）：77-83.

[4]李立權(quán).混凝土配合比手冊[M].3版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

[5]馮忠緒，江建衛(wèi)，姚錄延.攪拌功率的計算[J].工程機械，2005（7）：74-76.